成人棕色脂肪对代谢的影响及棕色脂肪活性调控机制研究

摘要

代谢综合征(Metabolic syndrome，MS)是一种临床上常见的多组分的代谢紊乱综合征，包括超重或肥胖、高血压、高血糖、血脂异常等，其中肥胖及胰岛素抵抗是MS的核心环节。随着肥胖的发病率越来越高，肥胖及其相关疾病已经成为人类健康的严重威胁。　　肥胖症主要是由能量的摄入与消耗不平衡导致的，并且脂肪组织一直被认为是“罪魁祸首”。其实，脂肪组织分两种类型:白色脂肪组织(White adipose tissue，WAT)和棕色脂肪组织(Brown adipose tissue，BAT)。动物研究表明BAT与体温调节有关，并且BAT产热耗能的功能主要是因其线粒体内膜上含有大量的解偶联蛋白1(Uncoupling protein1，UCP1)。既往认为成人体内不存在有活性的BAT或是其对人体没有重要的生理学作用。　　随着分子功能影像学的发展，近期人们在使用正电子发射断层扫描计算机显像技术（Positron-emission tomography-Computed tomography, PET-CT）进行全身扫描时发现了对称分布于成人的颈部、锁骨上窝、脊柱两旁等处的浓聚阴影，并通过病理活检确认该组织并非肿瘤组织，而是可以高摄取示踪剂氟代脱氧葡萄糖(Fluorine-18-fluorodeoxyglucose，18F-FDG)的棕色脂肪组织。因BAT具有较高的生物学活性，所以称之为活性棕色脂肪组织(Active brown adipose tissue，aBAT)。　　2009年发表在新英格兰医学杂志上的多项独立研究显示:成人体内存在着aBAT，并且BAT的阳性率及活性与年龄、性别、体重指数(Body mass index，BMI)相关。这提示BAT在成人体内仍然具有一定的生物学功能，也暗示了BAT可能参与维持能量代谢的平衡。但目前的研究大多是回顾性的，研究对象也局限于肿瘤患者，且仅仅观察了BAT与人口统计学特征的相关性。目前尚缺乏样本量大的横断面研究以及BAT活性对成人代谢谱影响的研究，而这些研究方向却可以为防治肥胖症及其相关的代谢性疾病提供新思路。　　中枢神经内分泌因子通过下丘脑食欲调节网(Appetite regulating network，ARN)参与能量代谢的调控，其中激发和维持食欲的神经肽Y(Neuropeptide Y,NPY)与去甲肾上腺素一起存储于交感神经纤维中，在外周发挥神经递质的作用;而基础研究显示去甲肾上腺素与甲状腺激素一起协同促进UCP1的表达，从而增加BAT的活性。所以，有学者提出一种假说:BAT活性的调控可能是网络式的调控机制，并且中枢系统在其中起重要作用。虽然目前调控BAT活性的机制尚未完全明晰，但这方面的研究成果在肥胖症的转化医学中会有广阔的应用前景。　　此外，PET-CT作为分子功能影像学的先驱，不仅可以显示脑部的影像，还可以分析不同脑区的葡萄糖代谢率，故而可以利用该技术来探究脑区糖代谢与BAT活性之间的关系，这将有助于揭示中枢在BAT活性调控中的作用。　　因此，本课题组通过对照研究来比较健康体检人群中不同BAT活性受试者的糖脂代谢及炎症状态（代谢谱）的差异，利用18F-FDG PET-CT技术分析健康成人的脑区糖代谢与BAT活性的关系，并且在基础实验中探索NPY对BAT活性的调控及其机制，希望为代谢性疾病，尤其是肥胖症的防治提供新线索、开拓新视野。　　第一部分中国健康成人棕色脂肪对代谢的影响　　目的:比较室温下PET-CT扫描显示aBAT（BAT阳性）和未显示BAT（BAT阴性）的健康成人的代谢谱的差异，观察部分BAT阳性者保暖前后的代谢谱的变化，评估BAT活性对代谢谱的影响并且分析BAT活性的预测因素。　　方法:(1)横断面调查自2009年9月1日至2010年8月31日在复旦大学附属华山医院PET中心，在非刺激条件下，使用18F-FDG PET-CT进行全身扫描的受检者资料。(2)通过对照研究，全面比较健康成人中BAT阳性者（BAT阳性组）以及与其同一天检查、同性别、年龄和BMI相近的BAT阴性者（BAT阴性组）的下述资料:人口统计学特征、身体组成指标、生化法检测的代谢谱指标、酶联免疫吸附法(Enzyme-linked immunosorbent assay, ELISA)测定的脂肪因子、炎症因子、神经内分泌因子以及PET-CT的图像数据等。(3)对部分BAT阳性组的受试者进行前瞻性研究，一周内进行保暖干预后复查PET-CT，比较保暖前后各项指标的变化。(4)采用多元线性回归模型分析BAT活性与代谢谱指标之间的关系，以及多因素Logistic回归分析BAT活性的预测因素。所有受试者均签署知情同意书。　　结果:(1)5945例18F-FDG PET-CT受检者中有105名(1.77％)存在aBAT，BAT阳性者中健康成人共79例。收集到62对BAT阳性及阴性对照者的完整资料。(2)无论在男性还是女性中，BAT阳性组的年龄、BMI均低于其阴性对照组(P＜0.05); BAT阳性组的高密度脂蛋白胆固醇(High density lipoproteincholesterol，HDL-c)、脑啡肽水平显著高于阴性组（P值均＜0.001）;并且BAT阳性组的总胆固醇(Total cholesterol，TC)与HDL-c比值(TC/HDL-c)、空腹胰岛素、稳态模型评估胰岛素抵抗指数(Homeostasis Model of Assessment-InsulinResistance，HOMA-IR)、瘦素以及NPY水平均显著低于阴性组（P值均＜0.05）。此外，在男性中，BAT阳性组的体脂率、空腹血糖、肿瘤坏死因子α(Tumor necrosisfactorα，TNFα)以及成纤维细胞生长因子21（Fibroblast growth factor-21，FGF-21）均显著低于阴性组（P值均＜0.05），而在女性中，BAT两组间上述指标的差异未达统计学意义。(3)多元线性回归模型校正年龄、性别、BMI、甚至是体脂率等可能的混杂因素后，无论在男性还是女性中，两组间的HDL-c、TC/HDL-c、瘦素、NPY以及脑啡肽的差异仍然具有统计学意义（P值均＜0.05）。(4)15例存在aBAT的健康成人进行保暖干预后复查PET-CT，结果PET-CT未显示BAT（变为BAT阴性）;受试者保暖前后的血糖、血脂及生命体征没有显著性变化，但是其血中的NPY显著升高，而脑啡肽显著下降（P值均＜0.001）。(5)多因素Logistic回归分析发现随着年龄的增加，BAT阳性率降低;而运动则是BAT阳性率增加的预测因素。　　结论:与BAT阴性组相比，中国健康成人BAT阳性组的年龄更小、BMI更低，胰岛素敏感性更好，HDL-c水平更高;并且两组间的一些脂肪因子与神经内分泌因子也存在显著性差异。这不仅提示成人aBAT在糖脂代谢过程中可能起重要作用，还暗示了神经内分泌因子NPY与BAT活性密切相关。此外，温度、年龄和运动均是成人BAT活性的重要影响因素。　　第二部分神经肽Y与棕色脂肪活性的关系　　目的:明确NPY在外周对BAT的活性有无影响，并探讨其可能的调节机制。　　方法:(1)通过实时定量聚合酶链式反应(Real-time quantitative polymerasechain reaction，Real-time PCR)检测不同组织（雄性C57小鼠WAT、BAT及下丘脑组织）、不同脂肪细胞（3T3-L1前脂肪细胞系诱导分化为成熟的白色脂肪细胞，C3H10T1/2多潜能间质干细胞系诱导分化为成熟棕色脂肪细胞）的NPY及NPY的1、2、5型受体的表达。(2)应用免疫组化及免疫印迹(Western blotting)技术确定BAT上是否有NPY5型受体(NPY5R)的表达;并且采用冷刺激增加BAT的活性，使用反转录PCR(Reverse transcription-PCR，RT-PCR)技术观察NPY的1、2、5型受体表达的变化。(3)在细胞水平上，探讨NPY是否能通过NPY5R调节棕色脂肪细胞的活性:使用骨形成蛋白7(Bone morphogenetic protein7，BMP7)诱导C3H10T1/2多潜能分化干细胞分化为成熟的棕色脂肪细胞;再分别给予不同的处理因素:生理盐水对照组、NPY组、NPY5R激动剂组、NPY5R拮抗剂组以及NPY+NPY5R拮抗剂组。采用油红染色观察各组的细胞内甘油三酯（Triglyceride，TG）聚集情况;Western blotting观察各组间的脂肪细胞成脂情况(422-aP2)和BAT特异的生物学标志物(UCP1)的表达;Real-time PCR观察不同处理组与脂肪分化、BAT产热功能、线粒体合成功能相关的基因的变化:含PR结构域蛋白16(PRD1-BF1-RIZ1 homologous domain containing16，PRDM16)、过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活因子1α(Peroxisomeproliferator-activated receptor-gamma co-activator-1-alpha, PGC-1α)、沉默信息调节因子3(Silent mating type information regulation2 homolog3，Sirt3)、体细胞细胞色素C(Cytochromec，somatic，Cycs)、线粒体转录因子A(Transcription factorA，Tfam)、核呼吸因子1(Nuclear respiratory factor1，Nrf1)、核呼吸因子2(Nuclearrespiratory factor2，Nrf2)，以探讨NPY对BAT产热功能是否有直接作用。　　结果:(1)BAT及成熟棕色脂肪细胞上均有NPY及NPY受体的表达，且NPY5R在其中均特异性高表达。(2)冷刺激使BAT活性增加时NPY5R表达下调。(3)成熟棕色脂肪细胞的体外实验发现各组间的细胞内甘油三酯聚集、422-aP2表达量以及与脂肪细胞分化相关基因(PRDM16)的表达量无明显差异;但NPY5R拮抗剂组及其合并使用NPY组的UCP1、与BAT产热相关基因(PGC-1α，Sirt3)以及与线粒体合成功能相关的基因（Cycs、Nrf1、Nrf2及Tfam）的表达量高于其他组，而NPY及NPY5R激动剂组的相应基因的表达量低于对照组。　　结论:NPY在外周可以影响BAT的活性，并且NPY通过NPY5R对BAT的活性起抑制作用。　　第三部分脑区代谢与健康成人棕色脂肪活性的关系　　目的:通过PET-CT技术分析脑区葡萄糖代谢与成人BAT活性的关系，并探讨其可能的机制。　　方法:(1)收集80例自2009年9月1日至2011年3月31日在复旦大学附属华山医院PET中心，在非刺激条件下，使用18F-FDG PET-CT进行全身扫描发现BAT显影的健康体检者资料（BAT阳性组），并按1∶1比例收集80例性别、年龄、BMI、空腹血糖、检查日期与阳性者相匹配的BAT未显影的体检者作为对照组（BAT阴性组）。采用最新版本的统计参数分布图（Statistical parametricmapping，SPM）软件分析所有受试者的脑部图像数据，比较两组间有代谢差异的脑区并且用Brodmann area分区(BA)描述其具体定位，并计算出差异脑区代谢的半定量值。(2)运用图像归档与传输系统(Picture archiving and communicationsystem，PACS)和PET-CT Viewer软件半定量分析BAT阳性组的BAT活性;采用ELISA法检测BAT阳性组空腹血样中NPY水平。(3)通过多元线性回归模型分析BAT阳性组的脑区代谢半定量值与BAT活性之间的相关性，并将NPY纳入统计分析。　　结果:(1) BAT阳性组的右脑岛叶(BA13a、BA13b)、右脑边缘叶钩回(BA20)的葡萄糖代谢水平显著低于BAT阴性组（经FDR-校正后P＜0.05）。(2) BAT阳性组的上述三个脑区代谢的半定量值显著低于阴性对照组(BA13a的P=0.011，BA13b的P=0.010，BA20的P＜0.001)。(3)在校正了年龄、性别、BMI、室外温度等因素后，多元线性回归模型显示三个脑区代谢半定量值、血浆NPY水平与BAT活性呈负相关（P值均＜0.05）;但进一步校正NPY水平后，脑区(BA13b与BA20)代谢的半定量值与BAT活性的相关性不再具有统计学意义(BA13b的P=0.311，BA20的P=0.136，)，而脑区(BA13a)代谢的半定量值与BAT活性的相关性仍然具有统计学意义(P=0.003);即使进一步校正了三个脑区的半定量值，血浆NPY水平与BAT活性的相关性仍具有统计学意义(P＜0.001)。　　结论:中枢部分脑区的葡萄糖代谢水平、血浆NPY水平与BAT活性密切相关;并且部分脑区代谢水平与BAT活性的相关性不依赖于NPY。

目录

摘要

缩略词表

前言

第一部分 中国健康成人棕色脂肪对代谢的影响

材料与方法

结果

讨论

第二部分 神经肽Y与棕色脂肪活性的关系

材料与方法

结果

讨论

第三部分 脑区代谢与健康成人棕色脂肪活性的关系

材料与方法

结果

讨论

总结与展望

附录

参考文献

综述 中枢神经系统与棕色脂肪活性的关系

在校期间发表论文情况

在校期间申请的基金资助

在校期间获得的奖励

致谢

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