第一节　代谢性炎症及其原因与分子机制

一、代谢性炎症的概念及特征

早期的研究发现，2型糖尿病患者应用水杨酸钠后出现血糖水平下降，这提示炎症与代谢性疾病的发展可能存在一定的关联。自从1995年首次在肥胖患者的脂肪组织中检测到TNF-α的表达以来，慢性炎症在肥胖、胰岛素抵抗和2型糖尿病中的作用受到高度重视。在肥胖患者的血液循环中可见炎性介质如唾液酸、淀粉样多肽、CRP、IL-1、IL-6和TNF-α水平的增高。在高脂肪饮食引起的肥胖小鼠模型中也发现存在系统性的炎症特征。因此，肥胖导致的慢性炎症是连接并发症如胰岛素抵抗和其他代谢性疾病的重要桥梁和病理生理学基础。为区别于由感染或创伤等引起的、以“红、肿、热、痛”为特征的传统急性炎症反应，2006年Hotamisligil首次提出了“代谢性炎症”（metabolic inflammation，meta-inflammation）的概念。

代谢性炎症是由脂肪细胞、巨噬细胞等启动和维持的，不仅参与了代谢产物的输出，而且还介导了炎症因子的释放。白色脂肪组织很可能是代谢性炎症起源的主要场所，但是在某种程度上，其他代谢组织，如肝脏、胰腺和肠道微生物也是代谢性炎症的重要来源。代谢性炎症的主要特征：①代谢性，即营养物质及其代谢产物诱导的代谢细胞相互作用而产生的炎症反应；②系统性，即多器官组织参与，通过改变局部免疫细胞的构成，促进炎症细胞的聚集，形成多种组织的促炎环境；③温和性，与急性炎症反应相比，代谢性炎症是慢性的低峰度炎症反应，即炎症信号通路激活后诱导机体产生低峰度的炎性介质；④持续性，即持续性存在的细胞因子表达和免疫细胞的浸润，维持长期慢性炎性状态；⑤低代谢率，即在慢性炎症状态下，机体代谢速率降低。因此，代谢性炎症可以定义为：营养素及其代谢产物过剩导致的、由多种器官组织（主要是脂肪组织、肝脏等）、细胞和细胞因子参与的慢性系统性低峰度炎症。

二、代谢性炎症发生的原因

代谢系统和免疫系统是人类生存最基本的要素系统。在长期的进化过程中，各种生物都形成了代谢和免疫反应的公共通路。机体对最原始的病原体和营养物质的感应系统是统一的，所以营养物质的摄入除了可引起代谢系统的反应外，还可像病原体一样诱发免疫系统的紊乱。同样，病原体的入侵不但会诱发免疫系统的紊乱，也会导致代谢系统的失衡。因此，免疫反应与代谢调节是高度整合、相互依赖的两个系统，它们之间的相互作用可以被看作机体稳态调节的核心机制，一旦出现功能紊乱，将会引发一些慢性疾病如肥胖、脂质异常、脂肪肝、糖尿病和高血压。

在生物进化的早期，生存能力的高低和是否会被淘汰取决于是否有足够的忍受饥饿的能力和对病原体强大的免疫力。因此，生物体必须使机体合理地分配和有效地利用能量，并把多余的热量储存起来，以应对食物缺乏。由于营养物质的长期匮乏，机体内与合成代谢信号通路有关的关键分子如胰岛素/胰岛素生长因子等被阻滞，用于合成代谢的能量减少，随着社会的进步和经济的发展，营养物质不再匮乏甚至过剩时，人类的进化还未来得及适应这种营养过剩的状态，代谢系统尤其是胰岛的功能将难以应对，胰岛素出现缺乏或相对缺乏。此时，机体大量的能量被用于合成代谢，而保障供给免疫和炎症的活化的能量减少，免疫应激和炎症系统被活化，导致代谢性炎症。因此，代谢性炎症发生的原因就是营养物质过度摄入诱发的代谢和免疫紊乱，其本质是代谢状态与炎症和免疫反应信号转导通路不相适应。这种在营养物质匮乏时期曾经是优点的代谢方式在营养物质过剩时却成了肥胖以及糖脂代谢紊乱相关疾病发生的基础。

代谢性炎症产生的炎性介质可以触发细胞、实验动物和人体发生胰岛素抵抗，引起代谢综合征，即使在没有肥胖等其他因素的情况下也可发生。在营养物质和代谢过剩时，更多的代谢性炎症发生，又进一步破坏了代谢功能，进而导致更加严重的应激和炎症，形成恶性循环，导致代谢紊乱的进一步恶化。

三、代谢性炎症发生的分子和细胞机制

（一）代谢性炎症发生的分子机制

代谢性炎症发生的分子机制目前还不十分清楚。Wellen等发现在小鼠脂肪细胞中存在着六次跨膜蛋白STAMP2（six-tram-membrane protein of prostate 2，STAMP2），STAMP2是协调营养物和炎症反应、使代谢达到动态平衡的重要因素。在ob/ob小鼠内脏脂肪组织中STAMP2显著减少。STAMP2敲除小鼠的内脏脂肪组织中炎症因子表达增加，产生胰岛素抵抗、葡萄糖耐量降低、脂质异常、脂肪肝、炎症和氧化应激，造成自发性代谢综合征。由此可见，机体在进化过程中产生STAMP2参与的代谢和炎症反应共同的整合作用，使内环境趋于稳定。

近来研究认为，模式识别受体（PRRs）也参与代谢性炎症过程，这与肠道细菌代谢产物入血后作用于单核巨噬细胞有关。PRRs包括Toll样受体（TLR）和其他识别内毒素等细胞代谢产物的受体。TLR活化后通过NF-κB促进炎症因子和致纤维化因子的分泌。现有的证据提示以清道夫受体A（scavenger receptor A，SR-A）、清道夫受体B（scavenger receptor B，SRB，即CD36）、TLR3和 Ⅱ型反式作用因子（major histocompatibility classⅡ transactivator，CⅡTA）等模式识别受体介导的慢性炎症，可能在脂肪、肌肉和肝脏等外周组织胰岛素抵抗的发生中有重要作用。研究揭示，SR-A胞质域双亮氨酸结构基序以及与其结合的多肽H11在SR-A介导胞吞中起重要作用。内质网应激关键蛋白葡萄糖调节蛋白78（glucose regulated protein 78，GRP78）可以和SR-A胞质域相偶联，明显抑制受体内吞和SR-A参与的炎症因子分泌，这一作用可能与SR-A下游MAPK分子调控相关。这一研究结果表明SR-A可能参与代谢性炎症和胰岛素抵抗的发生。

CD36是部分TLR配体的共同受体，包括革兰氏阳性菌、葡萄球菌、分枝杆菌和真菌细胞壁的部分特定的脂质和脂蛋白；CD36可以通过识别这些配体并引发炎症免疫反应。CD36和配体结合后可以激活经典的TLR信号级联，导致NF-κB激活和促炎细胞因子的分泌。高脂肪酸血症通过诱导CD36表达，并通过棕榈酰化修饰使CD36进入细胞膜和脂阀，在增加脂肪酸摄取的同时募集TLR4/6受体形成CD36/Lyn/TLR多聚体，激活TLR4/6受体信号通路，产生代谢性炎症。ox-LDL抑制葡萄糖摄取和脂肪细胞质膜GLUT4的招募；但是在加入CD36单克隆抗体预处理后，这些症状都得到了改善。CD36特异性敲除后，可以预防和改善代谢综合征。研究表明，脂肪组织巨噬细胞在肥胖患者胰岛素抵抗的发展中是必不可少的。CD36介导了巨噬细胞和脂肪细胞之间的炎症旁分泌循环，加速了高脂血症时胰岛素抵抗的发生发展。小鼠特异性CD36敲除，可以明显抑制c-Jun氨基端激酶（c-jun-N-terminal kinase，JNK）活化和巨噬细胞迁移，降低炎症反应和改善胰岛素抵抗。

在炎症和代谢的交互作用中，TLR4及其下游信号通路起着关键性的调节作用，并在胰岛素抵抗及其并发症的发生中起着重要的作用。研究证实，TLR4是机体启动炎症反应的重要模式识别受体，广泛表达于各种胰岛素敏感性组织和单核细胞、巨噬细胞等，与多种炎症性疾病的发生发展息息相关。最近研究表明，TLR4是胰岛素抵抗及其并发症的重要介质，特异性敲除TLR4可以明显改善小鼠肝脏和脂肪组织的胰岛素敏感性。胰岛素敏感性组织（脂肪、肝脏、骨骼肌）的细胞膜受体TLR4与各种外源性配体（如膳食脂肪酸和肠源性脂多糖）和内源性配体（FFA等）结合而被激活，JNK、IκB激酶抑制剂（inhibitor of IκB kinase，IKK）和p38MAPK，增强胰岛素受体底物1（insulin receptor substrate-1，IRS-1）丝/苏氨酸残基磷酸化，通过抑制IRS酪氨酸残基的磷酸化、干扰IRS与胰岛素受体的结合等途径影响胰岛素信号转导；TLR4激活还可增强炎性基因的转录，从而导致细胞因子、趋化因子、活性氧簇和类花生酸的产生增加，促进靶细胞本身胰岛素脱敏，或通过旁分泌和内分泌作用于其他细胞导致胰岛素抵抗，最终导致代谢性疾病的发生。

NF-κB提取自B淋巴细胞一种能与免疫球蛋白κB轻链基因增强子特异结合的核蛋白因子。NF-κB在感染、免疫反应以及控制细胞分化和凋亡有着广泛的作用。在炎症反应的复杂细胞因子网络中，NF-κB的激活是一个中心环节。当细胞受到代谢性产物刺激后激活NF-κB，活化的NF-κB进入细胞核调控炎症细胞因子如TNF-α、IL-6等的表达，启动代谢性炎症。TNF-α作为炎症反应的起始因子，引起一系列炎症因子的基因表达，此过程的失控将加剧炎症反应，导致组织损伤。在病程的发展期，NF-κB的激活对炎症的加重和扩散以及肝脏损伤具有重要意义。在非酒精性脂肪肝动物模型和患者中，肝脏NF-κB的表达显著增加，活化的NF-κB通过信号转导通路介导肝脏炎症、脂肪变性和胰岛素抵抗。由代谢性炎症所致的肥胖或糖尿病患者，NF-κB的表达和活性也往往增高。不良的生活习惯，如高脂饮食、运动缺乏不仅导致营养和能量过剩，促使游离脂肪酸（free fatty acid，FFA）等代谢产物在体内的堆积和异常分布；还可以致使肠道菌群失调，尤其是革兰氏阴性菌的异位和增多，使脂多糖（lipopolysaccharide，LPS）和氧化三甲胺（trimetlylamine oxide，TMAO）等细菌代谢产物分泌增加。增多的FFA、LPS、TMAO等代谢产物分别与巨噬细胞的TLR结合，激活NF-κB炎症信号通路，导致炎症因子的慢性持续释放，使血管、脂肪和肝脏等机体代谢相关组织产生炎症损伤，从而参与肥胖、糖尿病、动脉粥样硬化等心血管相关疾病的病理生理过程。

JNK是炎症反应的另一个关键介质，营养过剩造成的肥胖可能通过改变JNK通路而影响代谢性炎症。肥胖时脂肪组织来源的FFA和TNF-α增加，可强力激活JNK，导致胰岛素抵抗。在动物实验中发现，饮食诱导的小鼠肝脏、肌肉和脂肪组织JNK的活性均异常升高，主要是JNK1活性异常增高及IRS-1 Ser307磷酸化增加。而JNK缺乏对肥胖引起的胰岛素抵抗有明显保护作用，可以减少脂肪沉积、改善胰岛素敏感性和提高胰岛素受体信号转导能力。JNK激活后通过多种途径抑制胰岛素信号转导，其中也包含NF-κB的激活。JNK对胰岛素作用的抑制，也是整合应激和炎症反应分子信号通道的结果。因此，在代谢综合征及相关疾病的发生中，JNK通路的调节作用是炎症反应途径的中心环节。

内质网是真核细胞中蛋白质翻译后修饰和细胞内Ca2+的储存场所，对细胞应激反应起重要的调节作用。内质网应激是内质网功能紊乱的一种亚细胞器病理状态，其在代谢性炎症和代谢综合征中也起着重要作用。多种因素如缺氧、高血糖和化学毒物等可使内质网内钙耗竭、蛋白质糖基化抑制、二硫键错配、蛋白质向高尔基体转运减少，导致未折叠或错误折叠蛋白质在内质网中蓄积等，使其功能发生改变，诱发内质网应激。肝细胞具有高度发达的内质网，过度的内质网应激可能导致肝细胞功能受损或调亡，是导致脂肪肝发生的重要机制。近年来的研究表明：高FFA在内质网的聚集会直接影响内质网膜的形态和结构，并激活JNK信号通路，导致胰岛素抵抗和内质网应激。在肥胖模型小鼠肝脏与脂肪组织都可以观察到内质网应激现象。在2型糖尿病模型中发现，葡萄糖可以通过增加抑制物IRE-1的表达和激活JNK，加重软脂酸诱导内质网应激的发生。而内质网应激反过来又可激活JNK和NF-κB抑制激酶/NF-κB（IKK/NF-κB）通路，促进炎症应答和抑制胰岛素信号通路中胰岛素受体底物蛋白1（IRS1）的磷酸化和降解。因此，内质网应激可能也是代谢性炎症发生的一个重要原因。内质网应激与代谢系统损伤相互作用，代谢负担的加重使胰岛素的合成过多，超过了内质网折叠蛋白质的能力，加剧了内质网负荷，使内质网过载而引发长期内质网应激，导致肝细胞破坏或功能降低，从而加剧糖脂代谢紊乱。

最近的研究发现，Nod样受体蛋白3（NLRP3）炎性体具有调控机体慢性炎症反应的功能，是内源性或外源性危险信号的胞质内感受器，可以通过caspase-1的活化，促进IL-1β和IL-18等炎症因子的成熟和分泌。体内氨基酸、葡萄糖和脂质代谢紊乱可通过激活NLRP3炎性体促进IL-1β成熟与分泌，活化的IL-1β激活IL-1信号通路和髓样分化因子（myeloid differentiation factor，MyD88）依赖的NF-κB通路，促进IL-1等促炎因子的转录，诱导机体慢性炎症反应。在高脂诱导的肥胖小鼠模型中，脂肪组织NLRP3、含CARD结构域的凋亡相关颗粒样蛋白（apoptosis-associated speck-like protein containing CARD，ASC）和caspase-1表达上调，IL-1β的成熟体增多，敲除NLRP3和caspase-1基因可改善脂肪组织炎症，减轻高脂诱导的胰岛素抵抗。腹型肥胖患者腹部脂肪较皮下脂肪有更高水平的caspase-1表达，提示腹部脂肪组织中可能存在NLPR3炎症小体的活化；而肥胖的2型糖尿病患者在体重减轻后，血清中NLPR3和IL-1β的表达量减少。因此，NLRP3炎性体活化是机体营养过剩促进代谢性疾病发生发展的重要环节，干预炎性体相关通路为治疗代谢相关心血管疾病提供新的理论依据和防治靶点（图7-1）。

营养物质或其他代谢物可通过PRRs或内质网应激，从而直接影响细胞内相关炎症信号通路。TLR受体下游的三个重要激酶是JNK、IKK和蛋白激酶R（PKR），它们在细胞应激和代谢过程中起着重要的作用。这三种激酶可以通过激活转录因子AP-1、NF-κB和IRF，从而导致炎症相关基因的表达，促进炎症反应。此外，这三种激酶都可以通过磷酸化IRS-1的丝氨酸抑制胰岛素信号转导。这种磷酸化修饰导致IRS-1的泛素化降解，使胰岛素受体去磷酸化，阻断下游信号途径。内质网未折叠蛋白反应的三个分支均参与了炎症反应。IRE-1与TRAF2相结合后，激活炎性激酶JNK和IKK，分别通过转录因子AP-1和NF-κB促进炎症因子的生成。IRE-1还可以通过XBP1调控炎症细胞因子的生成。此外，活化的PERK可以减少NF-κB抑制剂IκBα的表达，从而增加了NF-κB的转录活性。最后，ATF-6也可以增加NF-κB的转录活性。NF-κB转入细胞核内，还能通过调节NLRP3编码基因，促进NLRP3的表达，导致NLRP3炎症小体的活化。NLRP3炎症小体与ASC相结合，进一步募集pro-caspase-1形成复合物，并诱导pro-caspase-1进行自我剪切生成活化的caspase-1。活化后的caspase-1对pro-IL-1β和pro-IL-18等底物进行切割，促进IL-1β和IL-18的成熟及分泌。

（二）代谢性炎症发生的细胞机制

肥胖是由不同炎症因子诱导产生的一种全身性的慢性、低度炎症状态。肥胖常伴随着胰岛素抵抗、糖尿病及代谢综合征的发生，这些病理改变都可促进动脉粥样硬化，是心血管疾病的重要危险因素。脂肪组织作为储能与分泌的器官，同时还与免疫系统存在错综复杂的相互作用。脂肪组织分泌的脂肪细胞因子可以影响机体的炎症反应及免疫功能。脂联素和瘦素是由脂肪细胞分泌的脂肪细胞因子，它们在调控炎症反应的方面具有不同的作用。瘦素具有促炎作用，可诱导单核细胞和巨噬细胞产生TNF-α和IL-6等炎症因子；脂联素则通过激活脂联素受体1和2发挥降血糖和抗炎作用。许多人类和动物实验都证实肥胖情况下脂肪组织中大量巨噬细胞浸润，肥胖时脂肪组织中有超过40%的细胞为巨噬细胞；同时巨噬细胞对于脂肪组织中炎症基因的表达也起着重要的调控作用，过多的营养素和病原体一样，在被机体巨噬细胞摄取后，产生炎症反应。此外，肥胖者脂肪组织中巨噬细胞表型的转变（从M2到M1），可加速脂肪组织慢性炎症的发生。正常个体中，脂肪组织内除了脂肪细胞之外，还包括多种免疫细胞的驻存，其中M2型巨噬细胞具有抑制炎症并改善脂肪组织胰岛素敏感性的功能特性。然而，当长期营养过剩导致人体脂肪细胞出现异常后，脂肪组织巨噬细胞会由抑炎的M2型巨噬细胞向促炎的M1型巨噬细胞极化，同时坏死的脂肪细胞可通过类似于内源性炎症的通路，招募M1型极性活化的巨噬细胞，可以使M1巨噬细胞比例上升。M1型巨噬细胞自身分泌TNF-α、IL-6、IL-1β和iNOS等炎症因子，促进脂肪组织的炎性浸润，维持脂肪组织内的炎症水平。在此过程中，脂肪细胞与巨噬细胞都会由于蛋白质与脂肪的代谢异常，导致内质网的功能障碍，进而引发细胞的内质网应激；而内质网应激现象又会继续加重细胞的胰岛素抵抗和炎症反应，从而导致慢性炎症和代谢紊乱的发生发展。