王瑜 崔景秋

天津醫(yī)科大學總醫(yī)院內分泌代謝科 300052

流行病學資料顯示，肥胖及相關代謝異常的全球發(fā)病率在過去30年顯著提高，這也導致2型糖尿病、非酒精性脂肪性肝病、動脈粥樣硬化、心血管疾病及某些類型的腫瘤發(fā)生風險增加。限制食物熱量攝入及胃旁路手術，調節(jié)食欲及通過體育運動促進能量消耗是目前治療肥胖常用的方法，但還有一些無法預計的不良反應。因此，需要進一步研究更加有效的肥胖治療策略。對小鼠研究顯示，棕色脂肪組織(BAT)產熱活性降低或白色脂肪組織(WAT)棕色化缺失可導致飲食誘導的肥胖[1-2]。BAT主要存在于頸部、鎖骨上、肩胛間、腎周及腋下，以產熱的形式消耗能量，包括非顫栗性產熱和飲食誘導產熱。WAT主要以甘油三酯的形式儲存多余的能量，在外部刺激如寒冷刺激下，發(fā)生棕色化，可出現(xiàn)棕色或米色脂肪細胞。研究顯示，寒冷刺激及交感神經系統(tǒng)活性增加均可增加BAT活性及WAT棕色化[3]。腸道菌群是宿主代謝穩(wěn)態(tài)和能量平衡的重要調節(jié)因子。腸道菌群的代謝產物如短鏈脂肪酸及結構成分如脂多糖，在肥胖及其相關代謝性疾病的發(fā)展中具有重要作用。近期研究發(fā)現(xiàn)，腸道菌群也是調節(jié)BAT活性和WAT棕色化的重要內源性因子[4]。本文對此方面的研究進展作一綜述。

1 腸道菌群調節(jié)WAT棕色化及BAT活化的研究證據(jù)

1.1 來自無菌動物的研究結果 腸道菌群通過代謝活動，與宿主進行相互作用，從而調節(jié)宿主的能量攝入與儲存。研究顯示，無菌小鼠能量攝入顯著降低，表現(xiàn)為盲腸肥大、腸絨毛變細、炎性反應降低[5]。Mestdagh等[4]探討了無菌狀態(tài)對能量代謝的作用，發(fā)現(xiàn)無菌小鼠BAT活化相關的代謝產物如D-3-羥丁酸脫氫酶增加，表明BAT的脂肪分解代謝過度激活。Suárez-Zamorano等[6]研究顯示，接受抗生素治療的小鼠皮下及腹部脂肪W(wǎng)AT棕色化增加，棕色脂肪標志物[如解耦聯(lián)蛋白(UCP)1、Cidea、過氧化物酶體增殖物活化受體(PPAR)α、PPAR協(xié)同刺激因子(PGC)1α]的表達增加。對遺傳性肥胖及飲食誘導肥胖小鼠的研究顯示，菌群清除對WAT具有調節(jié)作用，可引起脂肪量及脂肪細胞肥大減少、糖耐量及胰島素敏感性的改善。給接受抗生素治療小鼠或無菌小鼠重新移植腸道菌群可降低其糖耐量、胰島素敏感性，使白色脂肪重量及脂肪細胞體積增加，白色脂肪棕色化基因表達降低，腹股溝皮下及性腺周圍WAT中炎性反應增加。這些代謝改變是由嗜酸性粒細胞浸潤，2型細胞因子如白細胞介素(IL)-4、IL-13及IL-15信號轉導增強及M2型巨噬細胞極化介導的。IL-4通過使M2型巨噬細胞活化，表達酪氨酸羥化酶，使去甲腎上腺素水平及產熱基因表達增加，誘導beige脂肪細胞產生、增加，M2型巨噬細胞活化，與菌群清除野生型小鼠相比，菌群清除IL-4基因敲除小鼠表現(xiàn)為對寒冷刺激的反應受抑制，糖耐量減低，同時腹股溝皮下WAT棕色化減少，胰島素敏感性降低。菌群清除通過增加WAT中2型細胞因子的表達，促進WAT棕色化，形成beige細胞。抑制2型細胞因子，可抑制抗生素誘導的皮下WAT棕色化，表明存在腸道菌群-脂肪軸，參與肥胖及其相關的代謝疾病的發(fā)生。將BALB/cJ雄性小鼠飼養(yǎng)在不同的溫度條件下，研究熱平衡狀態(tài)(30℃)、室溫狀態(tài)(22℃)及快速處于4℃后巨噬細胞的活化狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)巨噬細胞活化參與了寒冷暴露下BAT活化及WAT棕色化[7-8]。但也有一些相反的研究結果，F(xiàn)ischer等[9]發(fā)現(xiàn)長期的IL-4處理沒有增加野生型、UCP1基因敲除及IL-4基因敲除小鼠的能量消耗，認為巨噬細胞活化不會增加兒茶酚胺的量，不會促進WAT棕色化或誘導BAT對寒冷刺激的活化。厚壁菌門及擬桿菌門是兩種重要的腸道菌群，參與脂質和蛋白質代謝，維持宿主的能量平衡。Hwang等[10]在飲食誘導肥胖前給予C57BL/6J小鼠飲水中加入抗生素，降低腸道中厚壁菌門及擬桿菌門的量，發(fā)現(xiàn)糖耐量減低、高胰島素血癥、胰島素抵抗得到緩解，但是小鼠的體重、腹部脂肪面積、總體脂肪量沒有明顯改變。研究者認為厚壁菌門和擬桿菌門沒有影響WAT棕色化及BAT活化。因此，腸道菌群清除與WAT棕色化及BAT活化的關系還需進一步研究。

1.2 人群研究 研究者對34名肥胖者進行研究，探討脂肪組織棕色化標志物基因表達與腸道菌群的相關性，結果發(fā)現(xiàn)，胰島素抵抗者擬桿菌門和變形菌門豐度增加，而厚壁菌門豐度降低。厚壁菌門與皮下WAT棕色脂肪細胞標志物(PRDM16、UCP1、2型脫碘酶)呈正相關，但是與腹部WAT無關。厚壁菌門家族瘤胃菌科在寒冷刺激后增加，與血漿乙酸水平升高有關，而后者與皮下WAT中PRDM16(beige/棕色脂肪細胞標志物)表達及胰島素敏感性呈正相關[11]。因此，腸道菌群的不同組分與脂肪組織棕色化和胰島素作用有關，其機制與循環(huán)乙酸水平升高有關。另外，腸道菌群組分的改變與能量吸收增加顯著相關，厚壁菌門降低、變形菌門及擬桿菌門增加與胰島素抵抗、2型糖尿病的發(fā)生密切相關[12]。腸道菌群與WAT棕色化及BAT活化的人群研究開展的還不是很多，還需進一步明確二者之間的關系。

2 生理性應激條件下腸道菌群對WAT棕色化及BAT活化的調節(jié)作用

2.1 間歇性空腹與熱量限制 研究者對隔日空腹小鼠和隨意進食小鼠進行研究，發(fā)現(xiàn)隔日空腹可選擇性誘導腹股溝皮下WAT棕色化，使WAT中UCP1 mRNA表達增加，但是肩胛間BAT僅輕度增加，且UCP1表達受抑制，其他的產熱基因如PGC-1α、2型脫碘酶的表達也未上調。進一步分析顯示，隔日空腹可顯著下調小鼠BAT、WAT中β腎上腺素能受體mRNA表達，因此認為其誘導的WAT棕色化可能獨立于β腎上腺素能受體信號通路[13]。研究顯示，空腹和飲食節(jié)律可調節(jié)腸道菌群[14]。Li等[13]研究發(fā)現(xiàn)，與隨意進食小鼠相比，隔日空腹小鼠的小腸長度增加，厚壁菌門豐度增加，厚壁菌門/擬桿菌門比值增加，且與腹股溝皮下WAT攝取葡萄糖增加有關，因此認為隔日空腹可能通過調節(jié)腸道菌群的組分，調節(jié)WAT棕色化。將來自隔日空腹小鼠的腸道菌群(EODF-microbiota)和隨意進食小鼠的腸道菌群(AL-micobiota)移植到菌群清除小鼠體內，發(fā)現(xiàn)與AL-micobiota相比，EODF-micobiota可顯著增加移植后小鼠小腸長度，上調WAT中棕色脂肪特異性標志物UCP1 mRNA的表達。將腸道菌群清除后，隔日空腹對WAT棕色化的調節(jié)作用減弱，因此認為隔日空腹的作用是由腸道菌群介導的。Fabbiano等[15]研究顯示，短期熱量攝入限制可以改變腸道菌群構成，使乳桿菌科和丹毒絲菌升高，厚壁菌門、擬桿菌門和疣微菌科降低。將來自熱量限制小鼠的腸道菌群移植到無菌小鼠體內，發(fā)現(xiàn)腹股溝皮下WAT中小的多腔的細胞數(shù)量增加，而大的單個腔的細胞數(shù)量減少，UCP1陽性細胞增多，表明細胞發(fā)生了棕色樣變。

2.2 寒冷暴露 寒冷暴露在腸道菌群對WAT棕色化及BAT活化中的作用非常重要。棕熊在冬眠期間腸道菌群的多樣性降低，厚壁菌門及放線菌門水平降低，而在活動期如夏季，擬桿菌門水平增加。擬桿菌門增加可能在飲食缺少多糖的情況下，促進宿主多糖的分解，或提高宿主代謝蛋白及脂肪的能力，而厚壁菌門降低可能表明飲食纖維的減少。這些改變同時伴有體重的降低及脂肪的減少[16]。Chevalier等[17]研究顯示，寒冷暴露導致腸道菌群的組分發(fā)生改變，糞便及盲腸厚壁菌門的數(shù)量超過擬桿菌門，而疣微菌門幾乎缺失，促進WAT棕色化，增加能量消耗。給無菌小鼠移植寒冷刺激小鼠體內的菌群可以改善其胰島素敏感性，降低脂肪細胞體積，同時腹股溝及性腺WAT出現(xiàn)脂肪組織棕色化，以及棕色脂肪細胞相關的基因表達。同時，丙酸鹽、丁酸鹽、乳酸、琥珀酸酯水平升高，細菌的發(fā)酵活性、能量攝入及腸道吸收能力增加。在健康狀態(tài)下，A. muciniphila是有益的微生物及預測因子。在小鼠和人類，A.muciniphila豐度與體重、脂肪量、胰島素抵抗及糖耐量呈負相關，在肥胖及相關代謝性疾病中其顯著降低，寒冷暴露可以降低A. muciniphila的豐度，增加體重[18-19]。給予A. muciniphila可以預防肥胖相關的代謝異常，降低體重及脂肪量、肝內脂肪堆積、動脈粥樣硬化的發(fā)生，改善胰島素敏感性、糖耐量，恢復腸道表皮完整性。對盲腸微生物組分的分析顯示，與熱平衡條件相比，寒冷暴露2 d菌群的系統(tǒng)多樣性即有降低。寒冷暴露1 d后脫鐵桿菌門增加，疣微菌門降低。12℃暴露6 d，擬桿菌門增加，厚壁菌門降低。寒冷相關的微生物可誘導BAT活化。

2.3 內源性大麻素系統(tǒng)(ECS) 內源性大麻素是一種神經遞質分子，可以與大麻素樣受體(CB)特異結合。高脂高糖飲食可以誘導血漿N-花生四烯酰乙醇胺(AEA)及2-arachidonoyl-glycerol(2-AG)水平升高，同時腸道菌群組分發(fā)生改變。飲食或益生菌改變腸道菌群組分，可以影響ECS，反過來，ECS也可以影響腸道菌群，二者相互影響。AEA通過作用于CB1受體，調節(jié)食欲與能量穩(wěn)態(tài)[20]。Mehrpouya- Bahrami等[21]研究發(fā)現(xiàn)，阻斷CB1可顯著增加腸道A.muciniphila豐度， 降低毛螺旋菌科、韋榮球菌科豐度，調節(jié)巨噬細胞炎性因子，改善飲食誘導的肥胖和代謝異常。Napepld基因編碼ECS合成酶，Geurts等[22]研究發(fā)現(xiàn)，脂肪組織特異性敲除Napeld基因小鼠，腸道菌群組分也發(fā)生改變。與野生型小鼠相比，Napeld基因敲除小鼠脂肪組織體重增加、脂肪量增加，脂肪細胞肥大、血漿脂多糖水平升高。進一步對Napepld基因敲除小鼠的WAT進行研究，發(fā)現(xiàn)脂肪組織代謝相關基因UCP1表達降低，炎性相關基因表達脂多糖結合蛋白(LBP) mRNA增加?；蚯贸∈笤诤浔┞肚闆r下WAT棕色化受抑制(UCP1、Cidea、PGC-1α表達降低)。給Napepld基因敲除小鼠用抗生素處理，發(fā)現(xiàn)糖耐量和胰島素抵抗得到改善，表明腸道菌群對能量和葡萄糖穩(wěn)態(tài)有直接的作用。

3 腸道菌群調節(jié)WAT棕色化及BAT活化的機制

3.1 膽汁酸 膽酸和鵝去氧膽酸等初級膽汁酸經肝臟合成并分泌至腸道，被腸道微生物群轉化為次級膽汁酸，以促進營養(yǎng)物質的消化和吸收。腸道菌群通過激活法尼酯衍生物X受體(FXR)和G蛋白耦聯(lián)膽汁酸受體-5(TGR-5)，從而調節(jié)宿主代謝功能[23-24]。寒冷暴露通過改變脂蛋白合成通路，影響肝臟膽固醇向膽汁酸的轉化，導致血漿及糞便膽汁酸增加，BAT活性及產熱增加。抑制膽汁酸的合成及分泌可以降低寒冷誘導的菌群組分的改變，減少產熱反應[25]。Zi?tak等[26]研究發(fā)現(xiàn)，寒冷環(huán)境引起參與初級膽汁酸的生物合成及結合的肝酶顯著增加，促進膽固醇轉化為初級膽汁酸。只需寒冷暴露1 d即可以改變腸道菌群及膽汁酸的組成，表明這些改變獨立于脂肪組織的減少。移植了寒冷暴露小鼠腸道菌群的小鼠脂肪量下降，產熱相關基因、蛋白表達增加，糖耐量改善，同時肝臟經典的膽汁酸合成通路上調，膽汁酸合成增加。FXR激動劑FEX可以促進腸道菌群組分的改變，導致次級膽汁酸合成增加，刺激TGR5/胰高血糖素樣肽-1，引起WAT棕色化，脂肪棕色化相關基因UCP-1、2型脫碘酶、PGC-1α表達增加。Acetatifactor是膽汁酸誘導產生的厭氧菌，與WAT棕色化有關。腸道菌群清除后再口服FEX，發(fā)現(xiàn)FEX的代謝作用依賴于腸道菌群[27]。另外，β-Klotho基因缺陷小鼠膽汁酸水平升高，BAT活性增加。β-Klotho基因缺陷導致肝產生的膽酸升高，引起菌群來源的脫氧膽酸升高，激活TGR5，使BAT活化，產熱增加。口服鵝脫氧膽酸可增加BAT活化，增加能量消耗[28]。因此，腸道菌群通過調節(jié)初級膽汁酸與次級膽汁酸的轉換，調節(jié)宿主的產熱。

3.2 短鏈脂肪酸 腸道微生物將不能消化的碳水化合物進行代謝，其代謝主要產物是短鏈脂肪酸，如乙酸鹽、丙酸鹽、丁酸鹽。間歇性空腹導致腸道菌群組分改變，在羅伊氏乳桿菌作用下，丙酮酸酵解產生乙酸和乳酸，導致血清及盲腸乙酸及乳酸水平升高[13]。研究顯示，飲食中補充乙酸、丙酸及丁酸，可以顯著降低高脂飲食誘導肥胖小鼠的體重。其機制為短鏈脂肪酸可以誘導脂肪組織表達G蛋白耦聯(lián)受體(GPR)43、GPR41，但降低結腸GPR43及GPR41的表達，影響腸道菌群的組分，誘導beiges脂肪細胞形成，增加線粒體生物合成，抑制慢性炎性反應[29-31]。將C57BL/6小鼠分為正常飲食組及高脂飲食組，給予納米顆粒包裹的乙酸，觀察其對代謝的影響，發(fā)現(xiàn)乙酸是脂肪組織棕色化的誘導因子[32]。單羧酸轉運體-1(MCT-1)負責脂肪細胞乙酸和乳酸的跨膜轉運。研究發(fā)現(xiàn)，BAT與WAT可以表達MCT-1，且其表達受生理性促脂肪棕色化因子的調節(jié)[33]。隔日空腹小鼠WAT中MCT-1基因表達增加，同時血清乙酸和乳酸水平升高。因此，隔日空腹通過調節(jié)腸道菌群組分，影響乙酸、乳酸的水平，從而調節(jié)WAT棕色化。對飲食誘導肥胖小鼠的研究顯示，間歇性空腹通過調節(jié)腸道菌群，增加乙酸和乳酸的生物合成，誘導WAT棕色化。

3.3 脂多糖 研究發(fā)現(xiàn)，高脂飲食導致的脂多糖水平升高與核心體溫降低、熱量釋放減少有關，同時還伴有內質網(wǎng)應激及線粒體功能障礙。而熱量限制可降低LBP水平，從而降低脂多糖水平，減少體重增加，改善糖耐量，而重新給予脂多糖可逆轉上述作用[15]。脂多糖通過與Toll樣受體4(TLR4)結合發(fā)揮作用。給高脂飲食小鼠注射TLR4抑制劑，其體重增加減少，糖耐量改善。TLR4基因敲除熱量限制小鼠與基因敲除隨意進食小鼠相比，糖耐量改善，腸道菌群結構發(fā)生改變，WAT中嗜酸性粒細胞及M2型巨噬細胞增多，WAT棕色化。抑制脂多糖-TLR4信號通路，可導致WAT炎性反應降低，同時WAT棕色化增加，胰島素敏感性及脂肪肝得到改善[18]。脂多糖通過激活TLR4，引起線粒體功能障礙，從而抑制WAT棕色化[34]。血漿LBP水平升高與肥胖及胰島素抵抗有關。LBP/TLR4軸與脂肪細胞炎性反應有關。LBP基因敲除可影響WAT棕色化，但不影響B(tài)AT活性。LBP基因敲除小鼠不會發(fā)生高脂飲食引起的體重及脂肪量的增加，脂肪棕色化標志物基因如UCP1、2型脫碘酶表達增加，腹股溝WAT多空泡脂肪細胞數(shù)量增加。在熱量限制時，降低脂多糖可以緩解WAT的炎性反應，增加其棕色化，改善胰島素敏感性，而重新給予脂多糖可抑制上述有益的作用。

綜上所述，生理性應激狀態(tài)、腸道菌群組分改變及產生的代謝產物與菌群結構組分改變可以調節(jié)WAT棕色化及BAT活化，改善肥胖相關的代謝異常，但還需進一步研究闡明腸道菌群及脂肪組織棕色化在肥胖者中的具體作用機制。