胰高血糖素样肽-1受体激动剂促进小鼠脂肪组织交感神经支配

《Metabolites》：Glucagon-like Peptide-1 Receptor Agonists Promote Sympathetic Innervation in Mouse Adipose Tissues

　　

目的：胰高血糖素样肽-1受体激动剂（GLP-1RAs）被广泛用于治疗肥胖。然而，其对脂肪组织的作用机制尚不完全清楚。方法：研究人员利用先进的三维成像技术，研究了GLP-1RAs对小鼠脂肪组织交感神经支配的影响。结果：司美格鲁肽（Semaglutide）或替尔泊肽（Tirzepatide）显著促进了高脂饮食（HFD）诱导肥胖小鼠腹股沟白色脂肪组织（iWAT）和肩胛间棕色脂肪组织（iBAT）中的交感神经支配，但对肝脏组织无此作用。此外，替尔泊肽的交感促进作用也发生在老年小鼠的iWAT和iBAT中。相反，在经GLP-1RA治疗的HFD喂养小鼠中，药物消融交感神经输入导致脂肪细胞形态和代谢标志物的改变。而且，在小鼠下丘脑室旁核（PVN）（一个引发外周交感信号的关键脑区）的神经元中检测到GLP-1R，并且司美格鲁肽可以有效激活这些神经元。结论：这些结果为交感作用可能参与脂肪组织对GLP-1RA治疗的应答提供了新的见解。

一、研究背景与科学问题

胰高血糖素样肽-1（GLP-1）源于肠促胰岛素概念，即肠道因子可改善葡萄糖代谢并促进胰岛素分泌。GLP-1由肠内分泌L细胞产生，是一种有效的胰岛素分泌刺激剂。其受体GLP-1R在胰腺β细胞中被发现，这为开发靶向GLP-1R的疗法奠定了基础，包括GLP-1R激动剂（GLP-1RA）司美格鲁肽（Semaglutide）以及葡萄糖依赖性促胰岛素多肽受体（GIPR）/GLP-1R双激动剂替尔泊肽（Tirzepatide）。尽管GLP-1RAs在刺激胰腺β细胞分泌胰岛素方面已有充分研究，但其对脂肪组织的作用机制仍不完全清楚。已有证据表明，GLP-1信号可通过中枢神经系统和交感神经传出调节脂肪代谢。例如，大脑中GLP-1R的激活可增加交感神经活性，抑制白色脂肪组织（WATs）中的脂质沉积，并促进棕色脂肪组织（BATs）的生热作用。

神经系统调节机体代谢的多个方面，主要代谢器官如脂肪组织和肝脏接受直接的神经输入。交感神经在BAT中的作用早已确立，而近期三维（3D）成像研究更全面地揭示了小鼠BAT中由酪氨酸羟化酶（TH）标记的交感神经输入。研究表明，高脂饮食（HFD）或瘦素缺乏小鼠的iBAT中交感神经支配严重丧失。与BAT相比，传统免疫组化结果显示WAT中交感纤维密度较低，但近期3D成像研究发现小鼠腹股沟白色脂肪组织（iWAT）中存在大量TH阳性交感轴突直接接触白色脂肪细胞。类似于BAT，HFD喂养或瘦素缺乏小鼠的WAT中也观察到交感神经支配的显著丧失。由于交感信号对脂肪细胞的脂解至关重要，这种丧失会加剧脂肪组织中的脂质积累，这是肥胖进展的核心病理特征。然而，GLP-1RAs是否能在肥胖条件下影响脂肪组织的局部交感神经输入，以及交感信号如何促成对GLP-1RAs的代谢反应，这些问题尚未明确。

二、研究内容与主要结论

研究人员开展了系列实验，探究GLP-1RAs对小鼠脂肪组织交感神经支配的影响及其功能意义。主要结论如下：

1. 1.
   司美格鲁肽或替尔泊肽促进HFD诱导肥胖小鼠iWAT和iBAT的交感神经支配：对HFD喂养小鼠每日给予司美格鲁肽或替尔泊肽治疗4周，可减轻体重及iWAT、iBAT和肝脏的组织质量，并减少iWAT脂肪细胞的脂质积累。通过全组织抗TH免疫标记、光学透明化和光片3D成像评估，发现HFD喂养小鼠iWAT中TH阳性交感轴突显著减少，而司美格鲁肽或替尔泊肽治疗可增加iWAT中的交感神经支配（以轴突密度和每个脂肪细胞的轴突长度衡量）。同样，在iBAT中，HFD导致的交感神经丧失在治疗后得到增强。
2. 2.
   GLP-1RAs不影响HFD诱导肥胖小鼠的主要肝交感神经束：虽然司美格鲁肽或替尔泊肽减少了HFD小鼠肝细胞中的脂滴积累，且3D成像显示HFD小鼠肝脏中TH阳性交感轴突广泛破坏，但司美格鲁肽或替尔泊肽治疗后，主要的肝交感神经束未见显著变化。转录组分析显示，在iWAT中，司美格鲁肽治疗使神经生长因子（NGF）和神经营养因子-3（NT-3）的表达分别增加了1.6倍和1.9倍，而在肝脏中这两种因子的表达水平基本不变。
3. 3.
   替尔泊肽促进老年小鼠iWAT和iBAT的交感神经支配：3D成像显示，与8周龄小鼠相比，24月龄小鼠iWAT中TH阳性交感轴突减少。每日替尔泊肽治疗4周可显著促进老年小鼠iWAT的交感神经支配（轴突密度和每个脂肪细胞的轴突长度增加）。在iBAT中也观察到类似的交感丧失被替尔泊肽逆转。然而，老年小鼠肝脏中严重的交感输入破坏并未受替尔泊肽治疗显著影响。
4. 4.
   交感神经消融改变GLP-1RA治疗小鼠脂肪组织的代谢反应：在HFD喂养小鼠中，使用6-羟基多巴胺（6-OHDA）进行药理学交感神经消融后，再进行司美格鲁肽或替尔泊肽治疗。交感消融未显著改变体重减轻或空腹血糖水平，但导致iWAT中脂肪细胞尺寸增大，iBAT中脂滴积累增加。同时，脂肪细胞中磷酸化激素敏感性脂肪酶（p-HSL）的水平降低。iWAT的RNA-seq分析鉴定出一组表达改变的基因，上调基因的基因本体论（GO）分析富集了多个代谢过程，特别是涉及脂质代谢的过程。
5. 5.
   交感神经消融与GLP-1RA治疗小鼠的肝脏脂质积累无显著关联：在司美格鲁肽或替尔泊肽治疗的HFD小鼠中，6-OHDA介导的交感消融与肝脏脂滴积累无显著变化相关。RNA-seq分析显示，交感消融对司美格鲁肽治疗小鼠的肝脏转录组无影响。
6. 6.
   Glp1r-Cre谱系标记的PVN神经元对司美格鲁肽治疗有反应：全组织c-Fos免疫标记和3D成像显示，司美格鲁肽强烈激活了下丘脑室旁核（PVN）中的神经元。通过生成Glp1r^Cre/+; Ai32(RCL-ChR2(H134R)/EYFP)小鼠，发现PVN区域中的EYFP信号局限于由NeuN鉴定的神经元细胞。司美格鲁肽触发的c-Fos出现在EYFP标记的Glp1r-Cre谱系标记的PVN神经元中。

三、主要关键技术方法

本研究采用了以下关键技术方法：

1. 1.
   动物模型：使用C57BL/6雄性小鼠，通过20周高脂饮食（HFD）建立肥胖模型；使用24月龄小鼠建立衰老模型。
2. 2.
   药物处理：每日皮下注射司美格鲁肽（30 nmol/kg）或替尔泊肽（30 nmol/kg）持续4周。
3. 3.
   全组织免疫标记与光学透明化：对完整未切片的小鼠脂肪组织、肝脏或大脑进行全组织免疫标记和光学透明化处理。
4. 4.
   光片显微镜成像与定量分析：使用LaVision Biotec Ultramicroscope II进行成像，并通过骨架化和形态测量分析定量TH阳性交感轴突。
5. 5.
   药理学交感神经消融：腹腔注射6-羟基多巴胺（6-OHDA）消融交感轴突。
6. 6.
   RNA测序（RNA-seq）分析：提取组织总RNA进行测序，并使用DESeq2进行差异表达分析，clusterProfiler进行GO富集分析。
7. 7.
   常规免疫荧光染色与免疫组织化学：对冷冻切片或石蜡切片进行染色，使用共聚焦显微镜或扫描仪成像。

四、讨论与结论

讨论：既往研究报道了HFD诱导肥胖小鼠iWAT和iBAT中交感神经支配的丧失，这可能与代谢应激下的组织炎症有关。本研究表明司美格鲁肽或替尔泊肽可增加这些脂肪库的交感神经支配，并在衰老模型中观察到类似效果，提示GLP-1RAs在不同病理生理背景下对交感神经支配具有普遍作用。值得注意的是，替尔泊肽在某些比较中产生了高于对照组的交感输入，这可能与其同时激活GIPR有关。交感消融导致脂肪细胞形态和p-HSL的变化，表明交感神经支配与GLP-1RA作用的脂肪组织反应之间存在功能联系。GLP-1RA诱导的脂肪褐变与交感重塑可能是耦合过程。临床研究也支持GLP-1RAs的自律神经作用。与脂肪组织不同，GLP-1RAs未显著改变HFD小鼠肝脏的主要交感神经束，这种差异性反应可能归因于肝脏与脂肪组织微环境的不同，转录组分析显示iWAT中特定神经营养因子表达增加而肝脏中没有。本研究还存在一些局限性，如缺乏单独的6-OHDA对照组、体重减轻的潜在贡献、肝脏分析中使用的放大倍数主要捕获主要神经束、p-HSL荧光强度未标准化至总HSL、以及部分实验组样本量较小等。

结论：该研究表明，GLP-1RA治疗与肥胖和衰老条件下脂肪组织中交感神经支配的增加相关，并暗示了中枢神经通路的潜在参与。这些发现为理解GLP-1RA治疗的作用机制提供了新的见解。