免疫細胞在棕色脂肪產熱及白色脂肪棕色化過程中的功能研究進展

孫文陽 林建春 滾雙寶 王金勇

（1. 重慶市畜牧科學院 農業(yè)部養(yǎng)豬科學重點實驗室，重慶 402460；2. 甘肅農業(yè)大學動物科學技術學院，蘭州 730070；3. 榮昌普眾中醫(yī)醫(yī)院，重慶 402460）

肥胖及其相關代謝疾病呈現(xiàn)出向青年化發(fā)病的趨勢，嚴重威脅人類健康［1-2］。肥胖是由能量攝入與消耗長期失衡導致的［3］，減少能量攝入及增加能量消耗是肥胖治療遵循的根本原則，目前肥胖還沒有十分有效的臨床治療手段［4］。人體的棕色脂肪組織（Brown adipose tissue，BAT）在一定條件下可消耗能量轉化為熱量，是一種潛在肥胖治療靶點［5］，但成年后人肩胛部的BAT 會發(fā)生退化［6-7］，正常情況下消耗能量的作用有限。然而，有研究發(fā)現(xiàn)成年人受在寒冷刺激后，主動脈旁、鎖骨及腎上的白色脂肪組織（White adipose tissue，WAT）內會出現(xiàn)一類棕色化的脂肪細胞［8-10］，被稱為米色脂肪細胞（Beige adipocytes）［11］和“brite（brown-in-white）adipocytes”［12］。與BAT 內的棕色脂肪細胞一樣，米色脂肪細胞也會表達一系列產熱相關基因［13］，可將細胞內儲存的能量轉化為熱量的形式散發(fā)［14］，成為肥胖治療的新靶點［4］。

近些年，生物醫(yī)學領域致力于研究BAT 產熱及WAT 棕色化的機理，以求找到有效的肥胖治療方法。經典的生理學理論認為BAT 的產熱是由神經系統(tǒng)支配的，寒冷的感覺首先由大腦感知，大腦會將信號傳遞至BAT 內分布的交感神經使其分泌去甲腎上腺素（Norepinephrine，NE），NE 作用于棕色脂肪細胞的β-腎上腺素能受體（β-adrenergic receptor）誘導棕色脂肪細胞脂解產熱［15］。但最近的研究發(fā)現(xiàn)脂肪組織中的M2 型巨噬細胞（Alternatively activated macrophages，M2 type）、II 型固有淋巴細胞（Type 2 Innate Lymphoid Cells，ILC2s） 和 嗜 酸 性 粒 細胞（Eosinophils）等免疫細胞也可誘導BAT 產熱及WAT 發(fā)生棕色化，這為肥胖臨床療法的研究提供了新的思路，但這些研究結果存在一些爭議，本文將對免疫細胞在BAT 產熱及WAT 棕色化過程中的功能作一綜述。

1 脂肪細胞及WAT 棕色化

脂肪組織在人體能量穩(wěn)態(tài)的調節(jié)方面起到核心作用［16］，可分為WAT 和BAT。WAT 內的白色脂肪細胞可將人體內多余的能量以化學能形式儲存，而BAT 內的棕色脂肪細胞的主要功能是將化學能轉化為熱，用于寒冷環(huán)境下體溫的維持［17］。然而，后續(xù)的研究發(fā)現(xiàn)，在寒冷條件的誘導下，人和小鼠的WAT 內的一些白色脂肪細胞線粒體內膜上會大量表達解偶聯(lián)蛋白-1（Uncoupling protein-1，UCP1），從而分化成為一種類似于棕色脂肪細胞的米色脂肪細胞，這一過程叫做“WAT 的棕色化”［14］。長期的寒冷刺激、運動或過氧化物酶體增殖激活受體-γ（Peroxisome proliferator- activated receptor-γ，PPARγ）激動劑會誘導WAT 的棕色化過程［12，18］。身體不同部位WAT 棕色化的能力有差異，小鼠腹股溝皮下WAT 誘導后很容易發(fā)生棕色化，而同樣的誘導條件下附睪周的內臟WAT 則表現(xiàn)為棕色化抑制［19-20］。

棕色脂肪細胞和米色脂肪細胞可將葡萄糖和脂肪轉化為熱能，該過程主要依賴UCP1［5，21］。雖然都具備產熱作用，但是兩者也存在一些差異，主要有以下幾點：第一，兩者由不同的前體細胞發(fā)育而來，肩胛部的棕色脂肪細胞由肌源性的Myf5+/Pax7+前體細胞分化而來［22-24］，米色脂肪細胞由皮下WAT 中的Myf5-的前體細胞分化而來［25］；第二，米色脂肪前體細胞會特異性的表達一系類基因，如Klhl13，Ear2，Tbx1，Tmem26和CD137［14，26-27］；第三，棕色脂肪細胞會持續(xù)的高表達UCP1，但是米色脂肪細胞只有在寒冷、PPARγ 和β-腎上腺素能受體激動劑的誘導下才會上調表達UCP1［14，19，27］。總的來說，棕色脂肪細胞和米色脂肪細胞在機體產熱和能量平衡的維持過程中相互補充發(fā)揮作用，并有研究證實機體中的米色脂肪細胞與健康的能量代謝及體型維持相關［8，9，28-29］。BAT 和WAT 棕色化成為目前最具前景的肥胖治療潛在靶點，BAT 的激活及WAT棕色化的機理也成為備受關注的研究熱點。

2 免疫細胞對WAT 棕色化的促進作用

WAT 內除含有脂肪細胞外，還含有大量的免疫細胞，如巨噬細胞、嗜酸性粒細胞和ILC2s，在WAT 棕色化過程中發(fā)揮重要功能［30-33］。

2.1 M2型巨噬細胞對WAT棕色化的促進作用

最早關于M2 型巨噬細胞參與脂肪組織適應性產熱過程的報道是2011 年Nguyen 等［34］發(fā)現(xiàn)在冷刺激下野生型BALB/cJ 小鼠BAT 和WAT 中的M2型巨噬細胞會被白細胞介素4（Interleukin-4，IL4）激活，激活后的M2 型巨噬細胞會分泌兒茶酚胺類物質促進BAT 產熱基因的表達和WAT 的脂解作用。冷刺激后小鼠BAT 和WAT 內M2 型巨噬細胞的標記基因包括Arg1、Mrc1和Clec10a的表達顯著升高，而一些促炎因子包括iNOS、TNFa 和MCP-1 的表達水平降低，說明冷刺激后M2 型巨噬細胞在這兩種組織中大量聚集，隨后的流式細胞分析也證實了此結果。而Il4/Il13-/-和Stat6-/-敲基因小鼠（Stat6和ILR4a的完全性敲除小鼠，此小鼠模型相當于破壞了IL-4/IL-13 信號通路）則沒有此現(xiàn)象的發(fā)生，證明了IL-4/IL-13 信號通路在BAT 產熱過程中發(fā)揮必要的作用。但是由于STAT6 不僅在免疫細胞中表達，在其他類型細胞中也有表達，如脂肪細胞和肝細胞［35］，所以Stat6-/-敲基因小鼠模型不能完全充分的證明是M2 型巨噬細在BAT 產熱過程中發(fā)揮了特定功能。所以該研究此后又在小鼠骨髓來源的免疫細胞特異性敲除IL-4 的受體ILR4α（相當于特異性敲除巨噬細胞的ILR4α），在冷刺下此小鼠BAT 中不能上調表達產熱基因Ucp1、Acox1、Acsl1和Ppargc1a。該研究證明M2 型巨噬細胞確實參與引發(fā)BAT 的產熱過程［34］。類似作用機理在WAT 中也有發(fā)現(xiàn)，野生型C57BL6/J 小鼠受到冷刺激后，WAT 中M2 型巨噬細胞的數(shù)量也會增加，并且M2 型巨噬細胞中的酪氨酸羥化酶（tyrosine hydroxylase，Th）的表達量上調，使得M2 型巨噬細胞和成并分泌兒茶酚胺（即NE），從而誘導WAT 棕色化過程的發(fā)生［36］。

還有研究發(fā)現(xiàn)抑制巨噬細胞中某些基因的表達對可促進其誘導BAT 產熱及WAT 棕色化的發(fā)生，可以作為肥胖治療的基因靶點。特異性敲除小鼠巨噬細胞中受體相互作用蛋白140（Receptor interacting protein 140，RIP140）能夠改善高脂飲食引起的胰島素抵抗，同時會增加脂肪組織中M2 型巨噬細胞數(shù)量，促進WAT 棕色化［37］。將巨噬細胞中特異性敲除RIP140 小鼠的M2 型巨噬細胞移植到高脂飲食飼喂的野生型肥胖小鼠的WAT 中，會誘發(fā)野生型小鼠WAT 發(fā)生棕色化，降低脂肪組織的炎癥反應，并且能夠提高機體胰島素的敏感性［38］。特異性敲除小鼠巨噬細胞中IREα（Inositol-requiring enzyme 1α）可使脂肪組織中的巨噬細胞更趨向于向M2 型巨噬細胞分化，增加BAT 的產熱作用和WAT 的棕色化作用，改善高脂飲食引發(fā)的肥胖［39］。

2.2 嗜酸性粒細胞對WAT棕色化的促進作用

嗜酸性粒細胞在WAT 棕色化以及米色脂肪產熱過程中發(fā)揮了關鍵作用。有研究發(fā)現(xiàn)當小鼠脂肪組織受到冷刺激后會分泌一種鎳紋樣蛋白（Meteorinlike，Metrnl），Metrnl 會夠刺激嗜酸性粒細胞分泌大量IL-4，Metrnl 同時也會直接誘導巨噬細胞分化為M2 型巨噬細胞，增加脂肪組織產熱基因和非炎性細胞因子的表達，促進WAT 的棕色化，改善機體對葡萄糖耐受性［40］。還有研究發(fā)現(xiàn)WAT 中的嗜酸性粒細胞的增多可以同時提高組織內非炎性細胞因子IL-4 和IL-13 的含量，IL-4 可以促進巨噬細胞的增值，使脂肪組織內聚集更多的M2 型巨噬細胞，從而促進WAT 的棕色化［36，41］。從以上的研究可以看出嗜酸性粒細胞主要是通過刺激M2 型巨噬細胞的增值與分化，從而促進WAT 棕色化的發(fā)生，值得注意的是以上研究的結果都只強調了嗜酸性粒細胞和相關細胞因子對于WAT 的棕色化是必要的，但其對BAT 的產熱卻只有微弱的促進作用。

2.3 ILC2s對WAT棕色化的促進作用

ILC2s 在WAT 棕色化的過程中起到了極為重要的作用，人和小鼠的肥胖的發(fā)生都伴隨有WAT中ILC2s 減少這一特征［42］，現(xiàn)有的研究結果發(fā)現(xiàn)ILC2s 可通過間接與直接作用兩種方式促進WAT 的棕色化。ILC2s 可通過促進巨噬細胞的分化間接促使WAT 發(fā)生棕色化。IL-33 是激活ILC2s 重要的細胞因子，對WAT 棕色化具有促進作用［42］，研究發(fā)現(xiàn)小鼠注射IL-33 后會藥理性激活脂肪組織內的ILC2s，激活的ILC2s 會分泌IL-5 和IL-13，IL-5 可激活嗜酸性粒細胞分泌IL-4，IL-4 與IL-13 可共同作用于巨噬細胞使其分化為M2型巨噬細胞，分化后的M2 型巨噬細胞會促進WAT 的棕色化［43］。而IL-33-/-小鼠模型（IL-33 的完全敲除小鼠）WAT 中的激活的ILC2s明顯減少，WAT 棕色化的能力也會降低，從而導致肥胖的發(fā)生，但當IL-33-/-小鼠注射IL-33 后，WAT又會發(fā)生明顯的棕色化，并且小鼠不會發(fā)生肥胖［42］。ILC2s 還可通過分泌一些細胞因子直接作用與脂肪細胞，使其發(fā)生棕色化，研究發(fā)現(xiàn)ILC2s 分泌的IL-13與嗜酸性粒細胞分泌的IL-4 可共同作用于PDGFRα（+）脂肪前體細胞膜上的IL-4Rα 受體（IL-4 和IL-13 的重要受體），該信號進一步引發(fā)脂肪前體細胞內STAT6 的氧化磷酸化，進而促使PDGFRα（+）脂肪前體細胞增值并向米色前體脂肪細胞分化［43］。此外，ILC2s 還可以通過分泌一種甲硫胺酸-腦啡肽（Methionine-enkephalin，Met-Enk）直接作用成熟的脂肪細胞，促進胞內UCP1 的表達，從而使皮下WAT 發(fā)生棕色化，值得注意的是這一過程不需要依賴于嗜酸性粒細胞和M2 型巨噬細胞，并且該通路發(fā)生在于白色皮下脂肪組織而不存在于內臟脂肪組織和經典的BAT［42］。

2.4 其它免疫細胞對WAT棕色化的促進作用

有研究報道，iNKT（Invariant natural killer T）細胞產生的FGF21 可參與調控WAT 棕色化過程［44］。FGF21 是BAT 產熱及WAT 棕色化的誘導物［45-46］，WAT 中被激活的iNKT 細胞可產生FGF21（Fibroblast growth factor-21），從而誘導WAT 棕色化［44］。激活的iNKT 細胞可在不影響食物攝取量和活動量的情況下增加脂肪酸的氧化和小鼠的體溫，降低體重［44］。

3 M2 型巨噬細胞不參與BAT 的產熱和WAT 的棕色化過程

通過以上的研究得知，盡管ILC2s（通過Met-Enk）與嗜酸性粒細胞（通過IL-4）能夠直接作用于脂肪前體細胞或成熟的脂肪細胞使其發(fā)生棕色化，且ILC2s 與嗜酸性粒細胞還可通過間接刺激M2 型巨噬細胞的增值與分化間接促進BAT 的產熱及WAT的棕色化作用，嗜酸性粒細胞分泌的IL-4，ILC2s 來源的IL-13 都會刺激誘導M2 型巨噬細胞分泌NE，NE 會刺激脂肪細胞產熱及棕色化［34，36］。因此，與前兩者相比M2 型巨噬細胞對BAT 產熱及WAT 的棕色化具有更直接更主要的作用。人們普遍認為，在冷暴露或者其它產熱刺激下，BAT 和WAT 內會聚集大量M2 型巨噬細胞，激活的M2 型巨噬細胞內大量表達Th，進而促進NE 的和成與釋放，NE 作用于棕色脂肪細胞和白色脂肪細胞或者它們前體細胞的β3-腎上腺素能受體促使脂肪細胞的產熱及棕色化發(fā)生，這與脂肪組織內副交感神經釋放NE 促進BAT 產熱的方式類似。

然而，此后Fischer 等［47］卻得出了不同的結論，其認為M2 型巨噬細胞不能表達Th 和分泌兒茶酚胺來促進脂肪組織的適應性產熱。Fischer 等［47］認為之前支持M2 型巨噬細胞能夠促進WAT 棕色化這個結論的研究有不嚴謹之處，這些研究中功能缺失實驗的小鼠模型都是終生或完全性敲除某些關鍵基因（例如完全性敲除Il4/13，Il4ra和Stat6，骨髓細胞特異性敲除Il4ra和Th），由于這些關鍵基因的缺失會伴隨小鼠的整個發(fā)育與過程（終身Th基因的缺失會導致早期胚胎致死［48］），并且敲除的基因有些也在中樞神經系統(tǒng)表達，因此可能會影響交感神經調控，所以這些實驗的得到的結果不能嚴謹?shù)恼f明是哪一方面單一因素（免疫細胞或者是神經調控）在WAT 棕色化過程中發(fā)揮功能。基于這一點，F(xiàn)ischer等［47］究構建了在骨髓來源的細胞中時空特異性敲除Th基因的小鼠模型，實現(xiàn)了在成年小鼠造血細胞（包括巨噬細胞）中敲除Th基因，該小鼠在室溫或冷暴露環(huán)境中的體重、能量消耗和核心體溫與野生型小鼠均無差異，而冷刺激下其腹股溝皮下脂肪UCP1的表達量未下降而比野生型小鼠高，這表明M2 巨噬細胞中Th基因的缺失不影響WAT 棕色化。隨后體外試驗證實了在IL-4 的刺激下骨髓來源的巨噬細胞不會分泌NE，并且不能誘導脂肪細胞內產熱基因Ucp1的上調表達。長期的IL-4 刺激并不能增加野生型小鼠，Ucp1-/-和Il4ra-/-小鼠的能量消耗、體重和兒茶酚胺的水平。最后該研究得出結論M2型巨噬細胞不能表達Th 并和成兒茶酚胺，所以其并不能促進BAT 的產熱及WAT 棕色化過程［47］。但是對于此研究，也有不少質疑。其中又人提出該研究對于Th基因的定量方法是不嚴謹?shù)?，此外脂肪細胞體外培養(yǎng)實驗（只涉及了M2 巨噬細胞）缺少了內體其他可誘導脂肪棕色化相關的細胞配體和細胞系，這種未能完全模擬體內環(huán)境的試驗會影響實驗的結果［49］。也有一些研究結果支持Fischer 等［47］的結論，Chi 等［50］利用了一種脂肪組織的三維成像的方法從組織形態(tài)學的角度研究了WAT 的棕色化的過程，該研究發(fā)現(xiàn)小鼠皮下脂肪組織中分布的交感神經有大量Th 表達，而巨噬細胞中并不表達Th。

還有一些研究發(fā)現(xiàn)巨噬細胞能夠抑制WAT 的棕色化。Pirzgalska 等［51］發(fā)現(xiàn)一種附著于脂肪組織內交感神經分布的巨噬細胞，即交感神經相關的巨噬細胞（Sympathetic neuron-associated macrophages，SAMs），SAMs 表達一種NE 的轉運體SLC6A2（solute carrier family 6 member 2）可將NE 轉運至胞內，在細胞內表達的單胺氧化酶A（Monoamine oxidase A，MAOA）的作用下，NE 會發(fā)生降解，從而起到清除組織內NE 的作用。在SAMs 中敲除Slc6a2會增加小鼠BAT 的含量，引起WAT 的棕色化，增加機體產熱，持續(xù)降低肥胖小鼠的體重。Camell 等［52］發(fā)現(xiàn)脂肪組織中的巨噬細胞酶解NE 的能力會隨著機體的衰老而增加的，并且與機體衰老引起的脂解能力的降低相關。

4 M2 型巨噬細胞通過其它途徑（非自身合成NE）影響WAT 棕色化過程

通過上述綜述我們知道M2 型巨噬細胞能夠自身合成分泌兒茶酚胺從而促進WAT 的棕色化過程，但也有一些研究報道M2 型巨噬細胞可以通過其他的途徑影響WAT 棕色化過程。Reitman 等［49］總結了前人的研究結果對此問題進行了討論，并羅列出了20 多種可能的假說。Lee 等［53-54］提出M2 型巨噬細胞可以通過去除脂肪組織中組織中死亡的脂肪細胞改善脂肪組織內的炎性環(huán)境（WAT 的炎性環(huán)境不利于棕色化的發(fā)生），或者分泌PPARγ 作用于米色前體脂肪細胞促進其脂解產熱等方式促進WAT 棕色化。Chung 等［55］通過體外實驗證明M2 型巨噬細胞可以通過直接接觸和非接觸的方式提升脂肪細胞UCP1 的表達。Wolf 等［56］發(fā)現(xiàn)在巨噬細胞中敲除Mecp2（Transcription factor methyl-CpG-binding protein 2）可以改變BAT 內交感神經的分布和神經細胞內NE 信號通路，從而改變BAT 內UCP1 的表達和產熱作用，這種方式雖然不能在短時間內影響B(tài)AT 對產熱刺激的敏感性，但是可通過一種長期的作用方式改變BAT 產熱作用。

5 展望

肥胖已經成為威脅人類健康的全球性問題，目前還沒有有效的治療方法。棕色和米色脂肪因其具有消耗能量這一生理學特性，已成為一種潛在的肥胖治療靶點，如何誘導棕色脂肪的產熱及米色脂肪的產生已成為學術界研究的熱點問題。前期研究發(fā)現(xiàn)M2 型巨噬細胞、ILC2 和嗜酸性粒細胞等一些免疫細胞能夠促進BAT 產熱以及WAT 棕色化，特別是M2 型巨噬細胞能夠自身合成分泌兒茶酚胺促進WAT 的棕色化過程，這些發(fā)現(xiàn)使肥胖的臨床治療成為可能。但是后期的一些研究卻得到了相反的結論，認為M2 型巨噬細胞無法自身合成NE 促進WAT 的棕色化過程，還有一些研究發(fā)現(xiàn)某些特殊類型的巨噬細胞可抑制WAT 的棕色化。直到現(xiàn)在M2 型巨噬細胞是否對BAT 產熱以及WAT 棕色化具有促進作用仍然是一個備受爭議的問題，也將是今后研究的熱點問題。造成這些結果相矛盾的原因可能有不同的試驗設計、生物試劑、試驗動物和實驗條件等。因此，可能需要通過其它的研究角度和思路（M2 型巨噬細胞是否通過其他作用方式而不是通過分泌NE來促進WAT 的棕色化），更嚴謹試驗設計或者更新的試驗方法去解決。

到目前為止，研究人員也嘗試從其它的研究角度（非自身合成NE）去研究和闡明M2 型巨噬細胞在WAT 棕色化的作用，并且也得到了一些進展。這些研究結果給我一些新的啟示和思路去探究M2 型巨噬細胞在BAT 的產熱和WAT 的棕色化的功能。