肥胖与2型糖尿病患者人肠系膜及皮下脂肪组织的单细胞转录组与免疫细胞表型图谱

《SCIENCE ADVANCES》：A transcriptional and cellular exploration of obesity and type II diabetes in human adipose tissues

摘要翻译

肥胖与2型糖尿病（type II diabetes mellitus，T2D）等代谢紊乱密切相关，但部分肥胖个体并不表现出这些合并症。赋予个体对T2D易感性的生物学因素仍未完全阐明。研究人员招募了58名肥胖个体，依据是否患有T2D的临床诊断将其分为Ob + T2D组与Ob组。通过单细胞RNA测序（n = 10）、基础与刺激条件下的流式细胞术（n = 42）以及组织学检查（n = 17），对配对样本中的肠系膜与皮下脂肪进行剖析，并在配对全血中开展流式细胞术与趋化因子定量分析。研究鉴定出以间皮细胞和内皮细胞为中心的肠系膜基质区室重编程，以及跨脂肪库对比鲜明的固有T细胞与巨噬细胞表型；间皮细胞与IGFBP2⁺细胞呈现纤维化、上皮-间充质转化（epithelial-mesenchymal transition，EMT）样表型，而肠系膜内皮细胞在T2D中呈现脂质超载、炎症及抗原呈递特征；肠系膜与皮下脂肪的固有T细胞呈现组织间差异的炎症特征。这些发现揭示了关于脂肪组织T2D病理生理学的既往未明确洞见，并鉴定出组织内可被靶向治疗利用的代偿网络。

论文解读

【研究背景】肥胖已成为全球性医疗危机，影响逾10亿成人，与心血管疾病、2型糖尿病（T2D）及13种癌症相关。然而10%~35%的肥胖人群并无代谢疾病特征，表现为系统性炎症较低、胰岛素敏感性较高，即使达到重度肥胖亦然。既往研究多聚焦于代谢健康/不健康肥胖悖论，对肥胖状态下T2D的特异性细胞与分子机制了解有限；已有组织学与流式研究虽提示肠系膜脂肪存在脂肪细胞增大、皇冠样结构增多、毛细血管功能障碍、巨噬细胞及促炎T细胞增多等改变，但尚缺乏在单细胞层面对配对皮下与肠系膜脂肪及血液进行的系统性整合分析。

【研究内容、结论与意义】研究人员招募58例在爱尔兰都柏林医院接受减重手术的肥胖患者，按是否确诊T2D分为Ob + T2D与Ob两组，对同一人的配对肠系膜与皮下脂肪组织及外周血开展单细胞RNA测序（scRNA-seq）、多色流式细胞术、组织学及血清趋化因子分析，论文发表于《SCIENCE ADVANCES》。研究得出脂肪组织功能障碍具有显著脂肪库特异性的结论：肠系膜脂肪是T2D的主要应答库，表现为间皮与IGFBP2⁺细胞的代谢耗竭、上皮-间充质转化（EMT）及纤维化重编程、脂质负荷内皮细胞的炎症与抗原呈递上调、巨噬细胞Toll样受体（TLR）反应性受损以及固有T细胞-嗜酸性粒细胞适应轴；皮下脂肪则保留脂肪生成潜能，表现为巨噬细胞增多与NK/T细胞招募重塑。上述发现为靶向二肽基肽酶4（DPP4）、成纤维细胞生长因子2（FGF2）、硫氧还蛋白相互作用蛋白（TXNIP）等候选治疗策略提供了依据。

【主要技术方法】样本队列源自St. Vincent's University Hospital与St. Michael's University Hospital减重手术患者。研究人员对10例样本行scRNA-seq解析细胞组成与转录状态；对42例样本在基础与刺激（PMA+离子霉素或TLR激动剂）条件下行多色流式细胞术并结合计数微球绝对定量；对17例行苏木精-伊红（HE）组织学与脂肪细胞形态定量；对35例血清行多重趋化因子检测；并采用多因子分析第2版（MOFA2）、DIALOGUE、MultiNicheNet及拟时序分析等计算框架整合转录组与临床数据进行建模。

【研究结果】

1. 患者人体测量学与空腹血液分析物
两组在年龄、身高、体重及体重指数（BMI）上无差异；Ob + T2D组空腹血糖（1.5倍）、糖化血红蛋白（HbA1c）（1.5倍）与甘油三酯（1.6倍）显著升高，高密度脂蛋白（HDL）胆固醇（0.8倍）降低，胰岛素无显著差异。

2. 单细胞测序揭示脂肪库与T2D特异的脂肪基质及免疫群变化
scRNA-seq共分析25,830个肠系膜细胞与9,127个皮下细胞；间皮细胞在Ob + T2D中丰度更高，且差异表达基因（DEG）最多（6,695个），其次为肠系膜血小板衍生生长因子受体A（PDGFRA）⁺纤维脂肪生成祖细胞（FAP）（4,070个）。全细胞层面PTPN1与SLC2A3下调、TXNIP与RHOB上调；Ob + T2D肠系膜中氧化磷酸化（OXPHOS）在内皮与B细胞富集。流式显示Ob + T2D肠系膜中嗜酸性粒细胞、巨噬细胞/髓系及非中性粒/嗜酸性粒细胞增多，皮下脂肪每克巨噬细胞亦升高。

3. 肥胖脂肪与血液免疫表型由特定合并症组合而非累积负荷驱动
MOFA2显示刺激后数据的因子1与基础数据的因子6变异最大，分别与血糖、T2D、血脂异常及单核细胞趋化蛋白-1（MCP-1）、嗜酸性粒细胞趋化因子（eotaxin）相关。疾病负担分析表明"合并症组合"较"累积数量"更重要，肠系膜是与合并症关系最密切的组织；RORγt⁺黏膜相关恒定T细胞（MAIT）随合并症数目单调上升的趋势最强；仅肠系膜CD206⁺HLA-DR^-巨噬细胞的高血压×血脂异常交互作用经多重检验校正仍显著。校正年龄、BMI与体重后仍有40/83个变量保持组间差异，支持T2D为脂肪髓系与淋巴表型的主要驱动因素；性别×T2D交互分析发现23个显著差异变量，无T2D男性肠系膜iNKT（不变天然杀伤T细胞）细胞数约为其T2D时的2倍以上，男性T2D患者血B细胞、初始T细胞及TNF⁺IFN-γ⁺ iNKT显著升高。

4. T2D与脂肪库间脂肪通讯程序的差异
DIALOGUE鉴定出仅与Ob + T2D肠系膜相关的多细胞程序，中心为非造血细胞（FAP、间皮、肌成纤维细胞、PI16⁺前脂肪细胞），反映慢性功能障碍与代谢耗竭。MultiNicheNet显示Ob肠系膜以髓系细胞为中央枢纽，Ob + T2D中间皮与内皮细胞成为主导枢纽，信号由细胞外基质（ECM）、转化生长因子-β（TGFβ）/骨形态发生蛋白（BMP）转向细胞因子/趋化因子、肿瘤坏死因子超家族（TNFSF）、Wnt及NK调节信号；皮下脂肪则由FAP/肌成纤维细胞/髓系通讯转为NK与T细胞主导。

5. 随T2D发生间皮与IGFBP2⁺细胞向间充质、应激响应状态转变
Ob + T2D肠系膜间皮细胞富集TXNIP与FOS，p53信号增强；Ob中间皮细胞富集EMT、细胞周期与胆固醇稳态。流式验证Ob + T2D间皮细胞脂质摄入更高，且与TLR刺激后干扰素-γ（IFN-γ）、IL-6产生强相关。IGFBP2⁺细胞在Ob + T2D中S100A4（脂肪生成抑制剂）上调、ECM与纤维化过程富集；拟时序分析显示其沿间皮→间充质轨迹向FAP/前脂肪细胞偏移。Ob中间皮与IGFBP2⁺细胞主要作为信号发送者，经ECM-整合素轴及FGF2-FGFR1/GPC4作用于FAP；Ob + T2D中则转为接收来自前脂肪细胞、内皮、髓系与NK细胞的蛋白水解、趋化、血管新生与凋亡配体信号。

6. T2D中脂肪非造血细胞呈现脂质负载、炎症表型
FAP的DEG最多，肠系膜FAP的DEG数为皮下的4倍。TXNIP、MT1X、DEPP1、PDK4上调，NR4A1与LMNA下调；CD36仅在皮下脂肪上调；肠系膜血管内皮细胞中血栓调节蛋白（THBD）及主要组织相容性复合体（MHC）-I/II转录本（HLA-DQA1、HLA-DRB1、HLA-A、CD74等）下调。流式验证Ob + T2D肠系膜内皮细胞脂质含量升高、TLR刺激后TNF产生增多、LPS/poly(I:C)刺激后IFN-γ增多；前脂肪细胞拟时序显示AADAC、DEPP1、DDIT4、CCL2、IL6及PLIN2的轨迹差异。组织学未见两组脂肪细胞大小差异，但仅Ob + T2D皮下脂肪中>100 μm肥大脂肪细胞比例与BMI显著相关（r² = 0.575，P = 0.048）。

7. T2D中脂肪髓系与淋巴群呈现脂肪库特异性重编程
肠系膜CD9⁺与CD206⁺巨噬细胞比例在Ob + T2D升高，皮下CD9⁺、TREM2⁺脂质相关巨噬细胞（LAM）及CD206⁺巨噬细胞每克均升高；肠系膜CD11b⁺巨噬细胞经TLR刺激后IFN-γ与IL-6产生减少。scRNA-seq显示肠系膜单核/巨噬细胞IFN-γ信号降低、皮下则富集IFN-α/γ信号；MHC-II在巨噬/单核/中性粒降低而在树突状细胞（DC）升高；肠系膜多种淋巴亚群OXPHOS富集，NK细胞呈细胞毒/耗竭特征（GZMK、XCL1/2上调，GNLY、SPON2、CREM下调）。固有T细胞方面，皮下RORγt⁺ iNKT、Vδ2T及PLZF⁺ Vδ2T在Ob + T2D升高；皮下MAIT的TNF产生在Ob + T2D更高，而肠系膜MAIT的IFN-γ产生在Ob更高。

【讨论与结论】讨论提出脂肪库特异性的组织适应/适应不良模型：肠系膜以间皮细胞EMT/纤维化与代谢功能障碍、IGFBP2⁺细胞EMT重编程与S100A4富集、FAP动态改变、内皮功能障碍、嗜酸性粒细胞增多及巨噬细胞TLR反应性受损为特征；皮下脂肪则脂肪生成信号保留，以NK/T细胞招募重塑、LAM增多及炎症性固有T细胞为特征。固有T细胞产生IFN-γ可能反映维持组织稳态的适应性反应；嗜酸性粒细胞-eotaxin-固有淋巴细胞轴值得深入探索。研究局限包括横断面设计无法推断因果、样本性别失衡（17男/41女）及小样本脂肪组织异质性。主要结论为：肥胖合并T2D时，肠系膜脂肪是主要应答库，其特征为基质龛改变（间皮/IGFBP2⁺细胞代谢耗竭、EMT激活与纤维化重编程）、脂质负荷内皮细胞的促炎与抗原呈递上调、巨噬细胞TLR反应性受损及固有T细胞-嗜酸性粒细胞适应轴；皮下脂肪保留脂肪生成潜能，伴巨噬细胞增多与NK/T细胞招募信号，为肥胖相关免疫-代谢紊乱的病因探索与靶向治疗开发奠定了坚实基础。