王蕊 何玉秀

1河北師范大學體育學院人體運動生物信息測評河北省重點實驗室（河北石家莊 050024）

2河南師范大學體育學院（河南新鄉(xiāng) 453007）

肥胖及其相關代謝性疾病如2型糖尿病、動脈粥樣硬化、脂肪肝等不僅影響個體壽命及生活質(zhì)量，也給社會造成巨大經(jīng)濟負擔。從能量平衡角度理解，肥胖是由于能量過剩導致脂肪在脂肪細胞內(nèi)儲存過多造成的。眾所周知，運動是有效減肥的基本措施之一，這不僅表現(xiàn)在運動過程中直接消耗能量，而且還有運動后的持續(xù)消耗能量效應。運動誘導的白色脂肪組織棕色化（beiging of white adipose tissue）即可增加脂肪組織適應性產(chǎn)熱以持續(xù)消耗能量。

脂肪組織中的免疫細胞除了可以引起低度代謝性炎癥與胰島素抵抗外[1]，還可以通過誘導白色脂肪組織棕色化而調(diào)節(jié)能量代謝[2]。其中巨噬細胞在運動誘導白色脂肪組織棕色化過程中可能發(fā)揮重要作用。

1 白色脂肪組織棕色化的概念和意義

通常把哺乳類動物體內(nèi)脂肪分為兩種：白色脂肪組織（white adipose tissue,WAT）和棕色脂肪組織（brown adipose tissue,BAT）。白色脂肪組織中出現(xiàn)類似棕色樣脂肪細胞的過程即為白色脂肪組織棕色化，這種類似棕色樣脂肪細胞又稱米色脂肪細胞（beige adipocyte），此組織又稱米色脂肪組織（beige adipose tissue)[3]。米色脂肪細胞與典型棕色脂肪細胞的區(qū)別在于前者只有受到寒冷、運動或β腎上腺素受體激動劑等刺激時，細胞內(nèi)線粒體才能表達解偶聯(lián)蛋白1（uncoupling protein 1,UCP1)，脂肪組織適應性產(chǎn)熱增加，從而消耗能量[4-6]。米色脂肪細胞內(nèi)含多房脂滴和大量線粒體，區(qū)別于白色脂肪細胞的單房大脂滴和少量線粒體的特點[3]。

米色脂肪細胞有多種發(fā)育途徑，一種是通過成熟的白色脂肪細胞的分化轉(zhuǎn)移而來[7,8]；另一種直接由固定的早期B細胞發(fā)育因子2和血小板衍生生長因子受體α陽性的（EBF2+PDGFRα+）前體脂肪細胞分化形成[9,10]；也有研究認為其與平滑肌細胞有一定的同源性[11]。結(jié)果不一致的原因可能是實驗技術(shù)有限或不同，也有可能是轉(zhuǎn)移和直接分化同時存在，但脂肪細胞是否經(jīng)歷過米色刺激不得而知，比如，實驗取材時白色脂肪細胞可能已接受過棕色化趨向的刺激，又或者預編碼的米色細胞脂肪細胞假扮成白色脂肪細胞存在，當有適宜刺激時才表現(xiàn)出米色的表型[12]。關于米色脂肪細胞標記物的研究，Wu等[13]分析嚙齒類動物腹股溝皮下脂肪組織中出現(xiàn)Tbx1、Tmem26和CD137即為米色脂肪細胞；Ussar等[14]認為米色脂肪細胞表面標志為質(zhì)子輔助氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白2（proton assistant amino acid transporter-2,PAT2），但Garcia等[15]認為在體實驗因刺激強度、年齡等因素的差異會限制這些標記物的作用，調(diào)節(jié)生熱的標記物UCP1、誘導細胞死亡DNA片斷化因子a樣效應因子A（Cell Death-Inducing DFFA-Like Effector A,CIDEA）和細胞色素C氧化酶VIIIb亞基（Cytochrome C Oxidase Subunit VIIIb,Cox8b）是評價活體生物白色脂肪棕色化的最佳選擇。

棕色和米色脂肪細胞組織內(nèi)含大量線粒體并表達UCP1，可以消耗能源底物產(chǎn)生熱量，因此在治療肥胖及2型糖尿病等代謝性疾病中受到關注。人體內(nèi)棕色脂肪組織一直被認為只存在于嬰兒和兒童期，但是用18F氟脫氧葡萄糖正電子發(fā)射體層掃描技術(shù)可觀測到成年人體內(nèi)也存在棕色脂肪組織[16,17]，且其含量與年齡呈負相關，老年人群體內(nèi)棕色脂肪含量與BMI也呈負相關[18]。白色脂肪組織中出現(xiàn)米色脂肪細胞后，不僅起到消耗能量的作用，還可以對白色脂肪組織進行改造重塑，包括微血管、交感神經(jīng)纖維增多，改善脂肪組織纖維化及提高胰島素敏感性等，有助于調(diào)節(jié)全身能量消耗和糖脂穩(wěn)態(tài)[19]。因此，誘導機體白色脂肪組織棕色化和激活棕色脂肪組織將是治療和預防肥胖及相關代謝性疾病的有價值研究方向。

2 巨噬細胞對白色脂肪組織棕色化的影響

白色脂肪組織中除了成熟的脂肪細胞外，還有血管基質(zhì)部分（stromal vascular fraction,SVF）細胞，包括內(nèi)皮細胞、前脂肪細胞和各種免疫細胞。免疫細胞中巨噬細胞因數(shù)量和功能的優(yōu)勢，對調(diào)節(jié)能量代謝平衡具有重要作用。在健康小鼠和人體中，巨噬細胞的數(shù)量大約占脂肪組織中SVF細胞總數(shù)的10%～15%，而肥胖者體內(nèi)可達到45%～60%，且巨噬細胞分泌的腫瘤壞死因子α（tumor necrosis factor-alpha,TNFα）等炎性因子可能是代謝性炎癥最初的貢獻者[20]。

肥胖形成過程中，脂肪組織內(nèi)的巨噬細胞位置發(fā)生改變，并從抗炎表型轉(zhuǎn)變?yōu)榇傺妆硇?，即從M2型轉(zhuǎn)變?yōu)榉逝謺r的M1型為主[21]。轉(zhuǎn)變機制有兩種理論解釋，一種認為是血液循環(huán)中單核細胞受到誘導并浸入脂肪組織后轉(zhuǎn)變而來，即經(jīng)典炎癥刺激引起的單核細胞募集[22]；另一種認為是由白介素4（interleukin-4，IL-4）介導脂肪組織中固有巨噬細胞增殖及轉(zhuǎn)變[23]。前者的優(yōu)點是大量巨噬細胞在組織中聚集發(fā)揮作用，但這種方式代價較大，需要血液循環(huán)池的補充維持；相反，IL-4介導的2型炎癥的局部增殖對骨髓代償要求較低。對ob/ob小鼠注射氯磷酸二鈉脂質(zhì)體消除血液中的單核細胞后，脂肪組織固有巨噬細胞仍具有增殖能力，單核細胞趨化因子1（monocyte chemotactic pro?tein-1,MPC-1）與巨噬細胞相應的趨化因子受體2（CC chemokine receptor type 2,CCR2）結(jié)合刺激脂肪組織中固有巨噬細胞增殖，這種增殖并不依賴于單核細胞的募集[24]。

脂肪組織中巨噬細胞因局部微環(huán)境變化而表現(xiàn)出不同的表型，這種變化受不同的細胞信號途徑調(diào)控，巨噬細胞受體（IL-1R、TNFR、TLR2/4）[25]感受白介素1β（interleukin-1β,IL-1β）、TNF-α、飽和脂肪酸和脂多糖（lipopolysaccharides,LPS）的變化，觸發(fā)IkKβ[26]和c-Jun氨基末端激酶（c-Jun N-terminal kinase,JNK）[27]信號通路，導致核因子kB（Nuelearfactor-kappaB,NF-kB）、c-JNK、干擾素調(diào)節(jié)因子 3（interferon regulatory fac?tor-3,IRF3)和干擾素調(diào)節(jié)因子 5（interferon regulato?ry factor-5,IRF5)活化使巨噬細胞表型為M1型，促炎基因表達增加并產(chǎn)生炎癥因子；Th2型細胞分泌IL-4通過信號轉(zhuǎn)導與轉(zhuǎn)錄激活因子6（signal transducers and activators of tranion,STAT6）信號途徑和轉(zhuǎn)錄因子過氧化物酶體增殖物激活受體γ（peroxisome prolifer?ator-activated receptorgamma,PPARγ）、過氧化物酶體增殖物激活受體δ（peroxisome proliferator-activated re?ceptorgamma,PPARδ）和 Krüppel樣因子 4（Krüppellike factor4,KLF4）等調(diào)節(jié)使巨噬細胞表現(xiàn)為M2型[28]，一方面和調(diào)節(jié)性T（Treg）細胞共同作用分泌白介素10（interleukin-10,IL10）增加脂肪組織胰島素敏感性，另一方面可直接分泌兒茶酚胺類物質(zhì)促使棕色脂肪活化和米色脂肪形成，增加產(chǎn)熱和能量消耗[29]。M2表型產(chǎn)生抗炎蛋白包括Ym1、精氨酸酶1和IL-10[22]，M1表型則產(chǎn)生大量促炎因子，分泌TNF-α、誘導型一氧化氮合酶（inducible nitric oxide synthesis,iNOS）和IL-6[21]。

2.1 巨噬細胞M M1 1表型對白色脂肪棕色化的影響

小鼠高脂飲食后，巨噬細胞中轉(zhuǎn)錄輔助因子受體相互作用蛋白140（（receptor-interacting protein140,RIP140）明顯增加，可通過NF-kB信號通路促進巨噬細胞浸潤WAT并向M1型轉(zhuǎn)化形成胰島素抵抗，而當巨噬細胞RIP140降低時，M1表型減少并轉(zhuǎn)為M2表型時促使WAT棕色化[30]。M1巨噬細胞還可通過整合素α4與脂肪細胞的血管細胞粘附分子-1（vascular cell ad?hesion molecule-1,VCAM-1）結(jié)合，兩者粘合加劇巨噬細胞炎癥反應，使脂肪細胞激活胞外信號調(diào)節(jié)激酶（ex?tracellular regulated protein kinases,Erk）信號通路以抑制UCP1表達，抑制皮下白色脂肪組織棕色化以降低脂肪消耗速度；而敲除或藥物作用抑制整合素α4后，冷刺激下肥胖癥小鼠UCP1表達增加[31]。高脂飲食誘導肥胖C57BL/6小鼠皮下脂肪組織中M1巨噬細胞浸潤，冷刺激下UCP1表達下降；糖尿病模型KK-Ay小鼠腹腔內(nèi)注射巨噬細胞清除劑氯磷酸二鈉脂質(zhì)體后，皮下脂肪組織中M1巨噬細胞明顯下降，TNFα mRNA表達水平降低，冷刺激后UCP1表達增加；再將正常C57BL/6小鼠腹腔內(nèi)注射TNFα后，冷刺激下皮下脂肪組織表達UCP1又減少，研究者由以上三個實驗推斷巨噬細胞M1引起的脂肪組織炎癥可抑制脂肪細胞UCP1表達進而減少組織能量消耗[32]。后有研究證實M1分泌的TNFα通過抑制cGMP信號通路阻斷白色脂肪細胞轉(zhuǎn)化為米色脂肪細胞[33]。因此，高脂飲食可使小鼠白色脂肪組織中M1巨噬細胞浸潤增加并產(chǎn)生細胞因子，不僅造成胰島素抵抗而且還抑制脂肪組織棕色化的產(chǎn)生從而降低能量消耗。

2.2 巨噬細胞M M2 2表型對白色脂肪棕色化的影響

體外實驗認為巨噬細胞RAW264.7細胞株未受刺激時兒茶酚胺含量較低，脂多糖刺激48小時后，可檢測到酪氨酸羥化酶（tyrosine hydroxylase,TH）mRNA，細胞外兒茶酚胺和細胞內(nèi)多巴胺含量增加，并以NE為主；用兒茶酚胺合成抑制劑α-甲基-副-酪氨酸（α-MPT）則降低細胞外NE水平；巨噬細胞不僅產(chǎn)生去甲腎上腺素（norepinephrine，NE），也表達β2腎上腺素受體，NE與β2腎上腺素受體結(jié)合可促進巨噬細胞向M2表型轉(zhuǎn)化，形成旁分泌環(huán)自動調(diào)節(jié)兒茶酚胺類分泌水平[34]。2011年，Nguyen等[35]用M2巨噬細胞條件培養(yǎng)基培養(yǎng)3T3-L1脂肪細胞，可導致脂滴包被蛋白和激素敏感性脂肪酶磷酸化，以說明M2巨噬細胞有助于脂肪細胞內(nèi)甘油三脂分解；小鼠在體實驗中，短時間冷刺激可增加WAT和肩胛間BAT中M2型巨噬細胞的數(shù)量，并產(chǎn)生TH，以合成兒茶酚胺促進白色脂肪細胞內(nèi)甘油三酯分解，游離脂肪酸被轉(zhuǎn)運入棕色脂肪細胞與β3腎上腺素受體結(jié)合增加產(chǎn)熱以消耗能量，說明M2巨噬細胞在適應性產(chǎn)熱過程中發(fā)揮重要作用。2014年，該研究團隊發(fā)現(xiàn)嗜酸性粒細胞分泌IL4，通過IL-4/IL-13-STAT6信號通路使小鼠腹股溝皮下脂肪組織巨噬細胞向M2表型轉(zhuǎn)化并分泌NE促使米色脂肪細胞形成[36]。因此，這打破了對于外周NE只有交感神經(jīng)節(jié)后纖維和腎上腺髓質(zhì)分泌的傳統(tǒng)認知。但在2017年，F(xiàn)ischer等[37]敲除成年小鼠造血干細胞TH后，冷刺激下能量消耗沒有改變，腹股溝脂肪組織棕色化也并沒有減少，而且在野生型小鼠體內(nèi)注入IL-4并沒有增加能量消耗，推斷M2型巨噬細胞不能合成足夠兒茶酚胺類物質(zhì)，并不是引起脂肪細胞代謝或適應性產(chǎn)熱的直接原因。同年，Zhang等從骨髓中分離出M2巨噬細胞，間隔一周分兩次注入高脂飲食誘導肥胖C57BL/6N小鼠尾靜脈內(nèi)，第二次注射后一周發(fā)現(xiàn)小鼠腹股溝皮下脂肪組織明顯減少，附睪和皮下脂肪細胞縮小，附睪脂肪組織中M2巨噬細胞比例和UCP1表達增加[38]。關于M2巨噬細胞對白色脂肪組織棕色化的影響除去NE的作用外，是否還存在其他的分子作用機制有待進一步研究。

因此，脂肪組織中的巨噬細胞與白色脂肪組織棕色化有一定的相關性，有可能為肥胖的治療提供有效的新靶點。

3 運動對白色脂肪組織棕色化的影響

機體內(nèi)的白色脂肪組織主要包括皮下脂肪（subcu?taneous WAT,sWAT）和內(nèi)臟脂肪（visceral WAT,vWAT），分布有明顯的性別差異，男性通常腹部脂肪較多，而女性則在臀部和腿部皮下脂肪較多[39]。過多的vWAT可增加胰島素抵抗和2型糖尿病的風險[40]。對于人類，由于脂肪組織活檢技術(shù)創(chuàng)傷性的限制，運動影響白色脂肪棕色化研究結(jié)果較少。有研究對47名健康男性進行6個月的運動干預后，其大腿脂肪組織活檢顯示棕色化標志物PRDM16、TBX1、TMEM26和CD137與運動前無顯著性差異[41]，原因可能是這些指標并不適合評價人類脂肪組織棕色化，或取材的部位并不是出現(xiàn)棕色化的位置[42]。但是，人類在某些疾病狀態(tài)下確實存在白色脂肪棕色化的過程，嗜鉻細胞瘤的病人在腎周和大網(wǎng)膜脂肪組織中出現(xiàn)棕色化[43,44]；嚴重燒傷病人皮下脂肪出現(xiàn)棕色化，并可能與免疫細胞聚集、交感神經(jīng)興奮和去甲腎上腺素的分泌有關[45,46]；癌癥惡病質(zhì)狀態(tài)下也可以出現(xiàn)皮下脂肪組織棕色化[47]。但運動是否可以誘導人體白色脂肪組織棕色化仍需進一步的研究。

相比較而言，這方面的動物研究取得較多的成果。初步證實運動可通過增加脂肪組織交感神經(jīng)的分布，下丘腦釋放神經(jīng)營養(yǎng)因子、骨骼肌釋放細胞因子，如irisin、metrnl[33,48-50]、肌肉抑制因子和β氨基異丁酸等誘導白色脂肪組織棕色化[51]，以消耗能量減少脂肪堆積。C57BL/6小鼠自主跑轉(zhuǎn)輪11天后（總運動量為70±8 km）sWAT中出現(xiàn)米色脂肪細胞標記基因Prdm16、PGC1α、Cidea，胞內(nèi)含多房脂滴，脂肪組織耗氧量增加[40]；8周跑臺運動（15m/min,40min/day,5d/week）后附睪脂肪細胞內(nèi)線粒體、PGC1α及UCP1增加[48]。6周齡SD雄性大鼠適應性訓練1周，再經(jīng)過8周跑臺訓練后（28 m/min,60 min/d,5 d/week），腹股溝sWAT出現(xiàn)棕色化現(xiàn)象，但附睪vWAT中不明顯[52]；4周齡雄性SD大鼠8周高脂飲食誘導建立肥胖模型，進行8周跑臺運動（17 m/min,45 min/d,約66%VO2max）后，腹股溝sWAT出現(xiàn)棕色化現(xiàn)象，但腹膜后及腎周vWAT未見此現(xiàn)象[53]；10周齡雄性SD大鼠進行1周的急性跑臺運動后（18 m/min,60 min/d,5 d/week,約60%VO2max），腹膜后和附睪周圍vWAT內(nèi)出現(xiàn)UCP1表達增加。而6周齡SD大鼠完成8周遞增負荷爬梯訓練后（初始負荷：50%體重，每次遞增30 g，直到完成8次爬梯訓練或無法完成整個爬梯高度，每3天進行1次），腹股溝sWAT和附睪vWAT均無棕色化現(xiàn)象[52]。綜上，運動可以誘導嚙齒類動物白色脂肪組織棕色化，并有部位差異性。運動誘導腹股溝sWAT棕色化，但對vWAT的影響結(jié)果并不一致，其原因可能與取材位置有關，也可能與不同部位的脂肪細胞代謝、分化和凋亡的差異性[54,55]有關。

4 運動對脂肪組織巨噬細胞的影響

規(guī)律性運動可減少慢性代謝性及心血管疾病，部分原因可歸因于運動的抗炎作用[56]。雖然某些運動會增加炎癥介質(zhì)如TNFα、IL1β和C反應蛋白的釋放，但其只發(fā)生在馬拉松、鐵人三項等極限運動后，與機體肌肉損傷甚至內(nèi)毒素增加有關[57]，大多數(shù)情況下運動發(fā)揮其抗炎作用。有研究認為運動改善脂肪組織炎癥狀態(tài)與抑制脂肪組織中巨噬細胞浸潤或/和巨噬細胞表型轉(zhuǎn)換有關[58]。

無論急性運動還是長期運動均對脂肪組織巨噬細胞產(chǎn)生影響（見表1）。急性運動雖然未引起脂肪組織巨噬細胞數(shù)量明顯改變，但對其亞型產(chǎn)生影響，出現(xiàn)從促炎M1表型向抗炎M2表型的轉(zhuǎn)變。這可能與運動刺激的量沒有達到一定程度有關，也可能因為巨噬細胞數(shù)量的改變需要一定的周期。長期運動干預后脂肪組織巨噬細胞數(shù)量和表型均有所改變，進一步證實長期運動刺激可通過巨噬細胞的改變發(fā)揮降低脂肪組織炎癥狀態(tài)的作用。這些研究中運動干預對象以嚙齒類動物居多，并局限在附睪內(nèi)臟脂肪組織，而人體研究則局限于腹部皮下脂肪；運動干預方式均為游泳或跑臺，運動強度以中等持續(xù)運動為主。未來研究可關注運動對不同部位脂肪組織中巨噬細胞的影響結(jié)果是否一致，也可嘗試改變運動強度及運動方式如抗阻性運動來全面觀察運動對脂肪組織巨噬細胞的影響。

表1運動對脂肪組織巨噬細胞的影響

5 巨噬細胞在運動誘導白色脂肪組織棕色化中的可能作用

冷刺激下正常健康嚙齒類動物的皮下白色脂肪組織易出現(xiàn)UCP1的表達，而高脂飲食誘導肥胖小鼠UCP1表達減少。這與白色脂肪組織巨噬細胞數(shù)量及表型的轉(zhuǎn)變有密切關系，隨之巨噬細胞釋放的細胞因子改變影響白色脂肪組織適應性產(chǎn)熱。嚙齒類動物進行運動干預后，白色脂肪組織也會出現(xiàn)UCP1的表達，無論皮下還是內(nèi)臟脂肪組織均有證實；而運動能減少附睪脂肪組織巨噬細胞數(shù)量并改變表型以改善局部代謝性炎癥狀態(tài)，是否可以猜想巨噬細胞在運動誘導白色脂肪組織棕色化的過程中發(fā)揮一定的作用，因為皮下脂肪組織[66]和肩胛棕色脂肪組織受交感神經(jīng)支配較多，而目前研究并沒有認為內(nèi)臟脂肪組織含有豐富的交感神經(jīng)支配。

關于運動對脂肪組織內(nèi)巨噬細胞的影響機制中，某些細胞因子起到重要作用。其一，如Metrnl，又稱Meteorin-like，曾因其不同的功能被稱為Cometin、Sub?fain或IL-39，后有學者建議統(tǒng)一用Metrnl作為其基因唯一編碼的蛋白質(zhì)[67]。機體運動后骨骼肌中PGC-1α4表達增加使Metrnl蛋白上調(diào)，后者不直接作用于脂肪細胞，而是誘導嗜酸性粒細胞進入脂肪組織中并分泌IL-4和IL-13，從而促進巨噬細胞轉(zhuǎn)變?yōu)镸2型，產(chǎn)生去甲腎上腺素促進米色脂肪生熱作用[36]，促進皮下和附睪白色脂肪組織棕色化[50]。其二，如脂聯(lián)素，是脂肪細胞分泌的細胞因子，從多方面發(fā)揮作用以對抗一系列的肥胖相關問題，如胰島素抵抗、心血管疾病和癌癥等。有研究認為脂聯(lián)素增加可促進固有巨噬細胞向抗炎的M2型轉(zhuǎn)換并增殖以誘導白色脂肪組織棕色化[68]。

6 總結(jié)與展望

能量攝入過多增加白色脂肪細胞儲存甘油三酯從而使脂肪組織形態(tài)和功能發(fā)生變化，可引發(fā)代謝性炎癥及胰島素抵抗。白色脂肪組織中不均勻分散出現(xiàn)米色脂肪細胞將增加機體適應性產(chǎn)熱以消耗能量，從而改善脂肪組織功能紊亂，可成為治療或預防肥胖及相關疾病的一個重要靶點。運動可使脂肪組織中巨噬細胞數(shù)量和表型發(fā)生改變，巨噬細胞釋放的細胞因子影響白色脂肪組織棕色化，因此認為巨噬細胞在運動誘導白色脂肪棕色化中發(fā)揮一定作用，具體的影響機制有待深入探究。而運動處方包含許多要素，對脂肪組織巨噬細胞和白色脂肪棕色化的影響是否存在運動形式差異性及運動量-效關系也需要更加明確。

另外，通常用UCP1作為對白色脂肪組織棕色化產(chǎn)熱效應的評價，近來有研究發(fā)現(xiàn)肌酸和磷酸肌酸的無效循環(huán)也是另外的產(chǎn)熱途徑，因此對于白色脂肪組織棕色化的評價指標有待于完善和全面。