減重手術(shù)后神經(jīng)酰胺減少對(duì)脂肪重構(gòu)的影響

湯海波，朱利勇，朱曬紅

(中南大學(xué)湘雅三醫(yī)院胃腸二科 疝和減重代謝外科，湖南 長(zhǎng)沙 410000)

脂肪組織中含有脂肪細(xì)胞、前脂肪細(xì)胞、成纖維細(xì)胞、血管內(nèi)皮細(xì)胞和包括巨噬細(xì)胞在內(nèi)的多種免疫細(xì)胞。脂肪組織對(duì)營(yíng)養(yǎng)過(guò)?；蛉狈Φ雀淖冏龀隹焖佟?dòng)態(tài)的反應(yīng)[1]，包括脂肪細(xì)胞的數(shù)量和(或)大小的動(dòng)態(tài)變化，同時(shí)各種間質(zhì)血管細(xì)胞發(fā)生數(shù)量和(或)功能的變化，有助于維持脂肪組織作為能量?jī)?chǔ)存和內(nèi)分泌器官的功能，這一生理過(guò)程被稱為脂肪組織重構(gòu)。脂肪組織重構(gòu)是個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，包含脂肪細(xì)胞的分化、增殖、衰老和死亡，并伴隨著其分泌成分的改變和細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix，ECM)的生成與降解等。與此同時(shí)，脂肪組織血管生成減少，免疫細(xì)胞如巨噬細(xì)胞的浸潤(rùn)[2]進(jìn)一步導(dǎo)致全身低度慢性炎癥和代謝紊亂，如胰島素抵抗等。然而，在肥胖等病理生理?xiàng)l件的刺激下，脂肪組織分泌的細(xì)胞因子、激素和代謝產(chǎn)物的失調(diào)，打破了機(jī)體能量平衡穩(wěn)態(tài)[3]。其中神經(jīng)酰胺的代謝參與了如脂肪細(xì)胞凋亡和焦亡、分化和增殖、脂肪組織的慢性炎癥和胰島素抵抗，以及脂肪組織“褐變”等過(guò)程，在肥胖和胰島素抵抗發(fā)生發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮了重要作用。

一、神經(jīng)酰胺的代謝與生理功能

神經(jīng)酰胺的代謝(圖1)主要包含了3種途徑：①通過(guò)鞘磷脂酶水解細(xì)胞膜鞘磷脂而生成；②通過(guò)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)從頭合成即由絲氨酸棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶介導(dǎo)的棕櫚酰輔酶A和絲氨酸轉(zhuǎn)化為3-酮基二氫鞘氨醇，然后進(jìn)行一系列反應(yīng)，最終產(chǎn)生神經(jīng)酰胺；③補(bǔ)救合成途徑：復(fù)雜的鞘磷脂也可以通過(guò)存在于酸性溶酶體中的各種酶降解生成神經(jīng)酰胺。

神經(jīng)酰胺由鞘氨醇和脂肪酸組成，根據(jù)其?；滈L(zhǎng)度從C14∶0到C30∶0不等分為不同種類，由6種神經(jīng)酰胺合成酶(CerS1～6)合成[4]。神經(jīng)酰胺在不同組織的表達(dá)量及其種類均有所差別，其中和肥胖相關(guān)的特定CerSs及其對(duì)應(yīng)的?；滈L(zhǎng)度的改變很可能與代謝疾病密切相關(guān)。肥胖人群脂肪組織中CerS6 mRNA和C16∶0神經(jīng)酰胺表達(dá)升高，且CerS6表達(dá)升高與胰島素抵抗相關(guān)。相反，CerS6敲除(CerS6Δ/Δ)小鼠可以抵抗高脂飲食誘導(dǎo)的肥胖和糖耐量異常。此外，棕色脂肪組織中特異性敲除CerS6(CerS6ΔBAT)增加其對(duì)脂質(zhì)的利用率[5](圖2)。C16∶0神經(jīng)酰胺可以直接或間接抑制脂肪酸氧化，電子傳遞鏈功能障礙產(chǎn)生活性氧，抑制肉毒堿棕櫚?；D(zhuǎn)移酶1(CPT1)活性，阻止脂肪酸進(jìn)入線粒體氧化[6](圖3)。

注：ER.內(nèi)質(zhì)網(wǎng)； SPT.絲氨酸棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶；CerS.神經(jīng)酰胺合成酶；SMase.鞘磷脂酶；SMS.鞘磷脂合成酶；CDase.神經(jīng)酰胺酶；SphK.鞘氨醇激酶；SPPase.磷酸鞘氨醇磷酸酶圖1 神經(jīng)酰胺的代謝

二、神經(jīng)酰胺介導(dǎo)脂肪細(xì)胞凋亡

已有多項(xiàng)研究表明神經(jīng)酰胺能夠激活誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡的信號(hào)傳導(dǎo)[7-9]。由神經(jīng)酰胺介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡機(jī)制可能和抗細(xì)胞凋亡蛋白B細(xì)胞淋巴瘤2(Bcl-2)的表達(dá)水平有關(guān)，Bcl-2定位于線粒體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜和核膜等細(xì)胞內(nèi)氧自由基生成位點(diǎn)，被認(rèn)為具有抗氧化和清除自由基的作用，由其編碼的膜蛋白已證實(shí)在不同的試驗(yàn)條件下抑制細(xì)胞凋亡[10]。一項(xiàng)由Ortega等[11]進(jìn)行的研究針對(duì)16例病態(tài)肥胖女性在接受腹腔鏡下Roux-en-Y胃旁路手術(shù)前和術(shù)后2年，分別檢測(cè)腹部皮下脂肪組織中全基因組mRNA的表達(dá)，其中術(shù)后Bcl-2相關(guān)蛋白A1(BCL2A1)的表達(dá)量不足術(shù)前的一半(P<0.001)。除此之外，脂肪細(xì)胞的凋亡可能與神經(jīng)酰胺激活了轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子激酶1(TAK1)的表達(dá)有關(guān)，選擇性敲除TAK1的脂肪細(xì)胞中檢測(cè)到細(xì)胞凋亡蛋白酶3(caspase 3)的含量明顯升高。TAK1敲除的小鼠脂肪細(xì)胞數(shù)量減少，對(duì)高脂飲食或瘦素缺乏引起的肥胖具有抵抗力[12]，這是由于TAK1作為核轉(zhuǎn)錄因子κB(NF-κB)的重要調(diào)節(jié)劑因而可以決定細(xì)胞的存亡[13]。最新的一項(xiàng)研究表明，TAK1也可以介導(dǎo)受體相互作用蛋白激酶(RIPK1)磷酸化進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞的程序性死亡，這一過(guò)程并不依賴于caspase和NF-κB途徑[14]。綜上，減重術(shù)后病人體內(nèi)神經(jīng)酰胺的水平下降，一方面通過(guò)降低Bcl-2的表達(dá)減弱了機(jī)體抗凋亡的水平，另一方面通過(guò)減少TAK1的激活而促進(jìn)脂肪細(xì)胞的凋亡。當(dāng)然，神經(jīng)酰胺和脂肪細(xì)胞凋亡的關(guān)系可能并不僅僅依賴于此兩種方式。

三、神經(jīng)酰胺介導(dǎo)脂肪細(xì)胞焦亡

細(xì)胞焦亡，也稱為細(xì)胞炎性壞死，和細(xì)胞凋亡同屬于程序性細(xì)胞壞死，但細(xì)胞焦亡往往發(fā)生的速度更快，細(xì)胞凋亡蛋白酶通過(guò)切割一種叫做gasermin D(GSDMD)蛋白形成含有GSDMD氮端活性域的肽段，而后者會(huì)使細(xì)胞膜出現(xiàn)孔隙直至最后細(xì)胞膜破裂，同時(shí)會(huì)伴隨著大量的以白細(xì)胞介素1β(IL-1β)為代表的炎性物質(zhì)的釋放，從而誘發(fā)炎性級(jí)聯(lián)放大反應(yīng)[15-16]。

注：DIO.飲食誘導(dǎo)的肥胖小鼠；CerS6.神經(jīng)酰胺合酶6；BAT.棕色脂肪組織；Cer.神經(jīng)酰胺；PI3K.磷脂酰肌醇3激酶；AKT.蛋白激酶B；ETC.電子傳遞鏈；ROS.活性氧；CPT1.肉毒堿棕櫚?；D(zhuǎn)移酶1圖2 C16∶0神經(jīng)酰胺和肥胖 圖3 C16∶0神經(jīng)酰胺和脂肪酸氧化

眾所周知，肥胖病人的脂肪組織存在程度不一的低級(jí)別慢性炎癥，這源于其超過(guò)體重50%的脂肪含量以及超過(guò)100萬(wàn)個(gè)/g的免疫細(xì)胞，肥大的脂肪細(xì)胞同時(shí)增加了促炎脂肪因子的產(chǎn)生[17]，這一過(guò)程和脂肪細(xì)胞的焦亡水平升高密切相關(guān)。Liu等[18]對(duì)小鼠脂肪細(xì)胞的研究發(fā)現(xiàn)，褪黑激素通過(guò)轉(zhuǎn)錄抑制GSDMD的表達(dá)，能緩解因脂多糖或肥胖誘導(dǎo)的NOD樣受體蛋白3(NOD-like receptor protein 3，NLRP3)炎性小體激活，通過(guò)抑制NF-κB/GSDMD通路抑制小鼠脂肪細(xì)胞的焦亡。越來(lái)越多的證據(jù)表明神經(jīng)酰胺在NLRP3炎性小體組裝中發(fā)揮著重要作用，同時(shí)由于細(xì)胞焦亡釋放的促炎細(xì)胞因子IL-1β又會(huì)反過(guò)來(lái)加強(qiáng)神經(jīng)酰胺的作用[19]，這一類似于“正反饋調(diào)節(jié)”的方式促進(jìn)了脂肪組織的慢性炎癥反應(yīng)。多項(xiàng)研究表明減重手術(shù)降低了病人術(shù)后的血清、尿液中的神經(jīng)酰胺水平并在術(shù)后相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi)保持較低水平[20-23]，這樣一來(lái)，減重手術(shù)達(dá)到了和褪黑激素減少脂肪細(xì)胞焦亡類似的效果，在一定程度上緩解了脂肪組織的慢性炎癥。

四、脂肪組織炎癥和胰島素抵抗

肥胖病人的脂肪組織慢性炎癥除了與脂肪細(xì)胞焦亡釋放促炎因子有關(guān)以外，還可能與脂肪組織中腫瘤壞死因子α(TNF-α)的變化有關(guān)[17]，Jürets等[24]的研究包含31例病態(tài)肥胖的病人，分別檢測(cè)其術(shù)前和術(shù)后1年的皮下脂肪基因表達(dá)情況，結(jié)果顯示術(shù)后皮下脂肪中TNF-α相關(guān)基因的表達(dá)量高出術(shù)前2.9倍(P<0.001)，而TNF-α在TAK1促炎癥通路的上游發(fā)揮重要作用[14]，術(shù)后神經(jīng)酰胺的變化是否和TNF-α有關(guān)，目前仍無(wú)定論。

基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)一般認(rèn)為由結(jié)締組織分泌并在細(xì)胞基質(zhì)中發(fā)揮其作用，現(xiàn)在認(rèn)為脂肪組織也會(huì)分泌這種蛋白酶，包括MMP-9和MMP-2[25-26]。ECM的重構(gòu)是肥胖病理生理學(xué)的重要組成部分[26]， MMP-9和MMP-2通過(guò)降解脂肪細(xì)胞間的基質(zhì)蛋白，為脂肪細(xì)胞的肥大提供了有利條件。使用GEO數(shù)據(jù)庫(kù)[27]在線分析來(lái)自于Arner等和Pelloux等關(guān)于減重手術(shù)前后皮下脂肪組織基因表達(dá)的研究，其公開(kāi)的數(shù)據(jù)顯示，接受了減重手術(shù)的病人其皮下脂肪組織的MMP-9相關(guān)基因表達(dá)量分別下調(diào)了5.58倍(P<0.001)和5.14倍(P<0.001)。Catalan等[28]的研究發(fā)現(xiàn)脂肪組織表達(dá)的MMP-9和無(wú)翅型MMTV整合位點(diǎn)家族成員5a(wingless MMTV integration family members 5a，WNT5A)呈正相關(guān)，和分泌型卷曲相關(guān)蛋白5(secreted frizzled-related protein 5，SFRP5)呈負(fù)相關(guān)。WNT5A通過(guò)非經(jīng)典的WNT信號(hào)促進(jìn)脂肪組織的炎癥反應(yīng)發(fā)生，同時(shí)也會(huì)介導(dǎo)中性粒細(xì)胞和巨噬細(xì)胞(M1占據(jù)優(yōu)勢(shì))向脂肪組織的聚集[29-30](圖4)。而在脂肪組織中過(guò)表達(dá)SFRP5，可以觀察到循環(huán)中脂聯(lián)素的濃度升高[28]。SFRP5作為關(guān)鍵的抗炎信號(hào)分子參與調(diào)控脂肪組織的慢性炎癥，因其可以結(jié)合并拮抗WNT5A的作用從而抑制其下游非經(jīng)典的促炎通路[30]。

WNT5A和SFRP5之間的平衡不僅可以調(diào)控脂肪組織炎癥的發(fā)生發(fā)展，而且在胰島素抵抗方面扮演重要角色[31-32]。神經(jīng)酰胺通過(guò)介導(dǎo)脂肪細(xì)胞焦亡釋放促炎細(xì)胞因子IL-1β，而MMP-9和IL-1β存在共表達(dá)關(guān)系[33]，也就是說(shuō)，神經(jīng)酰胺可能通過(guò)此途徑間接影響了WNT5A和SFRP5之間的平衡，除此之外，神經(jīng)酰胺作為脂肪細(xì)胞重要的代謝中間產(chǎn)物，和胰島素抵抗的關(guān)系同樣值得探究。早在1998年的一項(xiàng)研究表明，C2-神經(jīng)酰胺(一種人工合成的水溶性神經(jīng)酰胺)可以激活絲/蘇氨酸蛋白激酶(AKT)[34-35]，而后者是胰島素受體信號(hào)傳導(dǎo)途徑的關(guān)鍵蛋白激酶。就目前而言，在神經(jīng)酰胺誘導(dǎo)的胰島素抵抗機(jī)制方面，關(guān)于骨骼肌和肝臟的研究證據(jù)比較充足[36]，而對(duì)于脂肪組織胰島素抵抗的相關(guān)研究也正在加速進(jìn)行。Bachnio-Zabielska等[37]報(bào)道了肥胖合并糖尿病病人的脂肪組織神經(jīng)酰胺的含量與胰島素抵抗指數(shù)(HOMA-IR)的相關(guān)性，與肥胖非糖尿病病人相比，肥胖合并糖尿病的病人脂肪組織神經(jīng)酰胺的含量明顯升高[38]。見(jiàn)圖5。

五、脂肪組織“褐變”

脂肪組織一般有三種類型：白色、棕色和米色脂肪[40]。這三種類型的脂肪組織都與身體的其他器官包括皮膚、肝臟、胰腺、骨骼肌和大腦等廣泛“交流”以維持能量平衡[41]。眾所周知，白色脂肪負(fù)責(zé)存儲(chǔ)脂類，棕色脂肪通過(guò)燃燒脂類、葡萄糖等釋放能量。米色脂肪正是由白色脂肪在特定條件下轉(zhuǎn)化生成，其細(xì)胞呈多房性外觀(含有多個(gè)脂滴)，并增加解耦蛋白1(uncoupling protein 1，UCP1)的表達(dá)[40]。在此過(guò)程中，這些通常儲(chǔ)存能量的脂肪細(xì)胞變成了釋放能量的脂肪細(xì)胞。Chaurasia等[38]研究認(rèn)為，鞘脂類是脂肪組織產(chǎn)熱的重要調(diào)節(jié)劑，其代謝中間產(chǎn)物神經(jīng)酰胺促進(jìn)了脂肪組織以三酰甘油等脂類的形式儲(chǔ)存能量。Xia等[42]對(duì)過(guò)表達(dá)神經(jīng)酰胺酶的轉(zhuǎn)基因小鼠進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，脂肪細(xì)胞的形態(tài)發(fā)生了變化，同時(shí)改善了全身糖代謝以及脂質(zhì)在肝臟的異常沉積。Jiang等[43]研究表明異位神經(jīng)酰胺抑制脂肪組織的褐變，提示內(nèi)源性神經(jīng)酰胺可能是脂肪細(xì)胞功能的自主調(diào)節(jié)因子。Chen等[44]通過(guò)對(duì)小鼠施行減重手術(shù)，觀察其術(shù)后棕色脂肪組織的變化，結(jié)果顯示在術(shù)后4周，Roux-en-Y胃旁路術(shù)組棕色脂肪的體積和活性較術(shù)前以及其他手術(shù)方式組有明顯增長(zhǎng)(P<0.001)。

米色、棕色脂肪細(xì)胞燃燒脂質(zhì)、釋放能量涉及到細(xì)胞“動(dòng)力工廠”——線粒體數(shù)量的增多和活性增強(qiáng)。線粒體中已經(jīng)檢測(cè)到可以參與神經(jīng)酰胺生物合成和降解的酶[45]，迄今報(bào)道的大多數(shù)研究也表明，細(xì)胞內(nèi)神經(jīng)酰胺含量的增加會(huì)干擾線粒體的能量代謝過(guò)程，從而損害線粒體功能。此外，神經(jīng)酰胺誘導(dǎo)的線粒體呼吸異常與活性氧的產(chǎn)生和隨后的氧化應(yīng)激有關(guān)[46]。因此，減重手術(shù)降低了血清及脂肪組織中的神經(jīng)酰胺濃度，在很大程度上減輕了神經(jīng)酰胺對(duì)脂肪組織“褐變”的抑制作用，這樣就有更多的棕色、米色脂肪細(xì)胞通過(guò)特異性表達(dá)UCP1使線粒體氧化磷酸化過(guò)程解偶聯(lián)，從而促進(jìn)游離脂肪酸氧化產(chǎn)生的能量以熱量形式散發(fā)[47]。

圖4 正常情況下，脂肪細(xì)胞數(shù)量增多、體積增大過(guò)程中同時(shí)伴隨適當(dāng)?shù)难苌珊虴CM重構(gòu)，將細(xì)胞數(shù)量、體積限制在一定范圍內(nèi)(A)；脂肪組織的病理性擴(kuò)張時(shí)出現(xiàn)血管生成不足、ECM重構(gòu)紊亂，從而導(dǎo)致隨后的組織缺氧，M1巨噬細(xì)胞占據(jù)優(yōu)勢(shì)，導(dǎo)致與全身胰島素抵抗密切相關(guān)的炎癥表型(B) 圖5 神經(jīng)酰胺是針對(duì)多種肥胖信號(hào)(如飽和脂肪酸，satFA)、脂多糖(LPS)或促炎細(xì)胞因子(如腫瘤壞死因子，TNF)，通過(guò)增加鞘磷脂生物合成或循環(huán)而產(chǎn)生的。神經(jīng)酰胺可以激活蛋白磷酸酶2A(PP2A)，從而去磷酸化和抑制絲/蘇氨酸蛋白激酶(AKT)，阻斷胰島素信號(hào)傳導(dǎo)，導(dǎo)致胰島素抵抗;另一方面通過(guò)激活蛋白激酶Cζ(PKCζ)，也導(dǎo)致AKT通路的抑制;脂聯(lián)素與其受體結(jié)合刺激神經(jīng)酰胺酶(CDase)，使神經(jīng)酰胺降解為鞘氨醇，然后進(jìn)一步磷酸化為鞘氨醇-1-磷酸(S1P)

六、結(jié)語(yǔ)

脂肪組織重構(gòu)的機(jī)制涉及多種組織(如脂肪、骨骼肌、肝臟、中樞神經(jīng)等)間的相互“交流”，多種細(xì)胞的病理生理改變，減重手術(shù)后機(jī)體神經(jīng)酰胺的減少可能在該過(guò)程中扮演關(guān)鍵角色，這對(duì)于進(jìn)一步理解手術(shù)“減重”、“降糖”的分子機(jī)制有重要意義，同時(shí)有助于開(kāi)發(fā)新的治療方式來(lái)預(yù)防和控制肥胖相關(guān)的代謝疾病。