免疫细胞在棕色脂肪产热及白色脂肪棕色化过程中的功能研究进展

孙文阳 林建春 滚双宝 王金勇

（1. 重庆市畜牧科学院 农业部养猪科学重点实验室，重庆 402460；2. 甘肃农业大学动物科学技术学院，兰州 730070；3. 荣昌普众中医医院，重庆 402460）

肥胖及其相关代谢疾病呈现出向青年化发病的趋势，严重威胁人类健康［1-2］。肥胖是由能量摄入与消耗长期失衡导致的［3］，减少能量摄入及增加能量消耗是肥胖治疗遵循的根本原则，目前肥胖还没有十分有效的临床治疗手段［4］。人体的棕色脂肪组织（Brown adipose tissue，BAT）在一定条件下可消耗能量转化为热量，是一种潜在肥胖治疗靶点［5］，但成年后人肩胛部的BAT 会发生退化［6-7］，正常情况下消耗能量的作用有限。然而，有研究发现成年人受在寒冷刺激后，主动脉旁、锁骨及肾上的白色脂肪组织（White adipose tissue，WAT）内会出现一类棕色化的脂肪细胞［8-10］，被称为米色脂肪细胞（Beige adipocytes）［11］和“brite（brown-in-white）adipocytes”［12］。与BAT 内的棕色脂肪细胞一样，米色脂肪细胞也会表达一系列产热相关基因［13］，可将细胞内储存的能量转化为热量的形式散发［14］，成为肥胖治疗的新靶点［4］。

近些年，生物医学领域致力于研究BAT 产热及WAT 棕色化的机理，以求找到有效的肥胖治疗方法。经典的生理学理论认为BAT 的产热是由神经系统支配的，寒冷的感觉首先由大脑感知，大脑会将信号传递至BAT 内分布的交感神经使其分泌去甲肾上腺素（Norepinephrine，NE），NE 作用于棕色脂肪细胞的β-肾上腺素能受体（β-adrenergic receptor）诱导棕色脂肪细胞脂解产热［15］。但最近的研究发现脂肪组织中的M2 型巨噬细胞（Alternatively activated macrophages，M2 type）、II 型固有淋巴细胞（Type 2 Innate Lymphoid Cells，ILC2s） 和 嗜 酸 性 粒 细胞（Eosinophils）等免疫细胞也可诱导BAT 产热及WAT 发生棕色化，这为肥胖临床疗法的研究提供了新的思路，但这些研究结果存在一些争议，本文将对免疫细胞在BAT 产热及WAT 棕色化过程中的功能作一综述。

1 脂肪细胞及WAT 棕色化

脂肪组织在人体能量稳态的调节方面起到核心作用［16］，可分为WAT 和BAT。WAT 内的白色脂肪细胞可将人体内多余的能量以化学能形式储存，而BAT 内的棕色脂肪细胞的主要功能是将化学能转化为热，用于寒冷环境下体温的维持［17］。然而，后续的研究发现，在寒冷条件的诱导下，人和小鼠的WAT 内的一些白色脂肪细胞线粒体内膜上会大量表达解偶联蛋白-1（Uncoupling protein-1，UCP1），从而分化成为一种类似于棕色脂肪细胞的米色脂肪细胞，这一过程叫做“WAT 的棕色化”［14］。长期的寒冷刺激、运动或过氧化物酶体增殖激活受体-γ（Peroxisome proliferator- activated receptor-γ，PPARγ）激动剂会诱导WAT 的棕色化过程［12，18］。身体不同部位WAT 棕色化的能力有差异，小鼠腹股沟皮下WAT 诱导后很容易发生棕色化，而同样的诱导条件下附睾周的内脏WAT 则表现为棕色化抑制［19-20］。

棕色脂肪细胞和米色脂肪细胞可将葡萄糖和脂肪转化为热能，该过程主要依赖UCP1［5，21］。虽然都具备产热作用，但是两者也存在一些差异，主要有以下几点：第一，两者由不同的前体细胞发育而来，肩胛部的棕色脂肪细胞由肌源性的Myf5+/Pax7+前体细胞分化而来［22-24］，米色脂肪细胞由皮下WAT 中的Myf5-的前体细胞分化而来［25］；第二，米色脂肪前体细胞会特异性的表达一系类基因，如Klhl13，Ear2，Tbx1，Tmem26和CD137［14，26-27］；第三，棕色脂肪细胞会持续的高表达UCP1，但是米色脂肪细胞只有在寒冷、PPARγ 和β-肾上腺素能受体激动剂的诱导下才会上调表达UCP1［14，19，27］。总的来说，棕色脂肪细胞和米色脂肪细胞在机体产热和能量平衡的维持过程中相互补充发挥作用，并有研究证实机体中的米色脂肪细胞与健康的能量代谢及体型维持相关［8，9，28-29］。BAT 和WAT 棕色化成为目前最具前景的肥胖治疗潜在靶点，BAT 的激活及WAT棕色化的机理也成为备受关注的研究热点。

2 免疫细胞对WAT 棕色化的促进作用

WAT 内除含有脂肪细胞外，还含有大量的免疫细胞，如巨噬细胞、嗜酸性粒细胞和ILC2s，在WAT 棕色化过程中发挥重要功能［30-33］。

2.1 M2型巨噬细胞对WAT棕色化的促进作用

最早关于M2 型巨噬细胞参与脂肪组织适应性产热过程的报道是2011 年Nguyen 等［34］发现在冷刺激下野生型BALB/cJ 小鼠BAT 和WAT 中的M2型巨噬细胞会被白细胞介素4（Interleukin-4，IL4）激活，激活后的M2 型巨噬细胞会分泌儿茶酚胺类物质促进BAT 产热基因的表达和WAT 的脂解作用。冷刺激后小鼠BAT 和WAT 内M2 型巨噬细胞的标记基因包括Arg1、Mrc1和Clec10a的表达显著升高，而一些促炎因子包括iNOS、TNFa 和MCP-1 的表达水平降低，说明冷刺激后M2 型巨噬细胞在这两种组织中大量聚集，随后的流式细胞分析也证实了此结果。而Il4/Il13-/-和Stat6-/-敲基因小鼠（Stat6和ILR4a的完全性敲除小鼠，此小鼠模型相当于破坏了IL-4/IL-13 信号通路）则没有此现象的发生，证明了IL-4/IL-13 信号通路在BAT 产热过程中发挥必要的作用。但是由于STAT6 不仅在免疫细胞中表达，在其他类型细胞中也有表达，如脂肪细胞和肝细胞［35］，所以Stat6-/-敲基因小鼠模型不能完全充分的证明是M2 型巨噬细在BAT 产热过程中发挥了特定功能。所以该研究此后又在小鼠骨髓来源的免疫细胞特异性敲除IL-4 的受体ILR4α（相当于特异性敲除巨噬细胞的ILR4α），在冷刺下此小鼠BAT 中不能上调表达产热基因Ucp1、Acox1、Acsl1和Ppargc1a。该研究证明M2 型巨噬细胞确实参与引发BAT 的产热过程［34］。类似作用机理在WAT 中也有发现，野生型C57BL6/J 小鼠受到冷刺激后，WAT 中M2 型巨噬细胞的数量也会增加，并且M2 型巨噬细胞中的酪氨酸羟化酶（tyrosine hydroxylase，Th）的表达量上调，使得M2 型巨噬细胞和成并分泌儿茶酚胺（即NE），从而诱导WAT 棕色化过程的发生［36］。

还有研究发现抑制巨噬细胞中某些基因的表达对可促进其诱导BAT 产热及WAT 棕色化的发生，可以作为肥胖治疗的基因靶点。特异性敲除小鼠巨噬细胞中受体相互作用蛋白140（Receptor interacting protein 140，RIP140）能够改善高脂饮食引起的胰岛素抵抗，同时会增加脂肪组织中M2 型巨噬细胞数量，促进WAT 棕色化［37］。将巨噬细胞中特异性敲除RIP140 小鼠的M2 型巨噬细胞移植到高脂饮食饲喂的野生型肥胖小鼠的WAT 中，会诱发野生型小鼠WAT 发生棕色化，降低脂肪组织的炎症反应，并且能够提高机体胰岛素的敏感性［38］。特异性敲除小鼠巨噬细胞中IREα（Inositol-requiring enzyme 1α）可使脂肪组织中的巨噬细胞更趋向于向M2 型巨噬细胞分化，增加BAT 的产热作用和WAT 的棕色化作用，改善高脂饮食引发的肥胖［39］。

2.2 嗜酸性粒细胞对WAT棕色化的促进作用

嗜酸性粒细胞在WAT 棕色化以及米色脂肪产热过程中发挥了关键作用。有研究发现当小鼠脂肪组织受到冷刺激后会分泌一种镍纹样蛋白（Meteorinlike，Metrnl），Metrnl 会够刺激嗜酸性粒细胞分泌大量IL-4，Metrnl 同时也会直接诱导巨噬细胞分化为M2 型巨噬细胞，增加脂肪组织产热基因和非炎性细胞因子的表达，促进WAT 的棕色化，改善机体对葡萄糖耐受性［40］。还有研究发现WAT 中的嗜酸性粒细胞的增多可以同时提高组织内非炎性细胞因子IL-4 和IL-13 的含量，IL-4 可以促进巨噬细胞的增值，使脂肪组织内聚集更多的M2 型巨噬细胞，从而促进WAT 的棕色化［36，41］。从以上的研究可以看出嗜酸性粒细胞主要是通过刺激M2 型巨噬细胞的增值与分化，从而促进WAT 棕色化的发生，值得注意的是以上研究的结果都只强调了嗜酸性粒细胞和相关细胞因子对于WAT 的棕色化是必要的，但其对BAT 的产热却只有微弱的促进作用。

2.3 ILC2s对WAT棕色化的促进作用

ILC2s 在WAT 棕色化的过程中起到了极为重要的作用，人和小鼠的肥胖的发生都伴随有WAT中ILC2s 减少这一特征［42］，现有的研究结果发现ILC2s 可通过间接与直接作用两种方式促进WAT 的棕色化。ILC2s 可通过促进巨噬细胞的分化间接促使WAT 发生棕色化。IL-33 是激活ILC2s 重要的细胞因子，对WAT 棕色化具有促进作用［42］，研究发现小鼠注射IL-33 后会药理性激活脂肪组织内的ILC2s，激活的ILC2s 会分泌IL-5 和IL-13，IL-5 可激活嗜酸性粒细胞分泌IL-4，IL-4 与IL-13 可共同作用于巨噬细胞使其分化为M2型巨噬细胞，分化后的M2 型巨噬细胞会促进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明显减少，WAT 棕色化的能力也会降低，从而导致肥胖的发生，但当IL-33-/-小鼠注射IL-33 后，WAT又会发生明显的棕色化，并且小鼠不会发生肥胖［42］。ILC2s 还可通过分泌一些细胞因子直接作用与脂肪细胞，使其发生棕色化，研究发现ILC2s 分泌的IL-13与嗜酸性粒细胞分泌的IL-4 可共同作用于PDGFRα（+）脂肪前体细胞膜上的IL-4Rα 受体（IL-4 和IL-13 的重要受体），该信号进一步引发脂肪前体细胞内STAT6 的氧化磷酸化，进而促使PDGFRα（+）脂肪前体细胞增值并向米色前体脂肪细胞分化［43］。此外，ILC2s 还可以通过分泌一种甲硫胺酸-脑啡肽（Methionine-enkephalin，Met-Enk）直接作用成熟的脂肪细胞，促进胞内UCP1 的表达，从而使皮下WAT 发生棕色化，值得注意的是这一过程不需要依赖于嗜酸性粒细胞和M2 型巨噬细胞，并且该通路发生在于白色皮下脂肪组织而不存在于内脏脂肪组织和经典的BAT［42］。

2.4 其它免疫细胞对WAT棕色化的促进作用

有研究报道，iNKT（Invariant natural killer T）细胞产生的FGF21 可参与调控WAT 棕色化过程［44］。FGF21 是BAT 产热及WAT 棕色化的诱导物［45-46］，WAT 中被激活的iNKT 细胞可产生FGF21（Fibroblast growth factor-21），从而诱导WAT 棕色化［44］。激活的iNKT 细胞可在不影响食物摄取量和活动量的情况下增加脂肪酸的氧化和小鼠的体温，降低体重［44］。

3 M2 型巨噬细胞不参与BAT 的产热和WAT 的棕色化过程

通过以上的研究得知，尽管ILC2s（通过Met-Enk）与嗜酸性粒细胞（通过IL-4）能够直接作用于脂肪前体细胞或成熟的脂肪细胞使其发生棕色化，且ILC2s 与嗜酸性粒细胞还可通过间接刺激M2 型巨噬细胞的增值与分化间接促进BAT 的产热及WAT的棕色化作用，嗜酸性粒细胞分泌的IL-4，ILC2s 来源的IL-13 都会刺激诱导M2 型巨噬细胞分泌NE，NE 会刺激脂肪细胞产热及棕色化［34，36］。因此，与前两者相比M2 型巨噬细胞对BAT 产热及WAT 的棕色化具有更直接更主要的作用。人们普遍认为，在冷暴露或者其它产热刺激下，BAT 和WAT 内会聚集大量M2 型巨噬细胞，激活的M2 型巨噬细胞内大量表达Th，进而促进NE 的和成与释放，NE 作用于棕色脂肪细胞和白色脂肪细胞或者它们前体细胞的β3-肾上腺素能受体促使脂肪细胞的产热及棕色化发生，这与脂肪组织内副交感神经释放NE 促进BAT 产热的方式类似。

然而，此后Fischer 等［47］却得出了不同的结论，其认为M2 型巨噬细胞不能表达Th 和分泌儿茶酚胺来促进脂肪组织的适应性产热。Fischer 等［47］认为之前支持M2 型巨噬细胞能够促进WAT 棕色化这个结论的研究有不严谨之处，这些研究中功能缺失实验的小鼠模型都是终生或完全性敲除某些关键基因（例如完全性敲除Il4/13，Il4ra和Stat6，骨髓细胞特异性敲除Il4ra和Th），由于这些关键基因的缺失会伴随小鼠的整个发育与过程（终身Th基因的缺失会导致早期胚胎致死［48］），并且敲除的基因有些也在中枢神经系统表达，因此可能会影响交感神经调控，所以这些实验的得到的结果不能严谨的说明是哪一方面单一因素（免疫细胞或者是神经调控）在WAT 棕色化过程中发挥功能。基于这一点，Fischer等［47］究构建了在骨髓来源的细胞中时空特异性敲除Th基因的小鼠模型，实现了在成年小鼠造血细胞（包括巨噬细胞）中敲除Th基因，该小鼠在室温或冷暴露环境中的体重、能量消耗和核心体温与野生型小鼠均无差异，而冷刺激下其腹股沟皮下脂肪UCP1的表达量未下降而比野生型小鼠高，这表明M2 巨噬细胞中Th基因的缺失不影响WAT 棕色化。随后体外试验证实了在IL-4 的刺激下骨髓来源的巨噬细胞不会分泌NE，并且不能诱导脂肪细胞内产热基因Ucp1的上调表达。长期的IL-4 刺激并不能增加野生型小鼠，Ucp1-/-和Il4ra-/-小鼠的能量消耗、体重和儿茶酚胺的水平。最后该研究得出结论M2型巨噬细胞不能表达Th 并和成儿茶酚胺，所以其并不能促进BAT 的产热及WAT 棕色化过程［47］。但是对于此研究，也有不少质疑。其中又人提出该研究对于Th基因的定量方法是不严谨的，此外脂肪细胞体外培养实验（只涉及了M2 巨噬细胞）缺少了内体其他可诱导脂肪棕色化相关的细胞配体和细胞系，这种未能完全模拟体内环境的试验会影响实验的结果［49］。也有一些研究结果支持Fischer 等［47］的结论，Chi 等［50］利用了一种脂肪组织的三维成像的方法从组织形态学的角度研究了WAT 的棕色化的过程，该研究发现小鼠皮下脂肪组织中分布的交感神经有大量Th 表达，而巨噬细胞中并不表达Th。

还有一些研究发现巨噬细胞能够抑制WAT 的棕色化。Pirzgalska 等［51］发现一种附着于脂肪组织内交感神经分布的巨噬细胞，即交感神经相关的巨噬细胞（Sympathetic neuron-associated macrophages，SAMs），SAMs 表达一种NE 的转运体SLC6A2（solute carrier family 6 member 2）可将NE 转运至胞内，在细胞内表达的单胺氧化酶A（Monoamine oxidase A，MAOA）的作用下，NE 会发生降解，从而起到清除组织内NE 的作用。在SAMs 中敲除Slc6a2会增加小鼠BAT 的含量，引起WAT 的棕色化，增加机体产热，持续降低肥胖小鼠的体重。Camell 等［52］发现脂肪组织中的巨噬细胞酶解NE 的能力会随着机体的衰老而增加的，并且与机体衰老引起的脂解能力的降低相关。

4 M2 型巨噬细胞通过其它途径（非自身合成NE）影响WAT 棕色化过程

通过上述综述我们知道M2 型巨噬细胞能够自身合成分泌儿茶酚胺从而促进WAT 的棕色化过程，但也有一些研究报道M2 型巨噬细胞可以通过其他的途径影响WAT 棕色化过程。Reitman 等［49］总结了前人的研究结果对此问题进行了讨论，并罗列出了20 多种可能的假说。Lee 等［53-54］提出M2 型巨噬细胞可以通过去除脂肪组织中组织中死亡的脂肪细胞改善脂肪组织内的炎性环境（WAT 的炎性环境不利于棕色化的发生），或者分泌PPARγ 作用于米色前体脂肪细胞促进其脂解产热等方式促进WAT 棕色化。Chung 等［55］通过体外实验证明M2 型巨噬细胞可以通过直接接触和非接触的方式提升脂肪细胞UCP1 的表达。Wolf 等［56］发现在巨噬细胞中敲除Mecp2（Transcription factor methyl-CpG-binding protein 2）可以改变BAT 内交感神经的分布和神经细胞内NE 信号通路，从而改变BAT 内UCP1 的表达和产热作用，这种方式虽然不能在短时间内影响BAT 对产热刺激的敏感性，但是可通过一种长期的作用方式改变BAT 产热作用。

5 展望

肥胖已经成为威胁人类健康的全球性问题，目前还没有有效的治疗方法。棕色和米色脂肪因其具有消耗能量这一生理学特性，已成为一种潜在的肥胖治疗靶点，如何诱导棕色脂肪的产热及米色脂肪的产生已成为学术界研究的热点问题。前期研究发现M2 型巨噬细胞、ILC2 和嗜酸性粒细胞等一些免疫细胞能够促进BAT 产热以及WAT 棕色化，特别是M2 型巨噬细胞能够自身合成分泌儿茶酚胺促进WAT 的棕色化过程，这些发现使肥胖的临床治疗成为可能。但是后期的一些研究却得到了相反的结论，认为M2 型巨噬细胞无法自身合成NE 促进WAT 的棕色化过程，还有一些研究发现某些特殊类型的巨噬细胞可抑制WAT 的棕色化。直到现在M2 型巨噬细胞是否对BAT 产热以及WAT 棕色化具有促进作用仍然是一个备受争议的问题，也将是今后研究的热点问题。造成这些结果相矛盾的原因可能有不同的试验设计、生物试剂、试验动物和实验条件等。因此，可能需要通过其它的研究角度和思路（M2 型巨噬细胞是否通过其他作用方式而不是通过分泌NE来促进WAT 的棕色化），更严谨试验设计或者更新的试验方法去解决。

到目前为止，研究人员也尝试从其它的研究角度（非自身合成NE）去研究和阐明M2 型巨噬细胞在WAT 棕色化的作用，并且也得到了一些进展。这些研究结果给我一些新的启示和思路去探究M2 型巨噬细胞在BAT 的产热和WAT 的棕色化的功能。