棕色脂肪组织与心血管疾病的关系

陈宏锦 潘晓茜 高平进,2 阮承超,2

自2000年以来，全球肥胖人数急剧升高，儿童肥胖已高达1亿，而在成年人中甚至高达6亿，且在各个国家肥胖人数还在不断升高。据统计每年约有400万人死于与肥胖相关的疾病，其中心血管疾病占到三分之二[1]，尤其腹部脂肪的堆积会大大增加心血管疾病及死亡的风险[2-3]。肥胖患者中脂肪组织通常表现为脂肪细胞体积的增大以及功能障碍，同时伴有巨噬细胞等炎症细胞的浸润，也就是大家所熟知的白色脂肪组织具有的特点[4]。而人体中还存在一种棕色脂肪组织（brown adipose tissue，BAT），由棕色脂肪细胞以及基质血管成分（stromal vascular fraction，SVF）组成，是哺乳动物非颤栗产热的关键部位，具有分泌功能，同时SVF中的多种成分也起着各样的作用，其中SVF中干细胞的发现更是让脂肪组织无论是在基础研究还是临床研究的地位进一步提高了。BAT含量虽然少，但近年来的研究发现其在维持心血管稳定上有重要意义，而且其作为应对肥胖以及代谢相关疾病一个新的治疗靶点受到了研究者们越来越多的关注。本文回顾了BAT自发现以来在人体及动物模型上的相关研究进展，论述了其与心血管损伤的相关性。

一、棕色脂肪组织

（一）棕色脂肪组织的发现与位置

早在1551年，瑞士自然学家Konrad Gessner 首次在土拨鼠的肩胛部发现BAT，当时仅被当做是与其冬眠相关的腺体。直到20世纪初，BAT 才渐渐被视为发育成熟且明确的组织。最早报道过人类BAT的是Shinkishi Hatai，他于1902年研究人类胚胎时惊讶地发现胚胎中存在一种腺体，它在位置、结构、外形与之前提过的低等哺乳动物冬眠相关的腺体很相近。Hatai 当初已经对其在胸锁乳突肌和斜方肌处发现的BAT形态做了较为准确的描述，“多边形小叶”“富含血供”“丰富的无髓神经纤维”[5]。由于研究的限制，当时对人BAT的研究主要源于对尸体的解剖，Heaton 等[6]发现BAT 主要位于以下部位：（1）颈部或者腋窝；（2）肾周/肾上腺；（3）大血管和气管周围。婴幼儿的肩胛部（啮齿类动物BAT的主要部位）也发现一片菱形的BAT。在婴幼儿中BAT 大约占总体重的2﹪～5﹪，而在成年人中BAT 仅占0.05﹪～0.1﹪。随着年龄的增长，虽然人体BAT的含量会逐渐下降，但人体特定区域仍会一直存有。且有研究者发现，生活在寒冷环境下个体BAT的含量相对较高[7-9]。但是由于缺乏有效的非介入手段，对BAT 体内的研究受到了很大的限制，所以在一段时期内，人们在对健康人体中的BAT分布与含量以及其相关作用的研究上受阻。直到正电子发射断层显像/X 线技术层成像仪（PET/CT）的应用，让人们对BAT的研究重新燃起了兴趣。2009年三篇发表在NEJM 上的报道同时证实了在健康人体中存在着有功能活性的BAT，其位置与以往尸检中所确认的位置相符[10-12]。Virtanen 等[10]研究发现在5位参与者中，在冷刺激下其颈旁和锁骨上区域的葡萄糖摄取量增加15倍。Cypess 等[11]也发现BAT 在女性中比男性更为丰富。经研究发现，人的BAT 并非单独存在，而是掺杂在白色脂肪组织当中[13]。在动物实验中发现这些动物的脂肪组织存在棕色化的过程，即在一定的刺激下，如冷刺激、β 肾上腺素以及其他一些药物，白色脂肪组织中会出现棕色样脂肪细胞，这种特殊类型的脂肪细胞也被称为米色脂肪细胞[14-15]。

（二）BAT 功能

1.BAT的产热功能：BAT自发现以来，就被认为与产热有着密切联系[5]，直到20世纪60年代初才被实验证实BAT可在交感神经的作用下调节产热，冷刺激下非战栗产热正是通过刺激交感神经促进BAT 产热[16]。棕色脂肪细胞中富含线粒体，有着很强的氧化活性，在线粒体内膜存在解偶联蛋白1（UCP1）[17]。UCP1是BAT特异性标记基因UCP1所表达的蛋白，由2个32 kD 亚基组成的二聚体，在线粒体内膜上形成质子通道，内膜胞质侧的H+可经此通道返回线粒体基质，使氧化磷酸化解偶联而不合成ATP，质子浓度梯度储存的能量以热能形式释放[18]。因此BAT 可通过糖、脂代谢增加产热，在一定意义上可以加速体内储存能量的消耗。Rothwell 等[19]在实验中也发现大鼠的BAT含量在过量饮食（高脂高糖的食物）的条件下会增加，并且增加产热，他们认为相对于遗传相关的、下丘脑相关的或药物诱导的肥胖，饮食所导致的肥胖是有诸多好处的。此外，上述提及的米色脂肪细胞，在一般情况下，UCP1表达量较低，而在寒冷、饮食、药物等诱导下其UCP1表达量提高，增加其能量的代谢[20]。

2.BAT的分泌功能：除了参与产热作用之外，BAT作为一种分泌器官的作用逐渐引起大家的重视。在此之前，人们发现白色脂肪组织可以分泌多种物质，如脂肪因子、炎症因子等，但这些由白色脂肪组织分泌的因子在BAT 中却鲜有表达，这就可能让研究人员们错误地认为BAT的分泌功能较弱[18]。如今发现，许多来源于BAT的分子，如第一批被证实的成纤维细胞因子21（FGF21）、白介素-6（IL-6）、神经调节蛋白4（NRG4）、血管内皮细胞生长因子A（VEGFA）等，将通过旁分泌或自分泌的方式参与BAT的产热、血管生成以及白色脂肪组织棕色化等过程[21]。近年来，有研究团队通过蛋白组学分析的方法对BAT进行研究，为探索新的棕色组织脂肪因子提供了有效手段[22]。白色脂肪组织与BAT分泌因子的不同可能与白色脂肪组织起源于血小板衍生生长因子受体α（Pdgfr-α+）的前体细胞，而BAT来源于平滑肌样前体细胞有关[23]。在目前证实来源于BAT的细胞因子中，它们主要作用于不同组织或者靶器官从而起到保护或者调节心血管系统的作用，例如FGF21被证实对心脏具有明显的保护作用[24]；骨形态发生蛋白8b（BMP8b）和NRG4 参与神经-血管的重构[25]；CXC 趋化因子配体蛋白14（CXCL14）和生长分化因子15（GDF15）参与机体抗炎过程[26-27]。到目前为止，对BAT分泌功能的认识仍不完全，对于新的棕色脂肪因子的发现与作用特点仍需进一步研究。

3.SVF的作用：BAT是由棕色脂肪细胞与SVF组成，SVF是多种成分的总称，里面含有多种细胞成分，如内皮细胞、红细胞、成纤维细胞和淋巴细胞等[28]。除了这些以外，在2001年有研究人员首次证实了SVF中存在具有多分化潜能的干细胞，后经规范化命名之后，统一称为脂肪组织来源的干细胞（adipose-derived stem cells，ASCs）[29-30]。据研究，ASCs 相较于骨髓来源的干细胞（marrow-derived stem cells，MSCs），在刺激条件下，更倾向于朝着内皮细胞、肌肉细胞甚至心肌细胞的方向分化，而且可以分泌血管内皮细胞生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）和瘦素等促血管生成因子，具有优越的血管生成能力[31-34]。这使ASCs 成为再生细胞的另一大重要来源，尤其是为心血管系统在细胞再生治疗方面开辟了一条新道路。而且有研究报道，ASCs来源的外泌体可能与血管再生、心脏功能的发挥有关联[35]。

二、BAT与心血管疾病

根据世界卫生组织的相关调查显示，心血管疾病（cardiovascular disease，CVD）是如今全世界死亡的主要因素，且每年超过1 770万人死于CVD[36]。而肥胖与心血管之间的关系自从上世纪开始就受到了广泛关注，大量流行病学调查显示肥胖是心血管疾病重要的决定因素，尤其在青少年中更是如此，有数据显示无论是否伴有代谢性问题的肥胖，都被视为一种疾病状态，与健康人群相比，肥胖人群心血管疾病的发生率及死亡率也显著提高[37-38]。其中超过75﹪的高血压是由肥胖直接导致的[39]。也有大量研究报道肥胖人群中存在包括左室扩大、左室肥厚在内的心脏结构、功能异常等一系列问题[40-42]。有研究表明，在肥胖人群中BAT的活性会降低[43]。作为一种与能量代谢密切相关的组织，BAT的减少会促使代谢底物的堆积，从而诱发各种生理异常。早在20世纪末，Cittadini 等[44]用敲除BAT的转基因小鼠研究BAT与心血管之间的关系时发现，敲除BAT 之后，其能量消耗会减少，体温也会降低，而且这类缺失BAT的小鼠在过量摄食条件下更易肥胖。最主要的是在缺少BAT的情况下，除了会出现以往所提及的肥胖与胰岛素抵抗等情况之外，这些小鼠会明显出现心血管上的表现，如血压升高、伴有心室重构和间质组织增生的左室肥厚。Richard 等[45]在对443例患者调查随访后得到的临床研究数据中也指出BAT活性与血管炎症、心血管疾病事件发生呈现负性关系。接下来研究者们所要面临的问题是BAT 具体是如何参与到心血管疾病的发生与发展中的。随着对ASCs的研究深入，如今ASCs 在临床上已被用于心脏组织的再生，血管的生成以及缺血的预防[46]。

（一）BAT与血管损伤

血管损伤是指血管受到体内外机械或化学刺激后出现的结构破坏、功能紊乱，其中动脉粥样硬化与动脉瘤作为人类最为普遍与凶险的两大疾病，受到很大关注。动脉粥样硬化是一种慢性炎症的过程，主要包括脂质的积累、炎症细胞的浸润、平滑肌细胞的增殖和迁移、氧化应激以及新生血管的形成等[47]。传统认为肥胖者血液中低密度脂蛋白含量的增加，沉积于管壁上被巨噬细胞吞噬，而后形成泡沫细胞是导致动脉粥样硬化发生与发展的关键步骤[48]。近年来，越来越多证据表明动脉粥样硬化斑块的形成最早是由于内皮功能的损伤，这与脂肪细胞释放的促炎因子导致的免疫细胞浸润相关[49-50]。而BAT 则可以改善这个过程。在动物实验中，研究人员发现用β 肾上腺素能受体激动剂刺激脂肪棕色化，使BAT含量增高可以减少高脂血症小鼠高胆固醇和动脉粥样硬化的发展[51]。有研究发现BAT的功能紊乱会导致其线粒体功能的损伤，进而导致氧化物酶体增殖激活受体共激活因子1（PGC-1α）合成的减少，而血管壁上NO作用的发挥依赖于PGC-1α的功能，这就导致血管内皮舒张功能受到损害，加重血管损伤[52]。同时，PGC-1α 对线粒体的生物合成及功能发挥有极大作用，与端粒功能障碍、DNA 损伤、氧化应激密切相关，可负性调控血管衰老[53-54]。此外，在对动脉粥样硬化的研究当中，有团队将微小RNA（microRNA，miRNA）成员之一的miR-324-5p作为动脉粥样硬化发展的特异性生物标志物，随着疾病的发展，其含量也会升高，在给予ASCs来源的外泌体之后，可以限制miR-324-5p的增长，从而抑制动脉粥样硬化的发展[55]。

动脉瘤是一种常见而又异常凶险的血管疾病，在发病后会进行性扩张，破裂后具有极高的死亡率，目前仍缺乏较为有效的内科治疗手段，其中以腹主动脉瘤较为多见。目前认为动脉瘤由于血管平滑肌细胞的减少、基质的降解以及炎症细胞在血管周围浸润而表现出中外膜变薄[56]。肥胖会增加心血管相关的死亡风险，很大一部分原因是动脉瘤的形成[57]。有研究人员发现肥胖会增加血管紧张素Ⅱ（Ang Ⅱ）诱导的动脉瘤形成，而且会加剧血管周围巨噬细胞的浸润和单核细胞趋化蛋白（MCP-1）、IL-6、趋化因子等促炎因子的表达。他们在研究时发现胸主动脉处的脂肪组织含有更多的BAT，而腹主动脉周围含更多的白色脂肪组织，最后他们认为肥胖之所以会增加腹主动脉瘤发生率，并非由于血中胆固醇浓度、脂蛋白分布以及胰岛素抵抗的改变导致，而是由于BAT的减少导致其对炎症细胞的趋化作用增加，并增加促炎因子释放[58]。Dowal 等[59]发现BAT 可以抑制巨噬细胞的炎症反应，后来有研究团队发现这与BAT分泌的细胞因子密不可分，一方面，BAT来源的CXCL14 能够招募具有抗炎功能的M2型巨噬细胞，另一方面通过分泌GDF15作用于M1型巨噬细胞，抑制其促炎活性，从而共同对血管起到保护作用[26-27]。

（二）BAT与心脏损伤

心力衰竭作为各类心脏损伤的终末状态，是由心脏结构或功能异常所导致的一种临床综合征，是一种进展性疾病，最初可由于各种原因导致的心肌损害，导致心室充盈和射血能力受损，表现为渐进性心室重构。心力衰竭是心血管疾病最严重阶段，死亡率高，预后不良。近年来有研究表明脂肪细胞来源的细胞因子参与心脏疾病的调节[60]。在动物模型中发现手术去除BAT 之后，心脏的重构会加剧。如上述提及过的FGF21，作为首批被证明BAT 可分泌的细胞因子，它对心脏有很强的保护作用，后续有研究证实BAT 上腺苷A2A受体可介导其表达FGF21，进而减轻心脏损伤[61]。也有研究团队发现敲除UCP1的小鼠在给予心脏损伤操作时会出现更为严重的心肌损伤、纤维化、心室重构等情况，存活率明显下降，而将有功能的BAT 移植到该类小鼠体内可以逆转心脏损伤并提高生存[62]，这也说明了BAT 在心脏保护中起着重要作用。如前面提到的，BAT 功能障碍会导致PGC-1α 合成下降。在一些如高血压、心梗后心力衰竭的心肌肥厚患者中发现，PGC-1α的降低会导致脂肪酸β 氧化和线粒体氧化功能的下降[63]。有研究表明其可能是通过沉默信息调节因子1-PGC-1α-氧化物酶体增殖物激活受体通路抑制核因子κB 促炎通路起到心脏保护作用[64]。此外，脂肪组织功能的障碍对多种心脏病变的影响在许多研究中均有提及[65]。

以往由于缺乏较为准确的检测手段来发现人体中存在的BAT，从而使BAT 在人类心血管疾病甚至在维持机体稳态上的作用被忽视，但在发现人类脂肪组织棕色化的特性以及PET/CT的应用后，惊喜地发现BAT 潜在的临床价值。BAT的产热作用有助于能量消耗，减少糖脂堆积，其分泌的血管保护的脂肪因子，使其有望成为一种的新的应对心血管疾病以及肥胖的治疗手段，同时ASCs的发现与应用为心血管系统疾病的治疗提供了强有力的帮助[66]。但对BAT 如何影响心血管疾病的具体机制认识上仍不够完善，需要进一步的研究，相信在不久的将来能为心血管疾病的预防与治疗开辟一条新的道路。