脂肪组织衰老的细胞学改变及其分子机制研究进展

叶雅芬，杨颖，韩峻峰

（上海交通大学医学院附属第六人民医院内分泌代谢科，上海市糖尿病研究所，上海 200233）

脂肪组织是机体重要的能量储存器和内分泌器官，参与维持代谢稳态。脂肪组织衰老是增龄或DNA 损伤、线粒体功能障碍和有丝分裂持续激活等多种压力刺激导致组织功能减退的状态[1]，其表现为脂肪细胞衰老，干细胞或免疫细胞的蓄积及这3 种细胞衰老相关分泌表型。其中，衰老相关分泌表型产生的促炎细胞因子和趋化因子可介导机体发生广泛低度慢性炎症，进一步加速衰老进程[2]。通过干预以恢复脂肪组织功能，可改善组织炎症和肌肉力量，从而延缓机体衰老进程并延长寿命[3]。因此，脂肪组织是衰老干预的潜在靶点，全面了解脂肪组织衰老的细胞生物学改变及其分子机制具有重要意义。本文就近年来对脂肪组织衰老的新进展及干预措施作一综述。

脂肪组织分类及功能

一、分类

脂肪组织主要分为白色脂肪组织（white adipose tissue,WAT）、棕色脂肪组织（brown adipose tissue,BAT）和米色脂肪组织3 种类型。WAT 根据其生理分布又分为皮下脂肪组织和内脏脂肪组织，参与脂质储存和动员、细胞因子分泌以及免疫调节。而BAT 含量在新生儿时期最高，成人主要分布于颈部、肾上腺、椎旁以及大血管周围，主要参与调节能量消耗和糖脂代谢。米色脂肪组织可在冷暴露和交感神经兴奋条件下产生，散在分布于皮下脂肪组织[4]。

二、功能

能量摄入过剩时，WAT 增加，将能量转化为脂质形式储存；产热时，脂肪组织摄取循环游离脂肪酸，以非颤抖性产热方式消耗能量[5]；而当能量摄入不足时，储存在WAT 中的甘油三酯分解，释放游离脂肪酸，供其他组织氧化利用[5]。因此，脂肪组织功能的维持在机体营养感应和能量代谢中发挥着重要作用。

脂肪组织由脂肪细胞和血管基质细胞成分组成，而后者占脂肪组织总细胞数的60%～80%，包括脂肪祖细胞和干细胞、内皮细胞以及多种类型的免疫细胞[4,6]。基于单细胞测序分析发现，脂肪祖细胞和干细胞包含脂肪干细胞、前体脂肪细胞和脂肪生成调节因子，这些不同的细胞亚群沿脂肪分化成脂轨迹排序，形成了严格的层次结构[7]。脂肪组织免疫细胞群包括淋巴细胞、第2 组先天淋巴细胞、巨噬细胞和嗜酸性粒细胞等，调节组织稳态和新陈代谢[8]。不同类型细胞的质量和相对比例的动态重塑对于脂肪组织正常功能的维持十分重要。

随着年龄的增长，脂肪组织中成熟脂肪细胞和血管基质细胞成分均可发生衰老，呈现脂肪细胞功能紊乱或血管基质细胞分化受限[9]。脂肪祖细胞数量和质量受损将导致脂肪组织更新障碍，而脂肪组织细胞成分的改变则能诱导其能量储存和消耗功能障碍，最终导致营养感应失调。

脂肪组织衰老的定义和表现

细胞衰老是受端粒磨损、DNA 损伤、氧化应激或癌基因激活等多种细胞应激源刺激而出现的不可逆的生长停滞，其表现为细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂（P21 和P16）的上调、DNA 损伤增加、β-半乳糖苷酶活化和衰老相关分泌表型等衰老表型[10]。

细胞衰老被认为是组织功能障碍的重要原因。脂肪组织衰老是指在增龄或肥胖等生理条件及病理条件下，脂肪细胞、祖细胞和干细胞等多种细胞发生衰老，呈现丰度、分布、细胞成分和内分泌信号等方面的显著变化以及相应表型，融合了慢性低度炎症、大分子损伤、祖细胞功能障碍和细胞衰老等多种特征的脂肪组织功能退化[10-11]。

同时，脂肪组织衰老也是全身衰老的早期表现和促发因素[11-12]。有研究对处于10 个不同年龄段小鼠的17 个器官进行RNA 测序后发现，中年小鼠的WAT 比其他器官更早出现衰老相关的分子变化[12]。故有学者提出，年龄相关的机体微环境改变部分源于WAT。在年龄相关的血浆蛋白变化和各器官相应基因的表达丰度的关联性分析研究中，发现了骨膜蛋白等8 种来源于WAT 的血浆蛋白，这可能是促进全身衰老的关键因素[8,12]。因此，干预脂肪组织衰老过程有助于延缓机体衰老。

近年来，脂肪组织衰老的特征及其细胞生物学的改变、分子机制的调控颇受关注。以下，笔者将根据脂肪组织的分类，对脂肪组织衰老的细胞学和分子生物学特征研究进展，进行详细阐述。

一、WAT

WAT 具有脂质储存、能量释放和内分泌信号转导等功能。脂肪组织衰老发生后，脂肪细胞数量和大小改变、免疫细胞浸润、胰岛素信号转导及儿茶酚胺信号通路受损等，可导致脂质储存和分解失调。

1.脂质储存减少：脂肪生成受损是WAT 脂质储存减少的原因之一。（1）具有分化潜能的脂肪祖细胞和干细胞丰度是皮下脂肪组织扩张的重要决定因素。随着年龄的增长，脂肪祖细胞和干细胞的增殖和分化能力逐渐下降[13]。近期，Nguyen 团队通过酶解年轻小鼠和老年小鼠的皮下脂肪组织，分离并鉴定了CD34+Pdgfrα+Pref-1+的衰老依赖性调节细胞（aging-dependent regulatory cell，ARC）。该细胞在48 周龄小鼠皮下脂肪组织中被检出，并呈年龄依赖性特异性上调，该细胞群炎症标志基因和趋化因子表达显著增加，同时促脂肪形成基因Dusp10 表达降低，而Id3、Klf2 和Klf7 等抗脂肪形成基因显著上调[14]。体外细胞培养实验中，成脂标志基因检测及油红O 染色实验进一步证实ARC 分化为成熟脂肪细胞的功能受损，且其可分泌Ccl6 等趋化因子，抑制前体脂肪细胞的增殖和分化，进一步导致前脂肪细胞数量减少和脂肪生成减少[14]。

（2）脂肪细胞肥大：脂肪细胞肥大可导致WAT 脂质储存减少。脂肪细胞肥大是对营养过剩的适应性反应，可维持脂肪组织对多余能量的缓冲能力并保护其他组织免受脂毒性。当超过一定阈值时，肥大的脂肪细胞将丧失营养缓冲能力，导致脂质储存功能受损，外周组织发生脂质异位沉积[15]。白色脂肪细胞随着身体质量指数的增加或年龄的增加而肥大，肥大的脂肪细胞表面积/体积比值降低，导致营养储存和转运效率低下，从而促进脂肪组织功能障碍和全身代谢紊乱[16]。既往研究发现，人皮下脂肪组织及内脏脂肪组织中的脂肪细胞大小与糖化血红蛋白水平均呈正相关[15]。关于细胞肥大的机制，最新研究报道，肥胖和高胰岛素血症可激活细胞周期程序，诱导成熟脂肪细胞完成分裂间期S期，并滞留于G2期，促使细胞核DNA 复制，导致脂肪细胞肥大和早衰[1]。

（3）免疫细胞浸润：免疫细胞浸润是影响脂肪组织脂质储存的关键因素。随着单细胞测序技术的发展，越来越多研究关注到脂肪组织驻留免疫细胞在脂肪组织发育和代谢维持中的作用。内脏脂肪组织驻留巨噬细胞在衰老相关分泌表型作用下极化为M1 促炎型，高表达组织烟酰胺腺嘌呤二核苷酸消化酶CD38，揭示了烟酰胺腺嘌呤二核苷酸减少与内脏脂肪细胞衰老间的因果关系[17]。在老年人类和小鼠内脏脂肪组织中组织驻留记忆T 细胞表型（CD44highCD62LlowCD69+）的γδ T 细胞表达增加，如清除后，可降低内脏脂肪组织和全身白细胞介素6 水平，缓解组织衰老相关炎症[18]。

此外，调节性T细胞（immune regulatory T cell，Treg 细胞）在生理条件下具有免疫抑制性，在脂肪组织中可抑制效应T 细胞和其他免疫细胞的活性以维持胰岛素敏感性，但衰老小鼠内脏脂肪组织中Treg 细胞增多，导致了胰岛素抵抗，推测免疫细胞的时空动态平衡是脂肪组织功能维持所必需的[19]。老化的脂肪组织中的B 细胞在雌鼠中呈现年龄依赖性增加，而将其清除后可改善老年小鼠内脏脂肪组织中Treg 细胞的积累，从而改善免疫重塑[20]。组织驻留免疫细胞在衰老状态下会分泌炎性细胞因子，引起组织炎症，从而阻断胰岛素信号通路，导致脂肪细胞储存脂质减少[20]。

衰老脂肪组织中脂肪细胞数量和大小的改变均可直接影响脂肪细胞脂质储存，而免疫细胞的浸润也可通过影响前体脂肪细胞的分化或胰岛素信号通路等间接影响脂质储存。

2.脂质分解受损：正常情况下，小鼠饥饿时交感神经系统分泌儿茶酚胺，促进脂肪细胞的脂质分解[5]。而在老年小鼠内脏脂肪组织中，炎性小体NLRP3 促使脂肪组织巨噬细胞高表达儿茶酚胺降解酶单胺氧化酶A，从而阻断儿茶酚胺信号[21]。此外，炎性小体NLRP3 刺激老年雌鼠内脏脂肪组织组织驻留老化脂肪B 细胞扩增，损害胰岛素敏感性和脂肪分解[20]。敲除老年小鼠的NLRP3 基因，禁食诱导下的脂肪分解恢复，循环游离脂肪酸增加，进而维持冷暴露下老年小鼠的核心温度[20-21]，说明脂质分解受到脂肪组织炎症的影响。NLRP3 炎性小体是先天免疫细胞的一种细胞内模式识别受体，可被多种损伤相关分子模式激活，但在WAT 中的具体触发因素仍然未知[20]。

二、BAT

BAT 以耗能、产热为主。近年来发现，BAT 可作为内分泌器官，通过自分泌或旁分泌方式发挥作用。BAT 衰老主要表现为产热受损和内分泌功能紊乱。

1.产热受损：BAT 产热能力可能与脂质成分、细胞类型、能量摄入和利用相关，产热脂肪细胞数量减少或活化受限、能量底物摄取和氧化不足以及线粒体呼吸链复合物酶活性的降低均可导致机体产热受损。

老年小鼠棕色脂肪细胞肥大，多房小脂滴逐渐变大。代谢组学揭示细胞中脂质沉积以神经酰胺增多为主[22]。体外实验用神经酰胺C16 处理前脂肪细胞后，成脂基因和产热基因的表达均下调，表明脂肪细胞分化受损[22]。棕色脂肪细胞生成减少导致衰老过程中脂肪组织更新受阻，加剧了代谢功能障碍。

单细胞测序技术揭示，BAT 中存在2 种不同的类型，分别为高表达UCP1 的高产热细胞群和高脂肪酸摄取的低产热细胞群。正常情况下，冷暴露诱导大量低产热细胞向高产热细胞转化；而在中老年小鼠中，这种细胞转化受损，导致脂肪产热功能障碍[23]。冷暴露时，BAT 摄取酰基肉碱作为β氧化的重要底物，为产热提供能量燃料。老年小鼠肝酰基肉碱合成减少，BAT 摄取并储存的能量燃料不足，导致BAT 产热减少[22,24]，而补充肉碱恢复其循环水平后，能够有效改善年龄相关的产热功能不良[24]。此外，线粒体脂酰化受损导致老年小鼠对BAT 中脂质利用不足，也可影响产热功能。老年小鼠BAT 线粒体Fe-S 簇形成减少，线粒体酶的必需辅因子硫辛酸合成不足，导致线粒体脂酰化水平降低[25]。Bola3 作为铁硫（Fe-S）簇形成的调节因子，在老年小鼠BAT 中表达降低，线粒体复合物Ⅰ/Ⅱ活性和耗氧率均降低[25]。补充低剂量的α-硫辛酸通过Bola3 介导的Fe-S 簇形成途径，增强老年小鼠BAT 中的线粒体酶活性，特异性地恢复线粒体脂酰化，从而部分恢复老年小鼠的BAT 产热[25]。

2.内分泌功能受损：BAT 除了进行非颤抖性产热外，还能够分泌成纤维细胞生长因子21、骨形成蛋白、白细胞介素6、12，13-diHOME 等多种分泌因子，以自分泌或旁分泌的方式对能量代谢造成局部或者系统性影响[26]。在冷暴露或者运动状态下，BAT 能分泌12,13-diHOME 作用于自身或骨骼肌，从而促进循环脂肪酸的摄取[27]。相同运动水平下，老年人BAT 的12，13-diHOME 分泌减少[28]。然而，目前对大多数棕色脂肪细胞因子的功能以及衰老状态下如何改变尚不清楚。

BAT 的质量和活性在衰老过程中逐渐丧失，机体基础代谢率降低，导致胰岛素抵抗、肥胖和2 型糖尿病等慢性代谢性疾病的发生。识别影响棕色脂肪细胞生成以及调节产热的分子或代谢物，对了解BAT 在衰老状态下的局部或全身调节的分子机制是必要的。

三、米色脂肪组织

米色脂肪组织衰老主要表现为米色脂肪细胞数量减少所介导的适应性产热受损。米色脂肪细胞数量减少受到多种因素的调节，包括米色脂肪细胞所处的WAT 微环境、脂肪祖细胞衰老、白色脂肪细胞向米色脂肪细胞转分化以及米色脂肪细胞的维持等。

米色脂肪组织散在分布于WAT中，受WAT 组织微环境的影响。WAT 中的第2 组先天淋巴细胞分泌甲硫氨酸脑啡肽，直接作用于脂肪细胞的阿片类生长因子受体，可正向调节米色脂肪的生物合成[29]。而这种第2 组先天淋巴细胞数量呈现年龄相关的减少，与年轻小鼠相比，老年小鼠在冷暴露条件下的米色脂肪细胞生成减少，核心体温降低[19]。

脂肪祖细胞衰老也是米色脂肪细胞减少的重要原因之一。米色脂肪细胞起源于血管周围的平滑肌样祖细胞，表达平滑肌肌动蛋白（smooth muscle actin，SMA）。分离年轻小鼠和老年小鼠的米色脂肪祖细胞（SMA+），比较后发现，老年小鼠SMA+祖细胞呈现β 半乳糖苷酶活化等衰老表型，且向米色脂肪细胞分化受损[30]。有研究构建了SMA+米色脂肪祖细胞特异性敲除Ink4a/Arf 基因的小鼠模型（12 个月龄），结果发现，清除衰老祖细胞能够逆转老年小鼠冷暴露诱导的米色脂肪生成障碍[30]。此外，衰老过程中米色脂肪细胞向白色脂肪细胞转分化也可造成米色脂肪细胞数量减少。赖氨酸特异性去甲基化酶1（lysine-specific demethylase 1,Lsd1）是一种表观遗传擦除酶，其可激活PPARα，维持脂肪细胞米色化[31]。30 周龄的中年小鼠皮下脂肪组织中Lsd1 表达下调，经苏木素-伊红染色后可发现米色脂肪细胞白色化。脂肪特异性过表达Lsd1后，与同周龄对照小鼠相比，米色脂肪细胞形态和产热相关基因的表达均得以维持；而对10 周龄小鼠脂肪组织特异性敲除Lsd1 基因后，米色脂肪细胞向白色脂肪细胞转分化增加[31]。然而，目前对于米色脂肪细胞生成及维持机制的了解仍不足，衰老过程中米色脂肪细胞分化或转分化如何调节还需要进一步研究。

针对脂肪组织衰老的干预

药物治疗、热量限制和基因编辑可能是改善甚至逆转脂肪组织衰老有前景的治疗手段。

一、药物治疗

药物治疗是延缓脂肪组织衰老的主要干预方案。长期、低剂量应用过氧化物酶体增殖物激活受体γ 激动剂罗格列酮，可减少老年小鼠年龄依赖性的脂肪丢失，改善衰老WAT炎症和纤维化，在维持脂肪组织稳态和改善胰岛素敏感性中发挥作用[32]。衰老细胞裂解法（即联用达沙替尼和槲皮素选择性地靶向清除衰老细胞）治疗正在进行临床试验，结果显示，接受为期11 d 治疗的糖尿病肾病老年患者脂肪组织中高表达P16INK4A 和P21CIP1 的（P16High/P21High）衰老细胞数量和衰老相关分泌表型均减少[33]。然而值得注意的是，大多数p16High 细胞是肝血窦中的内皮细胞。动物实验显示，靶向清除p16High 细胞会诱导肝脏和血管周围组织纤维化[34]，因此，在开发脂肪组织特异性清除衰老细胞的治疗和干预药物时，需明确药物的不良反应。

二、热量限制

热量限制对于延缓脂肪组织衰老也有一定作用。动物实验表明，热量限制能够缓解与年龄相关的皮下脂肪组织功能紊乱，并减轻组织炎症，促进皮下脂肪组织褐变[35]。耶鲁大学的一项多中心随机对照试验，对238 名非肥胖、代谢健康的成年人分组，进行为期2 年的自由饮食或14%热量限制饮食，结果显示，与自由饮食组相比，热量限制组脂肪组织的线粒体生物合成、抗炎及长寿相关基因表达均得以改善。热量限制降低了免疫细胞源性蛋白PLA2G7，而PLA2G7 靶向NLRP3 炎性小体，并可能通过调节免疫代谢介导脂肪组织炎症改善和延长寿命[36]。

三、基因编辑

基因编辑能够不同程度地缓解脂肪组织功能障碍。近年来，高速发展的成簇规律间隔的短回文重复序列（clustered regularly interspaced short palindromic repeats，CRISPR）基因编辑技术逐渐应用于肥胖领域，可能是肥胖症和糖尿病等代谢性疾病的有效治疗手段。哈佛医学院的一项研究使用CRISPR-dCas9 技术增强人白色脂肪祖细胞中解偶联蛋白1的表达，诱导脂肪祖细胞分化为具有产热功能的类人米色脂肪细胞，并将其移植到高脂饮食喂养的肥胖小鼠中，结果显示，相比移植白色脂肪细胞的小鼠，移植经改造的人米色脂肪细胞的小鼠体重减轻，白色脂肪组织的比例显著降低，胰岛素敏感性得以改善[37]。此外，与普通小鼠相比，Toll 样受体4 基因敲除（TLR4-）小鼠的内质网应激减少，年龄相关的脂肪组织炎症减缓。TLR4-老龄小鼠P16、P21 等衰老标志基因表达降低，葡萄糖耐量明显改善[38]。然而，基因编辑技术尚未应用于人类肥胖症等的治疗。深入研究脂肪组织衰老的具体分子机制，寻找关键的基因靶点是基因治疗的重要前提。

结语和展望

脂肪组织衰老是衰老的早期信号和促发因素[11-12]。3 种不同类型的脂肪组织分别发挥能量储存、消耗以及细胞因子分泌等不同的功能，参与维持能量稳态。脂肪组织衰老过程中各细胞组分的质量或相对数量发生改变，导致脂肪组织功能失调和代谢灵活性降低，表现为白色脂肪组织脂质储存和分解减弱，产热脂肪组织产热受损及分泌功能紊乱，伴随着组织炎症、脂毒性和胰岛素抵抗，促进2 型糖尿病、动脉粥样硬化、脂肪肝及其他年龄相关代谢性疾病的发生[10]。通过药物治疗、热量限制以及基因编辑等治疗方式可延缓或逆转脂肪组织衰老，有助于维持机体代谢稳态并延长健康寿命。目前脂肪组织衰老的干预主要处于动物实验阶段，靶向清除衰老细胞的 “衰老细胞裂解法” 已经进入临床试验。未来应当继续深入探究不同类型脂肪组织功能异常的分子机制，开发延缓脂肪组织衰老的新靶点，争取早日开展具备安全性及伦理正当性的临床试验。