巨噬细胞在肥胖进程中的作用研究进展

姜晓旭，李明哲，赵九洲，王 欣，郑义鹏，李永奇，李文丽，海春旭，于卫华

(1.空军军医大学第一附属医院综合诊疗科，陕西 西安 71003；2.空军军医大学基础医学院学员大队，陕西 西安 710032；3.空军军医大学军事预防医学院毒理学教研室，陕西省自由基生物学重点实验室，特殊作业环境危害评估与防治教育部重点实验室，陕西 西安 710032)

肥胖是指机体脂肪大量堆积的一种病理状态，其主要原因是热量摄入过剩。近30 a来，生活水平的提高导致肥胖人数激增，并呈现出全球性流行和不断加重趋势。截至2016年，全球约22亿人超重，其中7.2亿人属于肥胖人群，而中国肥胖人数近1亿，居全球第1位[1]。肥胖可导致多种并发症，如2型糖尿病、心血管疾病、脂肪肝和肿瘤等。肥胖也可加速衰老和死亡，仅2015年全球就有400万人死于超重或肥胖性疾病。因此，营养过剩和肥胖已成为威胁人类健康的重大公共卫生问题。巨噬细胞是机体主要的炎症效应细胞，在大多数机体实质性病变中发挥重要作用。近年来的大量研究证实，巨噬细胞可能参与了肥胖的发生发展过程。本文就巨噬细胞对代谢相关炎症、脂肪组织重塑、胰岛素抵抗和肝脏损伤的影响等方面进行综述，以期为肥胖及相关疾病的防治提供新的策略。

1 肥胖可能是一种代谢相关性炎症疾病

近年来，机体代谢与炎症调控的关联性成为了医学领域的研究热点，并催生了“代谢性炎症”的概念。与细菌感染导致的急性炎症不同，代谢性炎症一般不表现出“红、肿、热、痛”的临床特点，而是慢性的“无菌炎症”，可通过损伤机体组织器官，导致多种疾病。而这种无菌性炎症与机体代谢紊乱密切相关，大量有害代谢产物的蓄积可招募并激活巨噬细胞，进而释放大量炎症因子。作为一种代谢紊乱性疾病，肥胖主要是机体热量摄入超过需求，大量三酰甘油存储导致脂肪组织结构和功能异常。1993年，Hotamisligil课题组在肥胖小鼠脂肪组织内检测到肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)的表达和分泌增加，首次提出肥胖是一种慢性炎症疾病[2]。体外研究表明，使用游离脂肪酸(free fatty acids，FFA)刺激脂肪细胞和巨噬细胞后，细胞上清液中白细胞介素(interleukin，IL)-6，TNF-α和单核细胞趋化蛋白-1(monocyte chemotactic protein-1，MCP-1)等炎症因子表达升高[3]。同时，在2型糖尿病、非酒精性脂肪肝和动脉粥样硬化等肥胖相关的代谢性疾病中，也存在显著的炎症细胞浸润和炎症因子升高[4-5]。因此，肥胖是一种代谢紊乱所导致的低度炎症，局部乃至全身炎症反应是肥胖患者发生心脑血管疾病、肝损伤、2型糖尿病等并发症的重要机制。

2 肥胖过程中巨噬细胞的数量和极性变化

正常情况下，巨噬细胞以静息状态广泛存在于机体组织和器官。在感染等致炎因素刺激下，巨噬细胞可发生M1型极化，释放大量炎症因子，如TNF-α和IL-6等。而在伤口愈合和炎症恢复期表现为M2型极化，释放大量抗炎因子，包括IL-4和IL-10等[6]。巨噬细胞在机体内发挥“双刃剑”作用，可通过吞噬作用和炎症反应杀灭病原菌，而炎症过度或迁延不愈则会引起周围组织和细胞损伤。大量研究表明，肥胖发生发展过程中，脂肪组织中的巨噬细胞数量和极性发生显著改变。正常动物体内，巨噬细胞数量占脂肪细胞总数的10%，均匀分布于脂肪组织，且在嗜酸性粒细胞分泌的IL-4和IL-13刺激下发生M2型极化，表现为F4/80+和CD206+，发挥抗炎和增强胰岛素敏感性作用。而肥胖动物的脂肪组织中巨噬细胞数目明显增多，约占脂肪细胞总数的40%，以冠状结构围绕在脂肪细胞周围，且细胞极化状态也由M2型向M1型转化，呈现F4/80+和CD11c+表型，并释放大量促炎因子[7]。与动物研究结果相似，在肥胖人群的脂肪组织中也观察到巨噬细胞的大量浸润和炎症激活[7]。然而，KRATZ等[8]研究发现，肥胖过程中代谢性活化巨噬细胞虽然呈现CD11c+，并分泌大量炎症介质，但并未表达经典M1型极化标志物(如CD38、CD319和CD274)，提示肥胖状态下巨噬细胞极化存在其自身特殊性。因此，肥胖动物炎症反应水平升高不仅依赖巨噬细胞数量增多，更取决于其极化分型的转变。

3 巨噬细胞在肥胖发生发展过程中的作用

3.1 巨噬细胞可诱导肥胖相关性炎症脂肪组织中存在丰富的免疫细胞，包括巨噬细胞、中性粒细胞、嗜酸性粒细胞、树突状细胞和T细胞等。因此，现代医学理论认为，脂肪组织不仅是机体营养储存库，还是重要的免疫器官，其正常结构与功能对于维持机体炎症稳态和免疫水平具有重要意义[9]。尽管“肥胖是代谢性炎症”的理论在1993年就已被提出，但巨噬细胞在肥胖中的作用直到近年来才被广泛关注。2003年，研究人员在肥胖动物模型的脂肪组织内发现了F4/80阳性细胞(巨噬细胞标志物)，且巨噬细胞含量和脂肪细胞的体积及动物肥胖程度呈正相关[10]。清除巨噬细胞可有效抑制高脂饮食诱导的脂肪组织炎症，并改善动物肥胖症状[11]。肥胖群体外周循环中炎症介质主要来源于脂肪组织的巨噬细胞，约40%的IL-6是由脂肪组织中的巨噬细胞分泌的[12]。瘦素和脂联素是脂肪细胞分泌的重要细胞因子，瘦素可增强巨噬细胞促炎反应，而脂联素可发挥抗炎效应。与健康群体相比，肥胖儿童血清瘦素水平明显升高，血浆中脂联素降低，提示二者可能与儿童肥胖的发生密切相关[13]。重度肥胖患者进行减肥手术后，机体巨噬细胞数量降低，且极化表型由M1型向M2型转化，炎症因子表达下降[14]。通过改变饮食和生活方式减轻体质量，也可降低肥胖人群脂肪组织中巨噬细胞数量和促炎介质的表达[15]。

3.2 巨噬细胞参与脂肪组织重塑作为体内营养存储的主要场所，脂肪组织可对营养过剩和营养缺乏状况快速响应，以维持机体脂质和能量代谢稳态。不同营养状况下脂肪细胞的形态、大小和数量存在显著差异，并引起脂肪组织的结构和功能改变，称之为脂肪组织重塑。肥胖动物营养摄入过剩，大量三酰甘油以脂滴的形式存储，并刺激脂肪细胞的肥大、增生和死亡。近年来研究发现，巨噬细胞可能在脂肪组织的重塑过程中发挥关键作用[16]。首先，肥胖动物脂肪组织中巨噬细胞数量所占比例显著升高，是其重要结构组分。其次，M1型极化巨噬细胞可释放大量炎症因子和活性氧(reactive oxygen species，ROS)，可影响周围脂肪细胞的正常结构和功能。TNF-α和IL-6可调控脂肪细胞的线粒体功能，增强FFA释放和脂毒性，抑制脂联素的合成与分泌[17]。巨噬细胞可抑制脂肪前体细胞分化，影响脂肪酸在肝脏、肌肉等部位的存储[18]。在db/db肥胖小鼠中，脂肪细胞死亡水平升高近30倍，肥胖患者也发生类似改变，提示脂肪细胞死亡是肥胖的重要病理特征[19]。对肥胖人群的脂肪组织研究发现，巨噬细胞以冠状结构环绕在死亡脂肪细胞的周围，融合形成巨大的多核细胞，而正常体质量者则无此现象发生[20]。采用氯磷酸盐脂质体清除巨噬细胞可扰乱小鼠脂肪组织中血管生成和脂肪细胞分化。肥胖动物内脏脂肪组织中巨噬细胞数量多于皮下脂肪组织，释放入血的炎症介质水平也更高[21-22]。此外，巨噬细胞介导的炎症介质和ROS可能在脂肪细胞死亡中发挥重要作用。因而，肥胖过程中巨噬细胞的浸润与极化激活是脂肪组织重塑的重要机制。

3.3 巨噬细胞调控机体胰岛素代谢胰岛素是机体调控糖代谢稳态的重要激素，胰岛素抵抗是2型糖尿病发表的主要诱因。研究表明，肥胖个体发生胰岛素抵抗和2型糖尿病风险显著提高，而巨噬细胞可能在其中发挥关键作用[12]。正常体质量动物脂肪组织中的M2型巨噬细胞，不仅发挥抗炎作用，还可增强机体胰岛素敏感性。而肥胖动物脂肪组织内巨噬细胞呈现M1型极化，可分泌大量促炎症介质，并通过多种通路引起胰岛素抵抗。Nod样受体蛋白3(Nod-like receptor protein3，NLRP3)炎症小体在巨噬细胞炎症调控中发挥关键作用，而敲减NLRP3可改善高脂饲喂小鼠脂肪组织的胰岛素抵抗[23]。TNF-α处理小鼠脂肪细胞后，胰岛素受体底物1(insulin receptor substrate 1，IRS-1)信号通路被抑制，细胞胰岛素敏感性显著降低，而敲减TNF-α可阻断胰岛素抵抗的发生[24]。MCP-1处理人骨骼肌细胞后，可抑制IRS-1及下游胰岛素信号通路，进而表现出胰岛素抵抗表型[25]。而小檗碱可阻断小鼠脂肪组织中巨噬细胞的M1型活化，降低炎症因子表达，并改善胰岛素抵抗[26]。在高脂饮食条件下，与野生型动物相比，巨噬细胞移动抑制因子-1(macrophage migration inhibitory factor-1，MIF-1)敲除组的胰岛素抵抗和肝脏炎症水平显著改善[27]。采用白喉毒素清除脂肪组织CD11c+巨噬细胞可有效改善肥胖小鼠胰岛素敏感性和葡萄糖耐受水平，并伴随全身炎症水平的下调[28]。YING等[29]研究显示，脂肪组织巨噬细胞可直接分泌一种miR-155的外泌体，可降低血糖调控关键分子过氧化物酶体增殖物激活受体(peroxisome proliferator-activated receptor gamma，PPARγ)表达，导致机体肝脏和脂肪组织胰岛素敏感性减弱；而敲除miR-155可减轻高脂饮食诱导的胰岛素抵抗程度。因此，巨噬细胞浸润与炎症激活可能是导致机体胰岛素抵抗的关键诱因，以巨噬细胞为靶点干预可显著抑制多种因素诱导的胰岛素敏感性降低和2型糖尿病。但学术界对二者的因果关系尚存在争议，瑞典科学家近期在JCI杂志上的1篇文章指出，脂肪组织胰岛素抵抗可导致趋化因子MCP-1合成，进而促进巨噬细胞的局部募集和炎症激活；抑制肥胖患者的胰岛素关键信号西罗莫司靶蛋白复合物2(mTOR complex 2，mTORC2)可加剧巨噬细胞炎症[30]。因此，该研究认为，肥胖过程中脂肪组织的胰岛素抵抗导致了炎症发生，而非炎症导致了胰岛素抵抗。

3.4 巨噬细胞促进肥胖相关性肝损伤肥胖是非酒精性肝损伤的重要危险因素，肥胖人群常表现出脂肪肝和慢性肝病，脂肪酸的大量堆积可引起肝细胞损伤和死亡。在肥胖动物模型中可观察到脂肪和肝脏组织的炎症水平升高，但其发生的先后顺序和因果关系尚存在争议。VAN DER HEIJDEN等[31]采用高脂饮食诱导C57小鼠肥胖，24周后脂肪组织中检测到巨噬细胞(F4/80阳性)呈冠状结构聚集在脂肪细胞周围，并伴随TNF-α、IL-6和IL-1β等炎症基因表达升高；直到40周才检测到肝脏组织炎症反应增强，表明脂肪组织炎症发生早于肝脏组织。南京医科大学陈琪教授团队发现，巨噬细胞中存在的A类清道夫受体可能在非酒精性肝损伤等代谢相关疾病中发挥了关键作用。BIJNEN等[32]研究表明，将肥胖小鼠内脏脂肪组织移植到正常小鼠可显著增加高脂饮食诱导的肝脏巨噬细胞和中性粒细胞增多，并加剧肝损伤，而清除巨噬细胞的脂肪组织移植后则未发生上述转变。同时，脂肪组织巨噬细胞释放的IL-6等炎症因子，可通过血液循环到达肝组织，引起肝脏损伤。而WALKER等[33]研究发现，肥胖儿童肝脏纤维化和胰岛素抵抗主要取决于腹部皮下脂肪组织中巨噬细胞数量和炎症水平，而与体质量指数无显著相关性。上述结果证明，脂肪组织中巨噬细胞可能是肥胖诱导肝脏损伤的重要基础。

4 肥胖过程中脂肪组织巨噬细胞浸润与活化机制

巨噬细胞的募集是一个动态过程，受机体营养状态和肥胖程度影响。肥胖动物脂肪细胞肥大，可分泌大量的趋化因子和炎症因子，诱导巨噬细胞的聚集和M1型极化[34]。关于肥胖和正常人群脂肪组织分析发现，脂肪细胞的体积与巨噬细胞数目呈正相关，抑制脂肪细胞堆积和肥大可减轻巨噬细胞浸润和激活[35]。同时，肥胖小鼠和人类的脂肪组织中巨噬细胞可进行有丝分裂，清除血液中单核巨噬细胞并不影响其原位增殖，而在肝脏和脾脏中则未发现这种现象[36]。脂肪细胞的死亡与巨噬细胞募集密切相关，脂肪组织中90%的巨噬细胞都聚集在死亡的脂肪细胞周围，形成冠状结构，并融合形成多核的巨大细胞，清除脂肪细胞碎片[35]。死亡脂肪细胞也可释放小分子物质，激活巨噬细胞表面toll样受体(Toll-like receptors，TLRs)，进而促其M1型极化和炎症介质释放[37-38]。此外，肥胖动物和人体脂肪组织表现出缺氧现象，可造成巨噬细胞内缺氧诱导因子和糖酵解显著升高，促进巨噬细胞的炎症转录激活[39]。

5 小结

肥胖作为一种代谢性炎症疾病，已经呈现全球蔓延的流行趋势，肥胖人口的剧增不仅严重损害了人类健康，也给医疗卫生带来承重负担。然而，目前针对肥胖及其相关并发症的防治仍缺乏有效手段。巨噬细胞是机体重要的固有免疫细胞，在对抗病菌感染时发挥关键作用，但其不当或过度激活也是多种急慢性疾病的病理基础。肥胖过程中巨噬细胞数量和极化状态显著变化，可能是肥胖发生和发展的重要推手。营养过剩或运动不足情况下，脂肪酸摄入和代谢紊乱可导致脂肪细胞的增生肥大，并通过分泌炎症趋化因子等促进巨噬细胞募集和M1型极化；而巨噬细胞释放的炎症介质可反作用于脂肪细胞，促进其肥大和死亡。二者交互作用形成恶性循环，促进机体局部或全身性炎症、脂肪组织重塑、肝脏损伤和胰岛素抵抗，最终导致肥胖及相关并发症。清除或抑制脂肪组织巨噬细胞蓄积可有效改善高脂饮食引起的动物肥胖、肝损伤和胰岛素抵抗。因此，通过药物靶向性阻断脂肪组织巨噬细胞的募集或M1型极化，可能是肥胖防治研究的新方向。