巨噬細胞在肥胖進程中的作用研究進展

姜曉旭，李明哲，趙九洲，王 欣，鄭義鵬，李永奇，李文麗，海春旭，于衛(wèi)華

(1.空軍軍醫(yī)大學第一附屬醫(yī)院綜合診療科，陜西 西安 71003；2.空軍軍醫(yī)大學基礎(chǔ)醫(yī)學院學員大隊，陜西 西安 710032；3.空軍軍醫(yī)大學軍事預防醫(yī)學院毒理學教研室，陜西省自由基生物學重點實驗室，特殊作業(yè)環(huán)境危害評估與防治教育部重點實驗室，陜西 西安 710032)

肥胖是指機體脂肪大量堆積的一種病理狀態(tài)，其主要原因是熱量攝入過剩。近30 a來，生活水平的提高導致肥胖人數(shù)激增，并呈現(xiàn)出全球性流行和不斷加重趨勢。截至2016年，全球約22億人超重，其中7.2億人屬于肥胖人群，而中國肥胖人數(shù)近1億，居全球第1位[1]。肥胖可導致多種并發(fā)癥，如2型糖尿病、心血管疾病、脂肪肝和腫瘤等。肥胖也可加速衰老和死亡，僅2015年全球就有400萬人死于超重或肥胖性疾病。因此，營養(yǎng)過剩和肥胖已成為威脅人類健康的重大公共衛(wèi)生問題。巨噬細胞是機體主要的炎癥效應細胞，在大多數(shù)機體實質(zhì)性病變中發(fā)揮重要作用。近年來的大量研究證實，巨噬細胞可能參與了肥胖的發(fā)生發(fā)展過程。本文就巨噬細胞對代謝相關(guān)炎癥、脂肪組織重塑、胰島素抵抗和肝臟損傷的影響等方面進行綜述，以期為肥胖及相關(guān)疾病的防治提供新的策略。

1 肥胖可能是一種代謝相關(guān)性炎癥疾病

近年來，機體代謝與炎癥調(diào)控的關(guān)聯(lián)性成為了醫(yī)學領(lǐng)域的研究熱點，并催生了“代謝性炎癥”的概念。與細菌感染導致的急性炎癥不同，代謝性炎癥一般不表現(xiàn)出“紅、腫、熱、痛”的臨床特點，而是慢性的“無菌炎癥”，可通過損傷機體組織器官，導致多種疾病。而這種無菌性炎癥與機體代謝紊亂密切相關(guān)，大量有害代謝產(chǎn)物的蓄積可招募并激活巨噬細胞，進而釋放大量炎癥因子。作為一種代謝紊亂性疾病，肥胖主要是機體熱量攝入超過需求，大量三酰甘油存儲導致脂肪組織結(jié)構(gòu)和功能異常。1993年，Hotamisligil課題組在肥胖小鼠脂肪組織內(nèi)檢測到腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)的表達和分泌增加，首次提出肥胖是一種慢性炎癥疾病[2]。體外研究表明，使用游離脂肪酸(free fatty acids，F(xiàn)FA)刺激脂肪細胞和巨噬細胞后，細胞上清液中白細胞介素(interleukin，IL)-6，TNF-α和單核細胞趨化蛋白-1(monocyte chemotactic protein-1，MCP-1)等炎癥因子表達升高[3]。同時，在2型糖尿病、非酒精性脂肪肝和動脈粥樣硬化等肥胖相關(guān)的代謝性疾病中，也存在顯著的炎癥細胞浸潤和炎癥因子升高[4-5]。因此，肥胖是一種代謝紊亂所導致的低度炎癥，局部乃至全身炎癥反應是肥胖患者發(fā)生心腦血管疾病、肝損傷、2型糖尿病等并發(fā)癥的重要機制。

2 肥胖過程中巨噬細胞的數(shù)量和極性變化

正常情況下，巨噬細胞以靜息狀態(tài)廣泛存在于機體組織和器官。在感染等致炎因素刺激下，巨噬細胞可發(fā)生M1型極化，釋放大量炎癥因子，如TNF-α和IL-6等。而在傷口愈合和炎癥恢復期表現(xiàn)為M2型極化，釋放大量抗炎因子，包括IL-4和IL-10等[6]。巨噬細胞在機體內(nèi)發(fā)揮“雙刃劍”作用，可通過吞噬作用和炎癥反應殺滅病原菌，而炎癥過度或遷延不愈則會引起周圍組織和細胞損傷。大量研究表明，肥胖發(fā)生發(fā)展過程中，脂肪組織中的巨噬細胞數(shù)量和極性發(fā)生顯著改變。正常動物體內(nèi)，巨噬細胞數(shù)量占脂肪細胞總數(shù)的10%，均勻分布于脂肪組織，且在嗜酸性粒細胞分泌的IL-4和IL-13刺激下發(fā)生M2型極化，表現(xiàn)為F4/80+和CD206+，發(fā)揮抗炎和增強胰島素敏感性作用。而肥胖動物的脂肪組織中巨噬細胞數(shù)目明顯增多，約占脂肪細胞總數(shù)的40%，以冠狀結(jié)構(gòu)圍繞在脂肪細胞周圍，且細胞極化狀態(tài)也由M2型向M1型轉(zhuǎn)化，呈現(xiàn)F4/80+和CD11c+表型，并釋放大量促炎因子[7]。與動物研究結(jié)果相似，在肥胖人群的脂肪組織中也觀察到巨噬細胞的大量浸潤和炎癥激活[7]。然而，KRATZ等[8]研究發(fā)現(xiàn)，肥胖過程中代謝性活化巨噬細胞雖然呈現(xiàn)CD11c+，并分泌大量炎癥介質(zhì)，但并未表達經(jīng)典M1型極化標志物(如CD38、CD319和CD274)，提示肥胖狀態(tài)下巨噬細胞極化存在其自身特殊性。因此，肥胖動物炎癥反應水平升高不僅依賴巨噬細胞數(shù)量增多，更取決于其極化分型的轉(zhuǎn)變。

3 巨噬細胞在肥胖發(fā)生發(fā)展過程中的作用

3.1 巨噬細胞可誘導肥胖相關(guān)性炎癥脂肪組織中存在豐富的免疫細胞，包括巨噬細胞、中性粒細胞、嗜酸性粒細胞、樹突狀細胞和T細胞等。因此，現(xiàn)代醫(yī)學理論認為，脂肪組織不僅是機體營養(yǎng)儲存庫，還是重要的免疫器官，其正常結(jié)構(gòu)與功能對于維持機體炎癥穩(wěn)態(tài)和免疫水平具有重要意義[9]。盡管“肥胖是代謝性炎癥”的理論在1993年就已被提出，但巨噬細胞在肥胖中的作用直到近年來才被廣泛關(guān)注。2003年，研究人員在肥胖動物模型的脂肪組織內(nèi)發(fā)現(xiàn)了F4/80陽性細胞(巨噬細胞標志物)，且巨噬細胞含量和脂肪細胞的體積及動物肥胖程度呈正相關(guān)[10]。清除巨噬細胞可有效抑制高脂飲食誘導的脂肪組織炎癥，并改善動物肥胖癥狀[11]。肥胖群體外周循環(huán)中炎癥介質(zhì)主要來源于脂肪組織的巨噬細胞，約40%的IL-6是由脂肪組織中的巨噬細胞分泌的[12]。瘦素和脂聯(lián)素是脂肪細胞分泌的重要細胞因子，瘦素可增強巨噬細胞促炎反應，而脂聯(lián)素可發(fā)揮抗炎效應。與健康群體相比，肥胖兒童血清瘦素水平明顯升高，血漿中脂聯(lián)素降低，提示二者可能與兒童肥胖的發(fā)生密切相關(guān)[13]。重度肥胖患者進行減肥手術(shù)后，機體巨噬細胞數(shù)量降低，且極化表型由M1型向M2型轉(zhuǎn)化，炎癥因子表達下降[14]。通過改變飲食和生活方式減輕體質(zhì)量，也可降低肥胖人群脂肪組織中巨噬細胞數(shù)量和促炎介質(zhì)的表達[15]。

3.2 巨噬細胞參與脂肪組織重塑作為體內(nèi)營養(yǎng)存儲的主要場所，脂肪組織可對營養(yǎng)過剩和營養(yǎng)缺乏狀況快速響應，以維持機體脂質(zhì)和能量代謝穩(wěn)態(tài)。不同營養(yǎng)狀況下脂肪細胞的形態(tài)、大小和數(shù)量存在顯著差異，并引起脂肪組織的結(jié)構(gòu)和功能改變，稱之為脂肪組織重塑。肥胖動物營養(yǎng)攝入過剩，大量三酰甘油以脂滴的形式存儲，并刺激脂肪細胞的肥大、增生和死亡。近年來研究發(fā)現(xiàn)，巨噬細胞可能在脂肪組織的重塑過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用[16]。首先，肥胖動物脂肪組織中巨噬細胞數(shù)量所占比例顯著升高，是其重要結(jié)構(gòu)組分。其次，M1型極化巨噬細胞可釋放大量炎癥因子和活性氧(reactive oxygen species，ROS)，可影響周圍脂肪細胞的正常結(jié)構(gòu)和功能。TNF-α和IL-6可調(diào)控脂肪細胞的線粒體功能，增強FFA釋放和脂毒性，抑制脂聯(lián)素的合成與分泌[17]。巨噬細胞可抑制脂肪前體細胞分化，影響脂肪酸在肝臟、肌肉等部位的存儲[18]。在db/db肥胖小鼠中，脂肪細胞死亡水平升高近30倍，肥胖患者也發(fā)生類似改變，提示脂肪細胞死亡是肥胖的重要病理特征[19]。對肥胖人群的脂肪組織研究發(fā)現(xiàn)，巨噬細胞以冠狀結(jié)構(gòu)環(huán)繞在死亡脂肪細胞的周圍，融合形成巨大的多核細胞，而正常體質(zhì)量者則無此現(xiàn)象發(fā)生[20]。采用氯磷酸鹽脂質(zhì)體清除巨噬細胞可擾亂小鼠脂肪組織中血管生成和脂肪細胞分化。肥胖動物內(nèi)臟脂肪組織中巨噬細胞數(shù)量多于皮下脂肪組織，釋放入血的炎癥介質(zhì)水平也更高[21-22]。此外，巨噬細胞介導的炎癥介質(zhì)和ROS可能在脂肪細胞死亡中發(fā)揮重要作用。因而，肥胖過程中巨噬細胞的浸潤與極化激活是脂肪組織重塑的重要機制。

3.3 巨噬細胞調(diào)控機體胰島素代謝胰島素是機體調(diào)控糖代謝穩(wěn)態(tài)的重要激素，胰島素抵抗是2型糖尿病發(fā)表的主要誘因。研究表明，肥胖個體發(fā)生胰島素抵抗和2型糖尿病風險顯著提高，而巨噬細胞可能在其中發(fā)揮關(guān)鍵作用[12]。正常體質(zhì)量動物脂肪組織中的M2型巨噬細胞，不僅發(fā)揮抗炎作用，還可增強機體胰島素敏感性。而肥胖動物脂肪組織內(nèi)巨噬細胞呈現(xiàn)M1型極化，可分泌大量促炎癥介質(zhì)，并通過多種通路引起胰島素抵抗。Nod樣受體蛋白3(Nod-like receptor protein3，NLRP3)炎癥小體在巨噬細胞炎癥調(diào)控中發(fā)揮關(guān)鍵作用，而敲減NLRP3可改善高脂飼喂小鼠脂肪組織的胰島素抵抗[23]。TNF-α處理小鼠脂肪細胞后，胰島素受體底物1(insulin receptor substrate 1，IRS-1)信號通路被抑制，細胞胰島素敏感性顯著降低，而敲減TNF-α可阻斷胰島素抵抗的發(fā)生[24]。MCP-1處理人骨骼肌細胞后，可抑制IRS-1及下游胰島素信號通路，進而表現(xiàn)出胰島素抵抗表型[25]。而小檗堿可阻斷小鼠脂肪組織中巨噬細胞的M1型活化，降低炎癥因子表達，并改善胰島素抵抗[26]。在高脂飲食條件下，與野生型動物相比，巨噬細胞移動抑制因子-1(macrophage migration inhibitory factor-1，MIF-1)敲除組的胰島素抵抗和肝臟炎癥水平顯著改善[27]。采用白喉毒素清除脂肪組織CD11c+巨噬細胞可有效改善肥胖小鼠胰島素敏感性和葡萄糖耐受水平，并伴隨全身炎癥水平的下調(diào)[28]。YING等[29]研究顯示，脂肪組織巨噬細胞可直接分泌一種miR-155的外泌體，可降低血糖調(diào)控關(guān)鍵分子過氧化物酶體增殖物激活受體(peroxisome proliferator-activated receptor gamma，PPARγ)表達，導致機體肝臟和脂肪組織胰島素敏感性減弱；而敲除miR-155可減輕高脂飲食誘導的胰島素抵抗程度。因此，巨噬細胞浸潤與炎癥激活可能是導致機體胰島素抵抗的關(guān)鍵誘因，以巨噬細胞為靶點干預可顯著抑制多種因素誘導的胰島素敏感性降低和2型糖尿病。但學術(shù)界對二者的因果關(guān)系尚存在爭議，瑞典科學家近期在JCI雜志上的1篇文章指出，脂肪組織胰島素抵抗可導致趨化因子MCP-1合成，進而促進巨噬細胞的局部募集和炎癥激活；抑制肥胖患者的胰島素關(guān)鍵信號西羅莫司靶蛋白復合物2(mTOR complex 2，mTORC2)可加劇巨噬細胞炎癥[30]。因此，該研究認為，肥胖過程中脂肪組織的胰島素抵抗導致了炎癥發(fā)生，而非炎癥導致了胰島素抵抗。

3.4 巨噬細胞促進肥胖相關(guān)性肝損傷肥胖是非酒精性肝損傷的重要危險因素，肥胖人群常表現(xiàn)出脂肪肝和慢性肝病，脂肪酸的大量堆積可引起肝細胞損傷和死亡。在肥胖動物模型中可觀察到脂肪和肝臟組織的炎癥水平升高，但其發(fā)生的先后順序和因果關(guān)系尚存在爭議。VAN DER HEIJDEN等[31]采用高脂飲食誘導C57小鼠肥胖，24周后脂肪組織中檢測到巨噬細胞(F4/80陽性)呈冠狀結(jié)構(gòu)聚集在脂肪細胞周圍，并伴隨TNF-α、IL-6和IL-1β等炎癥基因表達升高；直到40周才檢測到肝臟組織炎癥反應增強，表明脂肪組織炎癥發(fā)生早于肝臟組織。南京醫(yī)科大學陳琪教授團隊發(fā)現(xiàn)，巨噬細胞中存在的A類清道夫受體可能在非酒精性肝損傷等代謝相關(guān)疾病中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。BIJNEN等[32]研究表明，將肥胖小鼠內(nèi)臟脂肪組織移植到正常小鼠可顯著增加高脂飲食誘導的肝臟巨噬細胞和中性粒細胞增多，并加劇肝損傷，而清除巨噬細胞的脂肪組織移植后則未發(fā)生上述轉(zhuǎn)變。同時，脂肪組織巨噬細胞釋放的IL-6等炎癥因子，可通過血液循環(huán)到達肝組織，引起肝臟損傷。而WALKER等[33]研究發(fā)現(xiàn)，肥胖兒童肝臟纖維化和胰島素抵抗主要取決于腹部皮下脂肪組織中巨噬細胞數(shù)量和炎癥水平，而與體質(zhì)量指數(shù)無顯著相關(guān)性。上述結(jié)果證明，脂肪組織中巨噬細胞可能是肥胖誘導肝臟損傷的重要基礎(chǔ)。

4 肥胖過程中脂肪組織巨噬細胞浸潤與活化機制

巨噬細胞的募集是一個動態(tài)過程，受機體營養(yǎng)狀態(tài)和肥胖程度影響。肥胖動物脂肪細胞肥大，可分泌大量的趨化因子和炎癥因子，誘導巨噬細胞的聚集和M1型極化[34]。關(guān)于肥胖和正常人群脂肪組織分析發(fā)現(xiàn)，脂肪細胞的體積與巨噬細胞數(shù)目呈正相關(guān)，抑制脂肪細胞堆積和肥大可減輕巨噬細胞浸潤和激活[35]。同時，肥胖小鼠和人類的脂肪組織中巨噬細胞可進行有絲分裂，清除血液中單核巨噬細胞并不影響其原位增殖，而在肝臟和脾臟中則未發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象[36]。脂肪細胞的死亡與巨噬細胞募集密切相關(guān)，脂肪組織中90%的巨噬細胞都聚集在死亡的脂肪細胞周圍，形成冠狀結(jié)構(gòu)，并融合形成多核的巨大細胞，清除脂肪細胞碎片[35]。死亡脂肪細胞也可釋放小分子物質(zhì)，激活巨噬細胞表面toll樣受體(Toll-like receptors，TLRs)，進而促其M1型極化和炎癥介質(zhì)釋放[37-38]。此外，肥胖動物和人體脂肪組織表現(xiàn)出缺氧現(xiàn)象，可造成巨噬細胞內(nèi)缺氧誘導因子和糖酵解顯著升高，促進巨噬細胞的炎癥轉(zhuǎn)錄激活[39]。

5 小結(jié)

肥胖作為一種代謝性炎癥疾病，已經(jīng)呈現(xiàn)全球蔓延的流行趨勢，肥胖人口的劇增不僅嚴重損害了人類健康，也給醫(yī)療衛(wèi)生帶來承重負擔。然而，目前針對肥胖及其相關(guān)并發(fā)癥的防治仍缺乏有效手段。巨噬細胞是機體重要的固有免疫細胞，在對抗病菌感染時發(fā)揮關(guān)鍵作用，但其不當或過度激活也是多種急慢性疾病的病理基礎(chǔ)。肥胖過程中巨噬細胞數(shù)量和極化狀態(tài)顯著變化，可能是肥胖發(fā)生和發(fā)展的重要推手。營養(yǎng)過剩或運動不足情況下，脂肪酸攝入和代謝紊亂可導致脂肪細胞的增生肥大，并通過分泌炎癥趨化因子等促進巨噬細胞募集和M1型極化；而巨噬細胞釋放的炎癥介質(zhì)可反作用于脂肪細胞，促進其肥大和死亡。二者交互作用形成惡性循環(huán)，促進機體局部或全身性炎癥、脂肪組織重塑、肝臟損傷和胰島素抵抗，最終導致肥胖及相關(guān)并發(fā)癥。清除或抑制脂肪組織巨噬細胞蓄積可有效改善高脂飲食引起的動物肥胖、肝損傷和胰島素抵抗。因此，通過藥物靶向性阻斷脂肪組織巨噬細胞的募集或M1型極化，可能是肥胖防治研究的新方向。