脂肪组织巨噬细胞极化调控的研究进展

王朝阳，苏立平，谷建衡，武炯呈，贾红梅，周 静

（1.内蒙古医科大学附属医院胃肠外科，内蒙古 呼和浩特 010050；2.内蒙古医科大学基础医学院机能实验室；3.内蒙古医科大学第一临床学院；4.内蒙古医科大学基础医学院药理学教研室）

肥胖和2型糖尿病（type 2 diabetes mellitus，T2DM）是全球性的健康问题，几乎80%的T2DM患者伴有超重或肥胖。现已证实肥胖除了表现为脂肪组织的代谢紊乱外还具有慢性低度系统性炎症属性，脂肪组织巨噬细胞（adipose tissue macrophage，ATM）是肥胖时脂肪组织发生炎症反应的关键因素[1]。肥胖时脂肪组织微环境的改变激活了炎症相关的信号转导通路，诱导巨噬细胞极化，最终导致包括胰岛素抵抗（insulin resistance，IR）和T2DM在内的代谢紊乱。在过去的20年里，炎症在增加IR风险方面的重要作用已经得到越来越多的认识，炎症可能是引起代谢障碍的决定性因素[2]。减弱炎症反应具有代谢保护作用，可以减缓IR和T2DM的发展。因此，ATM可能作为改善IR、治疗T2DM的靶点。

1 ATM的功能及表型

脂肪细胞中营养物质的代谢活动与免疫系统的防御作用密切相关。过多的能量会引起细胞内氧化还原电位和氧化应激的变化，并引起肝细胞、脂肪细胞和下丘脑神经元的内质网应激[3]。这种慢性低程度的组织应激与生理适应性免疫反应有关，可以促进脂肪组织招募巨噬细胞，这是代谢活动和炎症反应相互作用的中心环节。脂肪组织慢性低度炎症导致IR，使新陈代谢健康的肥胖转变为代谢症候群，表现为包括TNF-α在内的血清炎症细胞因子水平升高和巨噬细胞浸润到脂肪组织的慢性全身炎症综合征[4]。因此，巨噬细胞是代谢症候群、IR和T2DM等肥胖相关慢性疾病的共同发病中心。

巨噬细胞可极化为两种互斥激活状态：经典活化型巨噬细胞（classically activated macrophage，M1）和选择活化型巨噬细胞（alternatively activated macrophage，M2）。M1型巨噬细胞可被脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）和γ干扰素激活，具有高度促炎作用，分泌的炎症因子包括TNF-α、IL-1、IL-6、IL-12、IL-23等，主要发挥宿主免疫功能。M2型巨噬细胞被IL-4和IL-13等细胞因子激活，分泌IL-10等抗炎因子，其功能是促进组织修复、抑制M1型巨噬细胞、下调免疫反应等[1，5，6]。脂肪组织中M1型和M2型巨噬细胞所占比例是一个动态的调节过程。正常情况下，ATM主要是M2型。随着肥胖的发展，极化状态从M2抗炎型逐渐转变为M1促炎型。M1型巨噬细胞的能量来源依赖糖酵解，而M2型依赖氧化磷酸化，这与不同状态巨噬细胞的功能相一致[7]。M1型巨噬细胞需要快速的能量来发挥短期的杀菌作用，而M2型巨噬细胞则需要更长期的能量代谢来源。因此，巨噬细胞的活化状态取决于脂肪组织的代谢活动。慢性营养过剩驱动脂肪细胞肥大，脂肪组织生长速度超过血管生成速度，缺氧微环境激活缺氧诱导因子-1，增加糖酵解过程促进向M1型极化，并导致IR[8]。由于M1型巨噬细胞依赖于糖酵解，抑制糖酵解会降低其活性。糖酵解抑制剂2-脱氧葡萄糖可以减少脂肪细胞对TNF-α或LPS的释放，再次证明了代谢和炎症之间的联系[9]。

2 肥胖导致ATM极化的信号通路

肥胖时脂肪组织中丰富的游离脂肪酸或脂解产物形成了一个营养/基质丰富的微环境，巨噬细胞可被富含TG的棕榈酸酯或VLDL激活，提高细胞内神经酰胺的水平，神经酰胺激活蛋白磷酸酶2A（protein phosphatase 2A，PP2A）去磷酸化Akt/PKB信号通路，损害Ins信号导致IR[10]。饱和脂肪酸激活巨噬细胞表面TLR4（toll-like receptors 4），TLR4为LPS的受体，可活化下游NF-κB通路。肥胖时，巨噬细胞内IKKs（I kappa kinases）活化，通过磷酸化和泛素化降解IκB，解除IκB对NF-κB的抑制，也能激活NF-κB信号通路，促进炎症因子表达，介导ATM向M1型极化。肥胖患者ATM数量增多，TLR4 mRNA的转录水平明显高于正常人，高脂喂养敲除TLR4基因的小鼠仍能保持胰岛素敏感性，并且脂肪组织中炎症因子含量下降。因此，TLR4受体的激活可能与脂肪组织中巨噬细胞向M1型极化和巨噬细胞的浸润有关。NF-κB的活化是受IKKs调节。高脂饮食喂养的HLL小鼠，IKKs的表达显著上调且ATM呈现为M1型。而IKKs基因敲除鼠给予高脂饮食，其体质量和脂肪重量的增加比野生型小鼠明显减缓。抑制NF-κB信号通路则能改善胰岛素敏感性，促进巨噬细胞分泌释放IL-10等抗炎因子[11，12]。除此之外，c-Jun氨基末端激酶（c-Jun N-terminal kinase，JNK）信号通路是肥胖相关代谢反应中的重要通路。JNK mRNA转录和蛋白表达水平提高也促进ATM向M1型极化。在高脂饮食喂养的条件下JNK-1基因敲除的小鼠体质量不受影响，却能减少ATM浸润，改善IR，抑制ATM向M1型极化[13]。这些导致ATM极化的信号通路在肥胖诱导的慢性炎症以及代谢异常中发挥着重要作用，可能成为治疗肥胖相关的IR和T2DM的药物靶点。

3 调控巨噬细胞极化的治疗方式

3.1 靶向干预措施

目前，巨噬细胞的靶向治疗策略主要是利用巨噬细胞表达f4/80、cd11b和cd68标记物，设计能与其特异性识别的包裹治疗药物的化合物，经吞噬作用直接进入巨噬细胞，通过促进凋亡、抑制增殖、基因沉默、影响炎症信号转导途径等来改变巨噬细胞的数量及表型[14]。其中最有前景的方法是通过RNA干扰技术减少M1型炎症基因的表达，改变巨噬细胞极化的状态。潜在的靶点包括细胞因子（TNF-α、IL-6、IL-1）、趋化因子（CCL2、CCL3、CCL5）以及炎症信号转导介质（NF-κB），通过抑制向M1型极化、减少炎症细胞因子的产生或提高脂联素、过氧化物酶体增殖物激活受体γ（peroxisome proliferators-activated receptors-γ，PPAR-γ）及细胞因子（IL-4、IL-13、IL-33）的表达，增加M2抗炎型的功能，靶向特定调节巨噬细胞亚群的数量和活性[15]。药物传递方式包括微纳米粒子、脂质体、寡肽复合物等。如通过c型凝集素家族的受体，开发针对巨噬细胞的纳米颗粒。纳米载体也可输送地塞米松等抗炎药物至ATM，注射入肥胖小鼠体内，使促炎症基因TNF-α、IL-6和CCL2表达明显降低[16]。因此，ATM可以作为潜在的靶点治疗T2DM等代谢性疾病。靶向治疗的目标特异性强，能最大限度地减少毒性和靶外效应，但还不能逆转ATM的数量增加和减轻全身性炎症。而且脂肪组织的炎症反应是健康的脂肪组织扩张和过滤肠源性毒素所必需的，使用抗炎疗法改变脂肪组织功能仍需谨慎。尽管如此，由于巨噬细胞与邻近实质细胞的相互作用具有旁分泌属性，特异性修饰ATM还是一种可行的方法。减少ATM炎症仍然是治疗肥胖导致IR和T2DM的一个有希望的途径。

3.2 药物调节ATM极化

经典的抗糖尿病药可以通过直接调节免疫反应表现出抗炎潜力。PPAR是调节脂肪细胞基因表达和功能的转录因子，其中PPAR-γ控制着脂肪酸代谢，能促进原代人类单核细胞分化为M2表型。巨噬细胞特异性缺失PPAR-γ则M2型巨噬细胞的活化受抑制，降低肝脏和肌肉组织中与氧化磷酸化相关基因的表达，而降低组织的胰岛素敏感性。噻唑烷二酮类药物（TZD）是PPAR-γ激动剂，罗格列酮和地塞米松联合应用抑制小鼠附睾脂肪组织中ATM的聚集。吡格列酮能降低巨噬细胞趋化因子活性，减少ATM的含量，并提高胰岛素敏感性[17]。AMPK磷酸化激活后能激活人类巨噬细胞中与脂肪酸氧化有关的基因，增加NAD-依赖性去乙酰化酶SIRT1活性，抑制LPS或FFA诱导的NF-κB活化。接受AMPK基因缺失小鼠骨髓移植的野生型小鼠，给予饱和脂肪酸棕榈酸HFD饮食会导致巨噬细胞向M1型极化，增加TNF-α和IL-6的分泌。AMPK激活剂二甲双胍能显著减弱单核细胞向巨噬细胞的分化，抑制载脂蛋白ApoE基因敲除小鼠的动脉斑块的形成。二甲双胍能降低糖尿病小鼠的NO、前列腺素和促炎细胞因子（IL-1、IL-6和TNF-α）的产生，增加IL-4和IL-10抗炎细胞因子的合成。在HFD诱导的肥胖动物模型中，二甲双胍治疗后TNF-α水平下调、Tregs数量增加，与脂肪组织、肌肉和肝组织学的改善平行。AMPK激动剂还包括TZD、胰高血糖素样肽-1（GLP-1）激动剂、二肽基肽酶-4（DPP-4）抑制剂、水杨酸盐、白藜芦醇和脂联素等。磺酰脲类药物在体外和人体研究中均有抗炎作用，格列本脲能抑制心脏巨噬细胞的浸润和LPS诱导的IL-1和TNF-α的分泌[18]。胰岛素对T2DM患者炎症反应影响的临床研究结果相互矛盾。在一些临床试验中，注射胰岛素可降低糖尿病患者血清C反应蛋白、IL-6水平，比二甲双胍更有效。而另一些临床研究发现，在使用胰岛素后体质量增加的个体，ATM的浸润增加，随后促炎细胞因子的表达也增加[3]。总之，大部分的降糖药物具有免疫调节作用，能减少外周组织和胰岛的炎症浸润，减少促炎症介质的合成。但这种免疫调节作用是由于其对血糖、血脂水平和体质量的影响，还是由于其他机制的激活还有待进一步研究。

3.3 饮食和生活方式的改变影响巨噬细胞和炎症

耐力运动对骨骼肌和脂肪组织具有全面的抗炎作用，调节ATM的极化趋向M2表型，增强巨噬细胞内AMPK活性，增加脂肪酸氧化，降低IR。每周两次的有氧训练持续6个月，即使没有减轻体质量的情况下也能显著降低细胞间黏附分子P-selectin和ICAM-1的水平[18]。近年来，膳食中蛋白质、脂肪含量和总热量对炎症的影响已有广泛研究。高饱和脂肪高碳水化合物膳食与富含纤维和水果等低热量膳食相比，能增加血清单核细胞TLR4蛋白的表达，提高FFA和内毒素水平。膳食中加入橙汁，可以防止外周单核细胞诱导的活性氧产生，增加人基质金属蛋白酶-9（MMP-9）mRNA和细胞因子信号传导抑制因子-3（SOCS-3）蛋白水平，这与其抗氧化和抗炎保护作用相一致。膳食中添加可溶性纤维可以降低高血糖，减少可溶性DPP4的升高，增加胰岛素分泌，降低LPS和氧化及炎症应激。膳食中各营养素占比影响炎症和脂肪细胞功能。低热量高脂肪低碳水化合物饮食与低热量低脂肪高碳水化合物饮食相比，体质量降低相似，但是C反应蛋白降低，脂联素水平升高。总热量的含量和饮食干预的时间也会影响脂肪组织的炎症。经过28 d的低热量饮食，皮下脂肪组织分泌的CCL2和IL-6明显增加，与脂肪组织炎症增加相一致[19，20]。这些研究表明，通过增加运动、改变能量摄入或改变饮食营养素比例等干预措施能增加能量消耗、影响脂肪组织炎症反应。然而，这些生活方式干预的广泛采用和长期维持存在困难。减重手术已被证明比生活方式干预更能持续减肥。

3.4 减重手术可以促进ATM中的有益改变

减重手术对脂肪组织炎症反应的影响是复杂的。在一项针对肥胖T2DM患者的生活方式干预与Roux-en-Y胃旁路术（roux-en-Y gastric bypass，RYGB）的随机实验研究中，两组患者体质量减轻7%后皮下脂肪组织炎症增加，这表明减少脂肪组织炎症并不是RYGB发挥抗糖尿病作用的机制[18]。但是RYGB术后13 d内实现减重7%，而生活方式干预组需要277 d，这可能是两种不同干预方式持续时间的差异造成的[21]。而另一项胃旁路术研究结果显示，术后3个月，皮下脂肪组织中巨噬细胞向M2型转变，并改善了葡萄糖稳态。尽管腹部内脏脂肪会对代谢产生不利影响，但是在RYGB基础上增加网膜切除术并不能改善胰岛素敏感性或者降低心血管病的风险，因此对于肥胖患者并不被考虑行网膜切除术[22]。减重手术被认为是免疫调节代谢手术，它会改变脂联素分泌和脂肪组织炎症，但减重手术对脂肪炎症的长期影响是什么，减轻炎症对T2DM缓解的重要性还需进一步评估。

4 小结

脂肪组织炎症在IR和T2DM的发生发展中起着重要作用，病理性肥胖导致脂肪细胞肥大和缺氧，增加巨噬细胞的浸润，促使ATM向M1型极化，导致炎症细胞因子的释放，进一步引起脂肪细胞功能障碍和IR。抗炎治疗可能是打破恶性循环的有效方法，巨噬细胞将成为治疗T2DM的独特靶点。降糖药、饮食和生活方式的改变在不同程度上发挥了抗炎作用，减少巨噬细胞向M1型极化，在预防进行性代谢功能障碍方面是有效的，但其治疗效果还不理想，降糖药的免疫调节的机制尚不清楚。特异性的药物靶向干预为临床防治T2DM提供了新手段。巨噬细胞作为治疗靶点时，需要关注目标巨噬细胞的表型和疾病与炎症的相关性，靶向调控巨噬细胞对于代谢性疾病的治疗潜力和可行性方面仍需进一步的研究。减重手术在减轻脂肪组织炎症、缓解T2DM方面获得了较好的长期收益，但还有一些尚未解决的关键问题：如果脂肪组织内的炎症细胞因子是代谢功能障碍的重要原因，为什么皮下脂肪抽吸术和内脏网膜切除术并不能改善代谢障碍？脂肪组织生理功能的维持需要多大程度的炎症反应的参与？抑制它低于这个阈值水平是有害的吗？等等。在这些领域的进一步研究可能为炎症性代谢性疾病的治疗带来新的思路。