脂肪組織巨噬細胞在肥胖誘導的炎癥和胰島素抵抗中的作用

朱翠松(綜述) 楊 瑜 劉明斌 徐建青 張曉燕(審校)

(上海市公共衛(wèi)生臨床中心 上海 201508)

脂肪組織中脂質(zhì)的過度累積導致肥胖的發(fā)生。近年來肥胖在全球范圍內(nèi)廣泛流行,成為威脅人類健康的一大危險因素。肥胖誘導的慢性炎癥與多種代謝性疾病密切相關,如動脈粥樣硬化、心血管疾病、胰島素抵抗和Ⅱ型糖尿病等[1-2]。世界衛(wèi)生組織將BMI>30的成年人群定義為肥胖,調(diào)查顯示超過190萬的成年人體重超重,超過50萬人患有臨床型肥胖病,同時每年至少有280萬人死于超重或肥胖[3]。

早期研究認為,脂肪組織的主要功能是儲存能量以維持機體能量平衡,以及保持體溫、緩沖外界對內(nèi)臟的沖撞。越來越多的證據(jù)表明脂肪組織是活躍的內(nèi)分泌器官,可分泌多種脂肪細胞因子,如瘦素、抵抗素、TNF-α、IL-6等[4-5]。同時脂肪組織經(jīng)酶消化離心后可分為位于離心管上層的成熟脂肪細胞和底部的血管基質(zhì)(stromal vascular fraction,SVF)部分,SVF包含幾乎所有免疫細胞,如巨噬細胞、T細胞、B細胞、樹突狀細胞、NK細胞等。SVF部分約2/3的細胞為免疫細胞,每克組織中含有(2～5)×107個免疫細胞,其中巨噬細胞是數(shù)量占比最大的免疫細胞。肥胖發(fā)生時往往伴隨免疫細胞的數(shù)量和狀態(tài)的變化,并且發(fā)生固有免疫和適應性免疫應答,所以脂肪組織又被認為是免疫活躍的器官[6]。

胰島素敏感的器官(如骨骼肌、脂肪、心臟)對胰島素刺激反應不靈敏的狀態(tài)稱為胰島素抵抗[7]。胰島素促進葡萄糖的攝取同時抑制肝臟、腎臟和小腸中葡萄糖的產(chǎn)生,從而降低血糖。當胰島素抵抗發(fā)生時往往伴隨高血糖,進而引發(fā)糖尿病。肥胖和年齡相關的因素是導致胰島素抵抗的主要危險因素[8]。肥胖刺激NF-κB、JNK等信號通路促進炎癥因子表達,影響胰島素信號通路進而導致胰島素抵抗[9]。

正常的脂肪組織中巨噬細胞占總細胞的比例僅10%,當肥胖時這一比例可高達到50%[10]。其中增加的主要是促炎性的M1型巨噬細胞[11],研究表明M1巨噬細胞是脂肪組織中炎癥因子的主要來源[12]。在小鼠體內(nèi)刪除M1型巨噬細胞可明顯改善肥胖誘導的胰島素抵抗[13]。因此脂肪組織中巨噬細胞可能成為治療肥胖的新靶點。

脂肪組織巨噬細胞的來源和分型巨噬細胞作為固有免疫系統(tǒng)的必要成員,其基本功能是吞噬病原體、清除凋亡和壞死的細胞等以維持組織的穩(wěn)態(tài)和正常功能。在不同的組織中分布著具有相似功能的巨噬細胞,如肝臟中的枯否細胞、大腦中的小膠質(zhì)細胞、脂肪組織中的巨噬細胞等。脂肪組織中的巨噬細胞起源于胚胎期巨噬細胞祖細胞,成年后成為脂肪組織常駐巨噬細胞,并且由骨髓來源的單核細胞補充和更新[14]。

將巨噬細胞分為M1和M2兩種亞型。M1型巨噬細胞又被稱為經(jīng)典激活的巨噬細胞,響應Th1型細胞因子表現(xiàn)為促炎的表型,同時分泌炎癥因子(如TNF-α、IL-6等)。M2型巨噬細胞又被稱為條件性激活的巨噬細胞,響應Th2型細胞因子表現(xiàn)為抗炎的表型,分泌IL-10等抗炎因子。根據(jù)巨噬細胞表面表達抗原的不同,可將巨噬細胞分成F4/80+CD11b+CD11c+細胞和F4/80+CD11b+CD206+細胞[13,15],分別對應M1型和M2型巨噬細胞,通過流式細胞技術可將兩者分離。在正常的脂肪組織中常駐的巨噬細胞以M2型為主,以維持脂肪組織的正常功能。高脂飲食1周后即可檢測到招募的M1型巨噬細胞在脂肪組織中的浸潤[12]。

脂肪組織巨噬細胞為一群具有相似表型和功能異質(zhì)性的細胞[16],極易受微環(huán)境的影響發(fā)生極化,具有多樣性和可塑性[17]。在正常和肥胖的脂肪組織中均含有M1型和M2型巨噬細胞。研究發(fā)現(xiàn)M1型巨噬細胞在IL-4的刺激下并不能極化形成M2型巨噬細胞,而M2型巨噬細胞可極化形成M1型巨噬細胞[18]。

脂肪組織中巨噬細胞的浸潤長期營養(yǎng)過剩狀態(tài)導致三酰甘油在脂肪組織中大量累積,脂肪細胞數(shù)目增多和脂肪細胞體積增大,脂肪組織不斷擴展。當脂肪組織增大到一定程度時,組織內(nèi)部血管供氧能力不足、脂肪細胞死亡、趨化因子分泌增加以及脂肪酸代謝功能失調(diào)等,促進巨噬細胞的浸潤。因此脂肪細胞被認為是觸發(fā)巨噬細胞招募的核心因素[19]。

脂肪細胞數(shù)目的增加十分有限,當細胞內(nèi)存儲的三酰甘油含量達到一定的限度時,脂肪細胞功能發(fā)生紊亂,啟動細胞凋亡。肥大的脂肪細胞分泌大量的脂肪因子和趨化因子(如MCP-1),招募周圍和血液循環(huán)中的單核細胞。巨噬細胞、T細胞等環(huán)繞凋亡壞死的脂肪細胞形成“王冠狀結(jié)構(gòu)”。有研究認為脂肪組織內(nèi)90%以上的巨噬細胞位于死亡的脂肪組織周圍[20]。

隨著脂肪細胞儲存脂質(zhì)功能的下降,脂肪組織內(nèi)游離脂肪酸的含量增加。游離脂肪酸與巨噬細胞表面TLR4受體結(jié)合,激活下游炎癥相關因子的表達[21]。同時隨著脂肪組織的擴展,脂肪細胞處于缺氧狀態(tài)時觸發(fā)脂肪細胞分泌促炎性細胞因子,如TNF-α、IL-6、MCP-1等[22]。促炎性細胞因子招募和活化M1型巨噬細胞[1]。

炎癥反應與胰島素抵抗肥胖是一種低密度炎癥狀態(tài)[23]。肥胖相關的炎癥反應起始于脂肪組織和肝臟中巨噬細胞浸潤,形成局部炎癥反應[24]。大量炎癥因子進入血液形成系統(tǒng)性炎癥。胰島素抵抗是指胰島素信號通路受損而不能有效感知胰島素信號的狀態(tài)[8]。脂肪細胞中,胰島素信號通路中IRS-1和GLUT蛋白為維持胰島素敏感性發(fā)揮重要作用。影響這兩種蛋白水平的絲氨酸和蘇氨酸激酶MAPK家族很有可能促進胰島素抵抗的發(fā)生。研究發(fā)現(xiàn)MAPK家族成員JNK1與IRS-1結(jié)合干擾胰島素底物307號位絲氨酸殘基磷酸化[25];ERK直接磷酸化PPARγ273號位絲氨酸殘基,促進糖尿病致病基因的轉(zhuǎn)錄,惡化胰島素抵抗[26];p38MARK降低GLUT4的水平,從而影響胰島素信號通路[27]。

炎癥因子通過干擾胰島素信號通路進而導致胰島素抵抗的發(fā)生[28]。TNF-α主要由巨噬細胞分泌,是第一個被發(fā)現(xiàn)與胰島素抵抗相關的促炎性細胞因子[29]。TNF-α通過JNK1干擾脂肪細胞中IRS-1磷酸化損害胰島素信號通路,從而誘發(fā)脂肪細胞的胰島素抵抗[30];同時TNF-α活化脂肪細胞中NF-κB、JNK炎癥相關信號通路,促進炎癥因子轉(zhuǎn)錄,進一步抑制胰島素敏感性[31];TNF-α抑制脂肪細胞中IRS-1和GLUT4蛋白表達,抑制胰島素的作用[32]。炎癥因子可以進一步誘導巨噬細胞分泌炎癥因子,擴大炎癥反應。炎癥因子干擾脂肪細胞中胰島素相關信號通路,從而導致脂肪細胞對胰島素的刺激反應不敏感,最終導致胰島素抵抗。

M1型巨噬細胞活化調(diào)節(jié)相關信號通路肥胖時受微環(huán)境的影響,巨噬細胞浸潤增加。在趨化因子、炎性因子和游離脂肪酸等因素的調(diào)節(jié)下,巨噬細胞內(nèi)炎性相關信號通路被激活,促使細胞向M1型巨噬細胞極化。M1巨噬細胞產(chǎn)生活性氧iNOS和高表達促炎性細胞因子(如TNF-α、IL-6等),進一步擴大炎癥反應,炎癥因子干擾脂肪細胞中胰島素相關信號通路,從而導致脂肪細胞對胰島素的刺激反應不敏感,最終導致胰島素抵抗。所以促炎性的M1型巨噬細胞在胰島素抵抗產(chǎn)生過程中發(fā)揮關鍵性作用,調(diào)節(jié)巨噬細胞向M1表型極化的信號通路與胰島素敏感性密切相關。

肥胖時脂肪細胞功能失調(diào),脂肪組織巨噬細胞暴露于飽和脂肪酸含量豐富的微環(huán)境時,或者巨噬細胞受到LPS刺激時,活化巨噬細胞內(nèi)TLR4信號通路,促進巨噬細胞分泌炎癥因子,誘導巨噬細胞向M1型巨噬細胞極化[33-35]。高脂喂養(yǎng)全身性敲除TRL4雌鼠,發(fā)現(xiàn)相比于對照組,基因敲除鼠仍保持胰島素敏感性,且脂肪組織中炎癥因子含量低于對照組[21]。TRL4為LPS的受體,下游的信號通路可激活NF-κB。

NF-κB是多亞基轉(zhuǎn)錄因子復合體,p65/p50異二聚體是其常見形式,調(diào)節(jié)巨噬細胞中炎癥基因的轉(zhuǎn)錄[36]。當受到肥胖相關炎癥因子或者LPS刺激時,巨噬細胞內(nèi)NF-κB的激活劑IKKs通過磷酸化p65誘導信號通路活化,促進炎癥因子表達,促使巨噬細胞表現(xiàn)為促炎性表型[12]。抑制NF-κB信號通路在一定程度上改善胰島素敏感性[37]。

肥胖導致脂肪組織炎癥和胰島素抵抗的過程中,JNK信號通路發(fā)揮重要作用。巨噬細胞中特異性敲除JNK1可顯著改善高脂飲食導致的胰島素抵抗和脂肪組織炎癥[25,38]。巨噬細胞激活JNK信號通路以應對炎癥刺激,JNK下游的靶點為多個轉(zhuǎn)錄因子,而這些轉(zhuǎn)錄因子調(diào)節(jié)多種編碼炎癥調(diào)節(jié)子基因的表達。p38MARK以及ERK信號通路均可以被激活以響應LPS等刺激,影響下游轉(zhuǎn)錄因子的活性,以調(diào)節(jié)炎癥相關因子的表達[33]。NF-κB和JNK信號通路是巨噬細胞內(nèi)重要的調(diào)節(jié)炎癥因子表達的信號通路,因此可能成為治療肥胖相關疾病的藥物靶點。

巨噬細胞與抗炎治療胰島素抵抗二甲雙胍仍是治療單純飲食控制及體育鍛煉治療無效的Ⅱ型糖尿病(特別是肥胖導致)的一線藥物。雖然其不良反應較小,但還是會產(chǎn)生嘔吐、乳酸中毒以及干擾維生素B12吸收等不良反應。既然巨噬細胞參與胰島素抵抗的過程,那么其很有可能是理想的治療代謝性疾病的靶點。以巨噬細胞為靶點治療胰島素抵抗的策略是通過調(diào)節(jié)巨噬細胞內(nèi)炎癥相關信號通路,抑制其向M1極化,減少巨噬細胞產(chǎn)生炎癥因子。一些小干擾RNA、小分子藥物等通過抑制巨噬細胞內(nèi)NF-κB、JNK等信號通路,抑制M1型巨噬細胞的活性,減少其在脂肪組織中的浸潤,進而提高機體對胰島素的敏感性[39-40]。但大多數(shù)研究采用的模型為小鼠,并沒有真正進入臨床試驗。目前臨床研究較多的是通過炎癥因子抑制劑來降低巨噬細胞分泌的炎癥因子水平,以達到治療胰島素抵抗的目的。

TNF-α是第一個被發(fā)現(xiàn)與胰島素抵抗相關的促炎性細胞因子,并在小鼠模型中證實TNF-α參與胰島素抵抗的過程,但是有數(shù)據(jù)表明TNF-α參與人體葡萄糖調(diào)節(jié)作用十分有限。早期研究表明短期服用TNF-α單一拮抗劑并不能調(diào)節(jié)血糖的平衡[41-42]。但是,50位患有肥胖相關代謝性疾病的患者長期服用TNF-α抑制劑依那西普6個月,可顯著改善空腹血糖,提高血液中脂聯(lián)素的含量[43]。TNF-α抑制劑改善血糖的機制仍需要進一步研究。

IL-1β通過其受體激活下游的NF-κB信號通路,促進炎癥相關因子的表達和M1型巨噬細胞的活化。臨床前試驗和人體試驗表明IL-1β參與Ⅱ型糖尿病的發(fā)生過程。在一項為期13周的人體實驗中,70位患有Ⅱ型糖尿病的患者服用IL-1β受體拮抗劑阿那白滯素,可顯著改善胰島β細胞的分泌功能和血糖水平[44]。炎癥因子的來源和去路多樣,個體免疫系統(tǒng)反應差異較大,所以單純通過控制炎癥反應來治療糖尿病還需進一步研究。

CCR2與其配體MCP-1相互作用影響單核細胞遷移至組織的過程,并且調(diào)節(jié)單核細胞向巨噬細胞分化,進而產(chǎn)生促炎性細胞因子和擴大脂肪組織炎癥[45]。多個小鼠試驗證明CCR2選擇性抑制劑或者CCR2/5抑制劑可顯著改善Ⅱ型糖尿病[46-47]。二甲雙胍聯(lián)合CCR2抑制劑治療糖尿病可從降低血糖和抑制炎癥兩個方面入手,旨在高效治療糖尿病及其并發(fā)癥。多個通過安全性評價的CCR2抑制劑已進入Ⅱ期臨床試驗。一項332位糖尿病腎病患者參與的臨床試驗表明,在標準化治療的基礎上,服用CCR2選擇性抑制劑CCX140-B能夠進一步降低尿蛋白,具有保護腎臟的作用,與安慰劑組相比,抑制劑組雖然HbA1C變化不大,但空腹血糖水平顯著降低[48]。一項進入臨床Ⅱ期的CCR2/5雙抑制劑-Cenicriviroc的試驗,旨在研究在糖尿病前期或Ⅱ型糖尿患者和疑似非酒精性脂肪肝的患者中對胰島素敏感性的影響。招募的45位患者前期均接受二甲雙胍或者磺脲類藥物治療90天以上,同時服用Cenicriviroc 150 mg 24周,檢測脂肪組織中巨噬細胞的浸潤情況以及外周血和脂肪組織中胰島素敏感性。這項試驗在2017年9月完成,但是最終的數(shù)據(jù)還沒有公布。影響巨噬細胞招募和分化的CCL2/CCR2并不是唯一通路,趨化因子調(diào)節(jié)網(wǎng)絡十分復雜,如CCR1-CCL3/4/5,CX3CR1-CX3CL1,CXCR3-CXCL10也參與了巨噬細胞分化[49],所以利用CCR2抑制劑調(diào)控巨噬細胞進而改善胰島素抵抗,需要更多臨床試驗數(shù)據(jù)的支持。

結(jié)語肥胖時脂肪組織中促炎性巨噬細胞浸潤增加,分泌大量炎癥因子,導致脂肪組織炎癥。炎癥反應抑制脂肪細胞胰島素信號通路,導致胰島素抵抗。脂肪組織巨噬細胞在由肥胖向肥胖誘導的胰島素抵抗過程中發(fā)揮重要作用,該過程涉及脂肪細胞和巨噬細胞通過旁分泌相互作用,各自細胞內(nèi)一系列胰島素相關和炎癥因子相關信號通路的調(diào)節(jié)。基于在胰島素抵抗中的重要作用,脂肪巨噬細胞成為近年來的研究熱點。巨噬細胞的活性調(diào)節(jié)過程涉及細胞、分子、基因等層面,是一個錯綜復雜的過程,其中還有很多問題仍未解決。隨著更深層次的研究,有望在巨噬細胞中找到治療肥胖的靶點。