脂質運載蛋白2聯系肥胖和心血管疾病的臨床證據和分子機制

吳光雨(綜述)，李華婷，賈偉平※(審校)

(1.蘇州大學醫(yī)學部，江蘇 蘇州215000； 2.上海交通大學附屬第六人民醫(yī)院內分泌代謝科 上海市糖尿病研究所 上海市糖尿病重點實驗室 上海市糖尿病臨床醫(yī)學中心 上海市代謝病臨床醫(yī)學中心,上海 200233)

肥胖與心血管疾病發(fā)病率和病死率的升高密切相關。對57個前瞻性研究、合計約90萬例成人的數據分析后發(fā)現，體質量指數(body mass index,BMI)為30～35 kg/m2的人群的中位生存期較BMI正常者減少2～4年；如果BMI達到40～45 kg/m2，中位生存期則減少8～10年，病死率的遞增與心血管疾病的發(fā)生直接相關[1]。聯系肥胖與心血管疾病分子機制的研究是目前代謝研究的熱點。肥胖，尤其是腹型肥胖，是一種慢性炎性狀態(tài)，腹內脂肪在此狀態(tài)的形成和發(fā)展中起關鍵作用。在肥胖人群中，脂肪組織體積增大合并炎性細胞浸潤，并分泌大量促炎脂肪因子，脂肪因子在肥胖與心血管疾病的發(fā)生、發(fā)展中起著重要的“橋梁”作用。脂質運載蛋白2(lipocain-2，LCN2)與代謝紊亂及心血管疾病高度相關[2]。

1 LCN2的來源和結構

LCN2，又名中性粒細胞明膠酶相關脂質運載蛋白(neutrophil gelatinase-associated lipocalin,NGAL)或噬鐵蛋白，主要由脂肪細胞分泌，其他還包括肝細胞、活化的淋巴細胞及多種上皮細胞，如氣道上皮、肺上皮、胃黏膜上皮細胞等[3-4]。LCN2在活體內的存在形式有3種：單體、同源二聚體及與基質金屬蛋白酶(matrix metalloproteinases,MMP)結合的異源二聚體[5]。LCN2屬于脂質運載蛋白家族，該家族能夠結合疏水性小分子和某些特定的細胞膜受體，還能與可溶性大分子組成復合物。LCN2的蛋白折疊方式與家族內其他成員相同，但它具有一個獨特的、較大的且具有極性的結合位點[6]。LCN2與脂質運載蛋白家族常見的配體，如白三烯B4、血小板活化因子的結合較弱，目前其高親和力的內源性配體還未發(fā)現[7]。研究發(fā)現，LCN2通過調節(jié)鐵代謝參與細菌感染的固有免疫[8]。此外，LCN2能夠誘導多種細胞凋亡，提示其參與了腫瘤的發(fā)生過程[9]。

2 LCN2聯系肥胖和心血管疾病的臨床證據

2.1LCN2與肥胖 成人及青春期前的肥胖患者其血清LCN2水平升高[10-11]。LCN2的血清水平與腰圍、體脂含量、收縮壓、空腹血糖、胰島素水平、空腹三酰甘油水平及炎性標志物呈正相關[12]。脂負荷后LCN2水平的急性升高也與空腹胰島素水平、穩(wěn)態(tài)模型胰島素抵抗指數及負荷后三酰甘油的水平相關。肥胖者體質量下降后，LCN2的改變與飲食中飽和脂肪酸的比例改變相關[13]。

2.2LCN2與代謝性疾病 對2519例中國人進行橫斷面研究發(fā)現，糖耐量異常和新診斷的2型糖尿病患者血清LCN2水平顯著高于糖代謝正常的人群[14]。用穩(wěn)態(tài)模型胰島素抵抗指數和穩(wěn)態(tài)模型胰島β細胞功能評價，2型糖尿病患者循環(huán)LCN2水平與胰島素抵抗呈正相關，與β細胞功能呈負相關[14-15]。2型糖尿病患者體內LCN2的水平還與空腹三酰甘油和脂多糖結合蛋白水平呈正相關[13]。糖尿病患者經羅格列酮治療后，血清LCN2的下降水平與胰島素敏感性改善及高敏C反應蛋白水平下降顯著相關[12]。

2.3LCN2與心血管疾病 在冠狀動脈粥樣硬化性心臟病患者中，血清LCN2水平的升高與動脈粥樣硬化獨立相關。LCN2與腹內脂肪面積、收縮壓及胰島素抵抗呈正相關，與高密度脂蛋白膽固醇的水平呈負相關[16]。更為重要的是，LCN2水平與冠狀動脈粥樣硬化性心臟病的嚴重程度相關，隨病變血管數量的增加而上升[10]。采用頸動脈、股動脈及髂動脈血管超聲測得的動脈內膜中層厚度診斷的亞臨床動脈粥樣硬化患者，其血清LCN2水平較正常人群升高，且與頸動脈及股動脈內膜中層厚度呈正相關[17]。在壞死區(qū)域及梗死組織周圍，LCN2局部水平也升高，在高分辨率核磁成像中可以作為新型的高危斑塊的成像目標[18]。此外，一項前瞻性試驗表明，在老年慢性心力衰竭患者中，基線LCN2水平升高的患者2年后的病死率顯著高于其他患者[19]。

3 LCN2聯系肥胖和心血管疾病的分子機制

3.1LCN2與炎性反應 LCN2在炎性反應和炎癥狀態(tài)中升高。巨噬細胞培養(yǎng)液可激活肝細胞的炎性通路，并誘導LCN2水平升高17倍[20]。一系列的促炎因子能夠促進LCN2分泌，如脂多糖、白細胞介素(interleukin，IL)-1β、IL-17和腫瘤壞死因子α(tumor necrosis factor α，TNF-α)[21-23]。在原代腎成纖維細胞中，脂多糖初期通過激活蛋白1 (activator protein 1，AP-1)途徑誘導LCN2表達，后期通過CCAAT增強子結合蛋白δ(CCAAT/enhancer binding protein δ,C/EBPδ)途徑誘導LCN2發(fā)生較為持久的表達，兩種途徑都依賴于IL-1受體相關激酶1[24]。IL-1β通過依賴核因子κB(nuclear factor κB，NF-κB)途徑誘導LCN2 mRNA的表達。同樣，在人類及大鼠的血管平滑肌細胞中，LCN2 mRNA及蛋白表達水平的上升也依賴于NF-κB途徑[23]。

一項體外試驗結果提示，LCN2具有抗炎作用。LCN2能對抗TNF-α對脂肪細胞和巨噬細胞的作用，降低脂多糖刺激下巨噬細胞中炎性因子的表達[3]。同時，LCN2在脂肪細胞中，通過上調過氧化物酶體增生物激活受體γ(peroxisome proliferator-activated receptor，PPAR-γ)和其目標基因的水平，增加脂聯素和瘦素分泌，增加脂肪酸合成和脂蛋白脂酶的表達及合成[3]。在其隨后的體內實驗中，LCN2剔除小鼠脂肪組織中的單核細胞趨化蛋白1(monocyte chemoattractant protein1，MCP-1)和TNF-α表達上調[26]。但另外的一些動物實驗的結果與此相反[27]：LCN2基因剔除小鼠的脂肪組織中炎性標志物和脂質過氧化產物顯著降低。年齡增加或給予高脂飲食后，小鼠脂肪組織中12-脂氧合酶表達增加，而在LCN2剔除的小鼠中，12-脂氧合酶的表達降低，且TNF-α生成減少。還有研究結果表明，雌性LCN2剔除的小鼠的脂肪組織中IL-6的表達降低[28]。心臟移植術再灌注后浸潤的粒細胞的數量在LCN2剔除小鼠中也降低，提示LCN2可能對炎性反應有始動作用[29]。

3.2LCN2與胰島素抵抗 細胞及動物實驗結果證明，LCN2在胰島素抵抗的發(fā)生中起重要作用。在3T3-L1脂肪細胞系中，通過RNA干擾降低LCN2的表達水平可增強胰島素刺激下葡萄糖的攝取，而給予外源性重組LCN2干預能增加肝細胞葡萄糖的產生[22]。這些現象表明，LCN2在胰島素抵抗和高血糖的形成中可能起始動作用。在肥胖動物模型中，循環(huán)中LCN2的水平升高，且肝組織中LCN2 mRNA的表達增加[22]。衰老、高脂誘導肥胖及基因缺陷致肥胖等情況下，LCN2剔除小鼠的空腹血糖及循環(huán)中胰島素水平較野生型小鼠顯著降低，而胰島素敏感性升高。LCN2剔除對胰島素敏感性的保護作用與其對脂肪組織中12-脂氧合酶及TNF-α的調節(jié)有關[27]。但是，在另外兩項給予高脂飲食的動物實驗中，LCN2剔除小鼠有不同的糖代謝表型。其中一項研究發(fā)現，剔除LCN2后，給予高脂飲食的雄性小鼠的糖耐量改善，但無論是雌性還是雄性LCN2剔除小鼠的胰島素敏感性均未上升[28]；另一項研究則發(fā)現，LCN2剔除加劇了高脂飲食所致的有害作用如血脂異常、脂肪肝、胰島素抵抗及線粒體氧化能力降低[26]。研究者認為研究結果不同可能與以下2點有關：首先，不同實驗LCN2剔除外顯子的切除范圍不同，這可能是導致表型不同的主要原因；其次，不同實驗給予的高脂飲食的組分及飼養(yǎng)環(huán)境的溫度和潔凈程度不同，引起循環(huán)中脂多糖水平的差異，這可能也是矛盾結果的原因之一[28]。

總之，雖然LCN2與胰島素抵抗有著直接聯系，但是具體作用機制仍有待于進一步研究?，F有的研究表明，翻譯后修飾可能參與了LCN2的分泌調節(jié)及其在代謝應激中的作用。

3.3LCN2與脂代謝 LCN2是PPAR-γ激活的選擇性調節(jié)劑。羅格列酮能夠改善野生型和LCN2剔除小鼠胰島素的敏感性，經25 d羅格列酮治療后，LCN2剔除小鼠空腹血糖、空腹非酯化脂肪酸、空腹三酰甘油均降低，但羅格列酮引起的脂肪沉積及對脂肪酸穩(wěn)態(tài)的調節(jié)作用如增加體質量、促進皮下脂肪組織和肝臟脂肪積聚以及脂肪合成等在LCN2剔除后均顯著下降，其機制與LCN2剔除降低了羅格列酮對脂肪合成的促進作用、升高其誘導棕色脂肪組織內非酯化脂肪酸的攝取及氧化有關[30]。此研究結果表明，LCN2參與了肥胖發(fā)生過程中能量的消耗及脂代謝穩(wěn)態(tài)的調節(jié)。

3.4局部LCN2與粥樣斑塊形成 載脂蛋白E剔除和低密度脂蛋白受體剔除小鼠會自發(fā)性產生動脈粥樣硬化，在此過程中，動脈粥樣斑塊中LCN2的表達顯著升高[31]。在大鼠頸動脈損傷模型中，血管成形術后大鼠頸動脈內膜通過激活NF-κB 途徑高表達LCN2[23]。LCN2在心肌細胞中表達的升高與固有免疫系統(tǒng)的激活如Toll樣受體2和4、IL-1β、X線和H2O2等的刺激有關[32-33]。IL-1β還能夠刺激血管平滑肌細胞分泌LCN2[23]。

局部LCN2水平的升高參與了動脈粥樣硬化的發(fā)展。LCN2與基質金屬蛋白酶9(matrix metalloproteinases-9,MMP-9)共存于大鼠動脈粥樣硬化斑塊和損傷的血管內膜中[23]。人類頸動脈內膜剝離術標本的免疫組織化學證明，巨噬細胞與升高的LCN2和MMP-9共存[31]。在動脈粥樣硬化斑塊中，尤其是有內出血和中心性壞死的斑塊中，中性粒細胞中LCN2和MMP-9的表達上調[18]。MMP-9是一種參與降解細胞外基質的酶，其對細胞外基質的降解作用存在于多種生理過程中，如胚胎發(fā)育、生殖生理及組織重構。同時，MMP-9也被認為是慢性炎癥及動脈粥樣硬化的關鍵酶[34]。在人類動脈粥樣硬化斑塊中，LCN2及LCN2/MMP-9復合物水平的升高與一系列改變相平行，包括IL-6、IL-8的升高，脂質成分的增多，巨噬細胞數量的上升及平滑肌細胞數量的下降等[18]。酶譜法還證明，斑塊中富含LCN2和MMP-9的區(qū)域表現出高蛋白水解活性[31]。LCN2可與MMP-9結合，形成穩(wěn)定的異二聚體，從而抑制了MMP-9的失活，導致MMP-9水解活性及所致膠原蛋白降解增強[35]。LCN2和MMP-9復合物調節(jié)細胞外基質重組，可能還介導了心肌纖維化和血管的損傷過程[23,36]。

3.5LCN2與內皮功能紊亂 野生小鼠在給予高脂飲食后收縮壓升高，而LCN2剔除小鼠無此改變，其機制與LCN2剔除后改善了內皮功能紊亂有關，表現為給予LCN2剔除小鼠高脂飲食后，胰島素刺激的內皮依賴性舒張增加及乙酰膽堿所致內皮依賴性收縮減少。向小鼠體內注入外源性LCN2后可導致動脈血管中內皮型一氧化氮合酶解偶聯、環(huán)加氧酶表達升高，改善作用被中和。LCN2引起的內皮功能紊亂可能與調節(jié)細胞色素C450 2C9的活性有關[37]。最近的一項研究發(fā)現，LCN2可表達于腦血管的內皮細胞，脂多糖刺激后部分與環(huán)加氧酶2共表達，雌性LCN2敲除小鼠環(huán)加氧酶2 mRNA的表達下降[25]。

3.6LCN2與心肌損傷 研究發(fā)現，LCN2通過升高細胞內鐵含量、增加促凋亡蛋白Bax的移位，直接誘導大鼠心肌細胞凋亡[32]。向小鼠注射重組LCN2 14 d后，心肌細胞凋亡增多，并引起急性炎性反應，進一步導致代償性心臟功能參數改變[38]。在梗死后心力衰竭的大鼠心肌細胞中，LCN2的表達水平同樣上升，且非缺血區(qū)域心肌的LCN2表達隨著梗死后時間的增加而上升，提示LCN2參與慢性心力衰竭的發(fā)展過程。心肌細胞中，鹽皮質激素受體過表達能夠強烈誘導小鼠心肌中LCN2基因的表達，向小鼠體內注射醛固酮也可使LCN2的表達升高，提示LCN2可能成為鹽皮質激素依賴性心血管系統(tǒng)損傷的標志物[39]。

4 小 結

流行病學研究提示，肥胖、代謝綜合征及心血管疾病密切相關[1]。LCN2在肥胖及代謝性疾病中的表達升高，與冠狀動脈硬化性心臟病、動脈粥樣硬化的嚴重程度、心力衰竭患者的病死率相關，提示其作為代謝相關性心血管疾病診斷與預后標志物的可能，但還需大規(guī)模的前瞻性研究證實。細胞和動物實驗提示，LCN2可能通過參與炎性反應、糖脂代謝及作用于心肌及血管內皮等多種途徑影響心血管功能，其可能是聯系肥胖與心血管疾病發(fā)病的重要組成部分?，F有的研究對LCN2在炎性反應和胰島素抵抗中所起的作用部分有矛盾之處，且LCN2與其他脂肪因子及炎性因子的相互作用還不甚清晰，這些都有待于進一步的研究。

[1] Whitlock G,Lewington S,Sherliker P,etal.Body-mass index and cause-specific mortality in 900 000 adults:collaborative analyses of 57 prospective studies[J].Lancet,2009,373(9669):1083-1096.

[2] Tso AW,Xu A,Chow WS,etal.Adipose tissue and the metabolic syndrome:focusing on adiponectin and several novel adipokines[J].Biomark Med,2008,2(3):239-252.

[3] Zhang J,Wu Y,Zhang Y,etal.The role of lipocalin 2 in the regulation of inflammation in adipocytes and macrophages[J].Mol Endocrinol,2008,22(6):1416-1426.

[4] Giasson J,Li GH,Chen Y.Neutrophil gelatinase-associated lipocalin (NGAL) as a new biomarker for non--acute kidney injury (AKI) diseases[J].Inflamm Allergy Drug Targets,2011,10(4):272-282.

[5] Kjeldsen L,Johnsen AH,Sengel?v H,etal.Isolation and primary structure of NGAL,a novel protein associated with human neutrophil gelatinase[J].J Biol Chem,1993,268(14):10425-10432.

[6] Goetz DH,Willie ST,Armen RS,etal.Ligand preference inferred from the structure of neutrophil gelatinase associated lipocalin[J].Biochemistry,2000,39(8):1935-1941.

[7] Bratt T,Ohlson S,Borregaard N.Interactions between neutrophil gelatinase-associated lipocalin and natural lipophilic ligands[J].Biochim Biophys Acta,1999,1472(1/2):262-269.

[8] Flo TH,Smith KD,Sato S,etal.Lipocalin 2 mediates an innate immune response to bacterial infection by sequestrating iron[J].Nature,2004,432(7019):917-921.

[9] Li C,Chan YR.Lipocalin 2 regulation and its complex role in inflammation and cancer[J].Cytokine,2011,56(2):435-441.

[10] Lee YH,Lee SH,Jung ES,etal.Visceral adiposity and the severity of coronary artery disease in middle-aged subjects with normal waist circumference and its relation with lipocalin-2 and MCP-1[J].Atherosclerosis,2010,213(2):592-597.

[11] Corripio R,Gónzalez-Clemente JM,Pérez-Sánchez J,etal.Weight loss in prepubertal obese children is associated with a decrease in adipocyte fatty-acid-binding protein without changes in lipocalin-2:a 2-year longitudinal study[J].Eur J Endocrinol,2010,163(6):887-893.

[12] Wang Y,Lam KS,Kraegen EW,etal.Lipocalin-2 is an inflammatory marker closely associated with obesity,insulin resistance,and hyperglycemia in humans[J].Clin Chem,2007,53(1):34-41.

[14] Huang Y,Yang Z,Ye Z,etal.Lipocalin-2,glucose metabolism and chronic low-grade systemic inflammation in Chinese people[J].Cardiovasc Diabetol,2012,11:11.

[15] El-Mesallamy HO,Hamdy NM,Sallam AA.Effect of obesity and glycemic control on serum lipocalins and insulin-like growth factor axis in type 2 diabetic patients[J].Acta Diabetol,2012,50(5):679-685.

[16] Choi KM,Lee JS,Kim EJ,etal.Implication of lipocalin-2 and visfatin levels in patients with coronary heart disease[J].Eur J Endocrinol,2008,158(2):203-207.

[17] Xiao Y,Xu A,Hui X,etal.Circulating lipocalin-2 and retinol-binding protein 4 are associated with intima-media thickness and subclinical atherosclerosis in patients with type 2 diabetes[J].PLoS One,2013,8(6):e66607.

[18] te Boekhorst BC,Bovens SM,Hellings WE,etal.Molecular MRI of murine atherosclerotic plaque targeting NGAL:a protein associated with unstable human plaque characteristics[J].Cardiovasc Res,2011,89(3):680-688.

[19] Bolignano D,Basile G,Parisi P,etal.Increased plasma neutrophil gelatinase-associated lipocalin levels predict mortality in elderly patients with chronic heart failure[J].Rejuvenation Res,2009,12(1):7-14.

[20] Melino M,Gadd VL,Walker GV,etal.Macrophage secretory products induce an inflammatory phenotype in hepatocytes[J].World J Gastroenterol,2012,18(15):1732-1744.

[21] Pawluczyk IZ,Furness PN,Harris KP.Macrophage-induced rat mesangial cell expression of the 24p3-like protein alpha-2-microglobulin-related protein[J].Biochim Biophys Acta,2003,1645(2):218-227.

[22] Yan QW,Yang Q,Mody N,etal.The adipokine lipocalin 2 is regulated by obesity and promotes insulin resistance[J].Diabetes,2007,56(10):2533-2540.

[23] Bu DX,Hemdahl AL,Gabrielsen A,etal.Induction of neutrophil gelatinase-associated lipocalin in vascular injury via activation of nuclear factor-kappaB[J].Am J Pathol,2006,169(6):2245-2253.

[24] Glaros T,Fu Y,Xing J,etal.Molecular mechanism underlying persistent induction of LCN2 by lipopolysaccharide in kidney fibroblasts[J].PLoS One,2012,7(4):e34633.

[25] Hamzic N,Blomqvist A,Nilsberth C.Immune-induced expression of lipocalin-2 in brain endothelial cells:relationship with interleukin-6,cyclooxygenase-2 and the febrile response[J].J Neuroendocrinol,2013,25(3):271-280.

[26] Guo H,Jin D,Zhang Y,etal.Lipocalin-2 deficiency impairs thermogenesis and potentiates diet-induced insulin resistance in mice[J].Diabetes,2010,59(6):1376-1385.

[27] Law IK,Xu A,Lam KS,etal.Lipocalin-2 deficiency attenuates insulin resistance associated with aging and obesity[J].Diabetes,2010,59(4):872-882.

[28] Jun LS,Siddall CP,Rosen ED.A minor role for lipocalin 2 in high-fat diet-induced glucose intolerance[J].Am J Physiol Endocrinol Metab,2011,301(5):E825-E835.

[29] Aigner F,Maier HT,Schwelberger HG,etal.Lipocalin-2 regulates the inflammatory response during ischemia and reperfusion of the transplanted heart[J].Am J Transplant,2007,7(4):779-788.

[30] Jin D,Guo H,Bu SY,etal.Lipocalin 2 is a selective modulator of peroxisome proliferator-activated receptor-gamma activation and function in lipid homeostasis and energy expenditure[J].FASEB J,2011,25(2):754-764.

[31] Hemdahl AL,Gabrielsen A,Zhu C,etal.Expression of neutrophil gelatinase-associated lipocalin in atherosclerosis and myocardial infarction[J].Arterioscler Thromb Vasc Biol,2006,26(1):136-142.

[32] Yndestad A,Landro L,Ueland T,etal.Increased systemic and myocardial expression of neutrophil gelatinase-associated lipocalin in clinical and experimental heart failure[J].Eur Heart J,2009,30(10):1229-1236.

[33] Roudkenar MH,Kuwahara Y,Baba T,etal.Oxidative stress induced lipocalin 2 gene expression:addressing its expression under the harmful conditions[J].J Radiat Res,2007,48(1):39-44.

[34] Van den Steen PE,Dubois B,Nelissen I,etal.Biochemistry and molecular biology of gelatinase B or matrix metalloproteinase-9 (MMP-9)[J].Crit Rev Biochem Mol Biol,2002,37(6):375-536.

[35] Yan L,Borregaard N,Kjeldsen L,etal.The high molecular weight urinary matrix metalloproteinase (MMP) activity is a complex of gelatinase B/MMP-9 and neutrophil gelatinase-associated lipocalin (NGAL).Modulation of MMP-9 activity by NGAL[J].J Biol Chem,2001,276(40):37258-37265.

[36] Hutchinson KR,Stewart JA Jr,Lucchesi PA.Extracellular matrix remodeling during the progression of volume overload-induced heart failure[J].J Mol Cell Cardiol,2010,48(3):564-569.

[37] Liu JT,Song E,Xu A,etal.Lipocalin-2 deficiency prevents endothelial dysfunction associated with dietary obesity:role of cytochrome P450 2C inhibition[J].Br J Pharmacol,2012,165(2):520-531.

[38] Xu G,Ahn J,Chang S,etal.Lipocalin-2 induces cardiomyocyte apoptosis by increasing intracellular iron accumulation[J].J Biol Chem,2012,287(7):4808-4817.

[39] Latouche C,El Moghrabi S,Messaoudi S,etal.Neutrophil gelatinase-associated lipocalin is a novel mineralocorticoid target in the cardiovascular system[J].Hypertension,2012,59(5):966-972.