巨噬细胞在运动诱导白色脂肪组织棕色化中的作用研究进展

王蕊 何玉秀

1河北师范大学体育学院人体运动生物信息测评河北省重点实验室（河北石家庄 050024）

2河南师范大学体育学院（河南新乡 453007）

肥胖及其相关代谢性疾病如2型糖尿病、动脉粥样硬化、脂肪肝等不仅影响个体寿命及生活质量，也给社会造成巨大经济负担。从能量平衡角度理解，肥胖是由于能量过剩导致脂肪在脂肪细胞内储存过多造成的。众所周知，运动是有效减肥的基本措施之一，这不仅表现在运动过程中直接消耗能量，而且还有运动后的持续消耗能量效应。运动诱导的白色脂肪组织棕色化（beiging of white adipose tissue）即可增加脂肪组织适应性产热以持续消耗能量。

脂肪组织中的免疫细胞除了可以引起低度代谢性炎症与胰岛素抵抗外[1]，还可以通过诱导白色脂肪组织棕色化而调节能量代谢[2]。其中巨噬细胞在运动诱导白色脂肪组织棕色化过程中可能发挥重要作用。

1 白色脂肪组织棕色化的概念和意义

通常把哺乳类动物体内脂肪分为两种：白色脂肪组织（white adipose tissue,WAT）和棕色脂肪组织（brown adipose tissue,BAT）。白色脂肪组织中出现类似棕色样脂肪细胞的过程即为白色脂肪组织棕色化，这种类似棕色样脂肪细胞又称米色脂肪细胞（beige adipocyte），此组织又称米色脂肪组织（beige adipose tissue)[3]。米色脂肪细胞与典型棕色脂肪细胞的区别在于前者只有受到寒冷、运动或β肾上腺素受体激动剂等刺激时，细胞内线粒体才能表达解偶联蛋白1（uncoupling protein 1,UCP1)，脂肪组织适应性产热增加，从而消耗能量[4-6]。米色脂肪细胞内含多房脂滴和大量线粒体，区别于白色脂肪细胞的单房大脂滴和少量线粒体的特点[3]。

米色脂肪细胞有多种发育途径，一种是通过成熟的白色脂肪细胞的分化转移而来[7,8]；另一种直接由固定的早期B细胞发育因子2和血小板衍生生长因子受体α阳性的（EBF2+PDGFRα+）前体脂肪细胞分化形成[9,10]；也有研究认为其与平滑肌细胞有一定的同源性[11]。结果不一致的原因可能是实验技术有限或不同，也有可能是转移和直接分化同时存在，但脂肪细胞是否经历过米色刺激不得而知，比如，实验取材时白色脂肪细胞可能已接受过棕色化趋向的刺激，又或者预编码的米色细胞脂肪细胞假扮成白色脂肪细胞存在，当有适宜刺激时才表现出米色的表型[12]。关于米色脂肪细胞标记物的研究，Wu等[13]分析啮齿类动物腹股沟皮下脂肪组织中出现Tbx1、Tmem26和CD137即为米色脂肪细胞；Ussar等[14]认为米色脂肪细胞表面标志为质子辅助氨基酸转运蛋白2（proton assistant amino acid transporter-2,PAT2），但Garcia等[15]认为在体实验因刺激强度、年龄等因素的差异会限制这些标记物的作用，调节生热的标记物UCP1、诱导细胞死亡DNA片断化因子a样效应因子A（Cell Death-Inducing DFFA-Like Effector A,CIDEA）和细胞色素C氧化酶VIIIb亚基（Cytochrome C Oxidase Subunit VIIIb,Cox8b）是评价活体生物白色脂肪棕色化的最佳选择。

棕色和米色脂肪细胞组织内含大量线粒体并表达UCP1，可以消耗能源底物产生热量，因此在治疗肥胖及2型糖尿病等代谢性疾病中受到关注。人体内棕色脂肪组织一直被认为只存在于婴儿和儿童期，但是用18F氟脱氧葡萄糖正电子发射体层扫描技术可观测到成年人体内也存在棕色脂肪组织[16,17]，且其含量与年龄呈负相关，老年人群体内棕色脂肪含量与BMI也呈负相关[18]。白色脂肪组织中出现米色脂肪细胞后，不仅起到消耗能量的作用，还可以对白色脂肪组织进行改造重塑，包括微血管、交感神经纤维增多，改善脂肪组织纤维化及提高胰岛素敏感性等，有助于调节全身能量消耗和糖脂稳态[19]。因此，诱导机体白色脂肪组织棕色化和激活棕色脂肪组织将是治疗和预防肥胖及相关代谢性疾病的有价值研究方向。

2 巨噬细胞对白色脂肪组织棕色化的影响

白色脂肪组织中除了成熟的脂肪细胞外，还有血管基质部分（stromal vascular fraction,SVF）细胞，包括内皮细胞、前脂肪细胞和各种免疫细胞。免疫细胞中巨噬细胞因数量和功能的优势，对调节能量代谢平衡具有重要作用。在健康小鼠和人体中，巨噬细胞的数量大约占脂肪组织中SVF细胞总数的10%～15%，而肥胖者体内可达到45%～60%，且巨噬细胞分泌的肿瘤坏死因子α（tumor necrosis factor-alpha,TNFα）等炎性因子可能是代谢性炎症最初的贡献者[20]。

肥胖形成过程中，脂肪组织内的巨噬细胞位置发生改变，并从抗炎表型转变为促炎表型，即从M2型转变为肥胖时的M1型为主[21]。转变机制有两种理论解释，一种认为是血液循环中单核细胞受到诱导并浸入脂肪组织后转变而来，即经典炎症刺激引起的单核细胞募集[22]；另一种认为是由白介素4（interleukin-4，IL-4）介导脂肪组织中固有巨噬细胞增殖及转变[23]。前者的优点是大量巨噬细胞在组织中聚集发挥作用，但这种方式代价较大，需要血液循环池的补充维持；相反，IL-4介导的2型炎症的局部增殖对骨髓代偿要求较低。对ob/ob小鼠注射氯磷酸二钠脂质体消除血液中的单核细胞后，脂肪组织固有巨噬细胞仍具有增殖能力，单核细胞趋化因子1（monocyte chemotactic pro⁃tein-1,MPC-1）与巨噬细胞相应的趋化因子受体2（CC chemokine receptor type 2,CCR2）结合刺激脂肪组织中固有巨噬细胞增殖，这种增殖并不依赖于单核细胞的募集[24]。

脂肪组织中巨噬细胞因局部微环境变化而表现出不同的表型，这种变化受不同的细胞信号途径调控，巨噬细胞受体（IL-1R、TNFR、TLR2/4）[25]感受白介素1β（interleukin-1β,IL-1β）、TNF-α、饱和脂肪酸和脂多糖（lipopolysaccharides,LPS）的变化，触发IkKβ[26]和c-Jun氨基末端激酶（c-Jun N-terminal kinase,JNK）[27]信号通路，导致核因子kB（Nuelearfactor-kappaB,NF-kB）、c-JNK、干扰素调节因子 3（interferon regulatory fac⁃tor-3,IRF3)和干扰素调节因子 5（interferon regulato⁃ry factor-5,IRF5)活化使巨噬细胞表型为M1型，促炎基因表达增加并产生炎症因子；Th2型细胞分泌IL-4通过信号转导与转录激活因子6（signal transducers and activators of tranion,STAT6）信号途径和转录因子过氧化物酶体增殖物激活受体γ（peroxisome prolifer⁃ator-activated receptorgamma,PPARγ）、过氧化物酶体增殖物激活受体δ（peroxisome proliferator-activated re⁃ceptorgamma,PPARδ）和 Krüppel样因子 4（Krüppellike factor4,KLF4）等调节使巨噬细胞表现为M2型[28]，一方面和调节性T（Treg）细胞共同作用分泌白介素10（interleukin-10,IL10）增加脂肪组织胰岛素敏感性，另一方面可直接分泌儿茶酚胺类物质促使棕色脂肪活化和米色脂肪形成，增加产热和能量消耗[29]。M2表型产生抗炎蛋白包括Ym1、精氨酸酶1和IL-10[22]，M1表型则产生大量促炎因子，分泌TNF-α、诱导型一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthesis,iNOS）和IL-6[21]。

2.1 巨噬细胞M M1 1表型对白色脂肪棕色化的影响

小鼠高脂饮食后，巨噬细胞中转录辅助因子受体相互作用蛋白140（（receptor-interacting protein140,RIP140）明显增加，可通过NF-kB信号通路促进巨噬细胞浸润WAT并向M1型转化形成胰岛素抵抗，而当巨噬细胞RIP140降低时，M1表型减少并转为M2表型时促使WAT棕色化[30]。M1巨噬细胞还可通过整合素α4与脂肪细胞的血管细胞粘附分子-1（vascular cell ad⁃hesion molecule-1,VCAM-1）结合，两者粘合加剧巨噬细胞炎症反应，使脂肪细胞激活胞外信号调节激酶（ex⁃tracellular regulated protein kinases,Erk）信号通路以抑制UCP1表达，抑制皮下白色脂肪组织棕色化以降低脂肪消耗速度；而敲除或药物作用抑制整合素α4后，冷刺激下肥胖症小鼠UCP1表达增加[31]。高脂饮食诱导肥胖C57BL/6小鼠皮下脂肪组织中M1巨噬细胞浸润，冷刺激下UCP1表达下降；糖尿病模型KK-Ay小鼠腹腔内注射巨噬细胞清除剂氯磷酸二钠脂质体后，皮下脂肪组织中M1巨噬细胞明显下降，TNFα mRNA表达水平降低，冷刺激后UCP1表达增加；再将正常C57BL/6小鼠腹腔内注射TNFα后，冷刺激下皮下脂肪组织表达UCP1又减少，研究者由以上三个实验推断巨噬细胞M1引起的脂肪组织炎症可抑制脂肪细胞UCP1表达进而减少组织能量消耗[32]。后有研究证实M1分泌的TNFα通过抑制cGMP信号通路阻断白色脂肪细胞转化为米色脂肪细胞[33]。因此，高脂饮食可使小鼠白色脂肪组织中M1巨噬细胞浸润增加并产生细胞因子，不仅造成胰岛素抵抗而且还抑制脂肪组织棕色化的产生从而降低能量消耗。

2.2 巨噬细胞M M2 2表型对白色脂肪棕色化的影响

体外实验认为巨噬细胞RAW264.7细胞株未受刺激时儿茶酚胺含量较低，脂多糖刺激48小时后，可检测到酪氨酸羟化酶（tyrosine hydroxylase,TH）mRNA，细胞外儿茶酚胺和细胞内多巴胺含量增加，并以NE为主；用儿茶酚胺合成抑制剂α-甲基-副-酪氨酸（α-MPT）则降低细胞外NE水平；巨噬细胞不仅产生去甲肾上腺素（norepinephrine，NE），也表达β2肾上腺素受体，NE与β2肾上腺素受体结合可促进巨噬细胞向M2表型转化，形成旁分泌环自动调节儿茶酚胺类分泌水平[34]。2011年，Nguyen等[35]用M2巨噬细胞条件培养基培养3T3-L1脂肪细胞，可导致脂滴包被蛋白和激素敏感性脂肪酶磷酸化，以说明M2巨噬细胞有助于脂肪细胞内甘油三脂分解；小鼠在体实验中，短时间冷刺激可增加WAT和肩胛间BAT中M2型巨噬细胞的数量，并产生TH，以合成儿茶酚胺促进白色脂肪细胞内甘油三酯分解，游离脂肪酸被转运入棕色脂肪细胞与β3肾上腺素受体结合增加产热以消耗能量，说明M2巨噬细胞在适应性产热过程中发挥重要作用。2014年，该研究团队发现嗜酸性粒细胞分泌IL4，通过IL-4/IL-13-STAT6信号通路使小鼠腹股沟皮下脂肪组织巨噬细胞向M2表型转化并分泌NE促使米色脂肪细胞形成[36]。因此，这打破了对于外周NE只有交感神经节后纤维和肾上腺髓质分泌的传统认知。但在2017年，Fischer等[37]敲除成年小鼠造血干细胞TH后，冷刺激下能量消耗没有改变，腹股沟脂肪组织棕色化也并没有减少，而且在野生型小鼠体内注入IL-4并没有增加能量消耗，推断M2型巨噬细胞不能合成足够儿茶酚胺类物质，并不是引起脂肪细胞代谢或适应性产热的直接原因。同年，Zhang等从骨髓中分离出M2巨噬细胞，间隔一周分两次注入高脂饮食诱导肥胖C57BL/6N小鼠尾静脉内，第二次注射后一周发现小鼠腹股沟皮下脂肪组织明显减少，附睾和皮下脂肪细胞缩小，附睾脂肪组织中M2巨噬细胞比例和UCP1表达增加[38]。关于M2巨噬细胞对白色脂肪组织棕色化的影响除去NE的作用外，是否还存在其他的分子作用机制有待进一步研究。

因此，脂肪组织中的巨噬细胞与白色脂肪组织棕色化有一定的相关性，有可能为肥胖的治疗提供有效的新靶点。

3 运动对白色脂肪组织棕色化的影响

机体内的白色脂肪组织主要包括皮下脂肪（subcu⁃taneous WAT,sWAT）和内脏脂肪（visceral WAT,vWAT），分布有明显的性别差异，男性通常腹部脂肪较多，而女性则在臀部和腿部皮下脂肪较多[39]。过多的vWAT可增加胰岛素抵抗和2型糖尿病的风险[40]。对于人类，由于脂肪组织活检技术创伤性的限制，运动影响白色脂肪棕色化研究结果较少。有研究对47名健康男性进行6个月的运动干预后，其大腿脂肪组织活检显示棕色化标志物PRDM16、TBX1、TMEM26和CD137与运动前无显著性差异[41]，原因可能是这些指标并不适合评价人类脂肪组织棕色化，或取材的部位并不是出现棕色化的位置[42]。但是，人类在某些疾病状态下确实存在白色脂肪棕色化的过程，嗜铬细胞瘤的病人在肾周和大网膜脂肪组织中出现棕色化[43,44]；严重烧伤病人皮下脂肪出现棕色化，并可能与免疫细胞聚集、交感神经兴奋和去甲肾上腺素的分泌有关[45,46]；癌症恶病质状态下也可以出现皮下脂肪组织棕色化[47]。但运动是否可以诱导人体白色脂肪组织棕色化仍需进一步的研究。

相比较而言，这方面的动物研究取得较多的成果。初步证实运动可通过增加脂肪组织交感神经的分布，下丘脑释放神经营养因子、骨骼肌释放细胞因子，如irisin、metrnl[33,48-50]、肌肉抑制因子和β氨基异丁酸等诱导白色脂肪组织棕色化[51]，以消耗能量减少脂肪堆积。C57BL/6小鼠自主跑转轮11天后（总运动量为70±8 km）sWAT中出现米色脂肪细胞标记基因Prdm16、PGC1α、Cidea，胞内含多房脂滴，脂肪组织耗氧量增加[40]；8周跑台运动（15m/min,40min/day,5d/week）后附睾脂肪细胞内线粒体、PGC1α及UCP1增加[48]。6周龄SD雄性大鼠适应性训练1周，再经过8周跑台训练后（28 m/min,60 min/d,5 d/week），腹股沟sWAT出现棕色化现象，但附睾vWAT中不明显[52]；4周龄雄性SD大鼠8周高脂饮食诱导建立肥胖模型，进行8周跑台运动（17 m/min,45 min/d,约66%VO2max）后，腹股沟sWAT出现棕色化现象，但腹膜后及肾周vWAT未见此现象[53]；10周龄雄性SD大鼠进行1周的急性跑台运动后（18 m/min,60 min/d,5 d/week,约60%VO2max），腹膜后和附睾周围vWAT内出现UCP1表达增加。而6周龄SD大鼠完成8周递增负荷爬梯训练后（初始负荷：50%体重，每次递增30 g，直到完成8次爬梯训练或无法完成整个爬梯高度，每3天进行1次），腹股沟sWAT和附睾vWAT均无棕色化现象[52]。综上，运动可以诱导啮齿类动物白色脂肪组织棕色化，并有部位差异性。运动诱导腹股沟sWAT棕色化，但对vWAT的影响结果并不一致，其原因可能与取材位置有关，也可能与不同部位的脂肪细胞代谢、分化和凋亡的差异性[54,55]有关。

4 运动对脂肪组织巨噬细胞的影响

规律性运动可减少慢性代谢性及心血管疾病，部分原因可归因于运动的抗炎作用[56]。虽然某些运动会增加炎症介质如TNFα、IL1β和C反应蛋白的释放，但其只发生在马拉松、铁人三项等极限运动后，与机体肌肉损伤甚至内毒素增加有关[57]，大多数情况下运动发挥其抗炎作用。有研究认为运动改善脂肪组织炎症状态与抑制脂肪组织中巨噬细胞浸润或/和巨噬细胞表型转换有关[58]。

无论急性运动还是长期运动均对脂肪组织巨噬细胞产生影响（见表1）。急性运动虽然未引起脂肪组织巨噬细胞数量明显改变，但对其亚型产生影响，出现从促炎M1表型向抗炎M2表型的转变。这可能与运动刺激的量没有达到一定程度有关，也可能因为巨噬细胞数量的改变需要一定的周期。长期运动干预后脂肪组织巨噬细胞数量和表型均有所改变，进一步证实长期运动刺激可通过巨噬细胞的改变发挥降低脂肪组织炎症状态的作用。这些研究中运动干预对象以啮齿类动物居多，并局限在附睾内脏脂肪组织，而人体研究则局限于腹部皮下脂肪；运动干预方式均为游泳或跑台，运动强度以中等持续运动为主。未来研究可关注运动对不同部位脂肪组织中巨噬细胞的影响结果是否一致，也可尝试改变运动强度及运动方式如抗阻性运动来全面观察运动对脂肪组织巨噬细胞的影响。

表1运动对脂肪组织巨噬细胞的影响

5 巨噬细胞在运动诱导白色脂肪组织棕色化中的可能作用

冷刺激下正常健康啮齿类动物的皮下白色脂肪组织易出现UCP1的表达，而高脂饮食诱导肥胖小鼠UCP1表达减少。这与白色脂肪组织巨噬细胞数量及表型的转变有密切关系，随之巨噬细胞释放的细胞因子改变影响白色脂肪组织适应性产热。啮齿类动物进行运动干预后，白色脂肪组织也会出现UCP1的表达，无论皮下还是内脏脂肪组织均有证实；而运动能减少附睾脂肪组织巨噬细胞数量并改变表型以改善局部代谢性炎症状态，是否可以猜想巨噬细胞在运动诱导白色脂肪组织棕色化的过程中发挥一定的作用，因为皮下脂肪组织[66]和肩胛棕色脂肪组织受交感神经支配较多，而目前研究并没有认为内脏脂肪组织含有丰富的交感神经支配。

关于运动对脂肪组织内巨噬细胞的影响机制中，某些细胞因子起到重要作用。其一，如Metrnl，又称Meteorin-like，曾因其不同的功能被称为Cometin、Sub⁃fain或IL-39，后有学者建议统一用Metrnl作为其基因唯一编码的蛋白质[67]。机体运动后骨骼肌中PGC-1α4表达增加使Metrnl蛋白上调，后者不直接作用于脂肪细胞，而是诱导嗜酸性粒细胞进入脂肪组织中并分泌IL-4和IL-13，从而促进巨噬细胞转变为M2型，产生去甲肾上腺素促进米色脂肪生热作用[36]，促进皮下和附睾白色脂肪组织棕色化[50]。其二，如脂联素，是脂肪细胞分泌的细胞因子，从多方面发挥作用以对抗一系列的肥胖相关问题，如胰岛素抵抗、心血管疾病和癌症等。有研究认为脂联素增加可促进固有巨噬细胞向抗炎的M2型转换并增殖以诱导白色脂肪组织棕色化[68]。

6 总结与展望

能量摄入过多增加白色脂肪细胞储存甘油三酯从而使脂肪组织形态和功能发生变化，可引发代谢性炎症及胰岛素抵抗。白色脂肪组织中不均匀分散出现米色脂肪细胞将增加机体适应性产热以消耗能量，从而改善脂肪组织功能紊乱，可成为治疗或预防肥胖及相关疾病的一个重要靶点。运动可使脂肪组织中巨噬细胞数量和表型发生改变，巨噬细胞释放的细胞因子影响白色脂肪组织棕色化，因此认为巨噬细胞在运动诱导白色脂肪棕色化中发挥一定作用，具体的影响机制有待深入探究。而运动处方包含许多要素，对脂肪组织巨噬细胞和白色脂肪棕色化的影响是否存在运动形式差异性及运动量-效关系也需要更加明确。

另外，通常用UCP1作为对白色脂肪组织棕色化产热效应的评价，近来有研究发现肌酸和磷酸肌酸的无效循环也是另外的产热途径，因此对于白色脂肪组织棕色化的评价指标有待于完善和全面。