炎症、体力活动与慢性疾病：进化论的观点

作者：Roberto Carlos Burini, Elizabeth Anderson, J.Larry Durstine, James A. Carson* 

翻译：王宇 / 校对：李新

通讯作者：James A. Carson

田纳西大学健康科学中心健康专业研究院副院长；物理治疗系教授。主要研究领域：骨骼肌转录和生长的力学调控；性激素调节骨骼肌的萎缩、肥大和再生；IL-6的作用以及相关的下游信号传导在肌肉质量调节中的作用；全身运动和肌肉收缩对癌症或化学疗法引起的全身炎症和肌肉分解代谢信号的影响。电子邮箱：[e-mail]。

摘  要：

目前，低度炎症正在成为代谢、精神和神经退行性疾病的常见特征。体力活动不足和腹部肥胖都与持续的全身性低度炎症有关。因此，导致肥胖倾向及其他合并症的行为、生物和生理变化，除了各种进化因素外，还可能具有表观遗传基础。一种关键的假说认为，这可能涉及数代人类进化形成的基因组与，与现代高热量饮食和导致体力活动减少的建成环境之间的不匹配，这种生物学上的失配似乎对健康造成了可怕的后果。因此，本文的目的是简要概述炎症对人类生存的重要性，以及体力活动（PA）和体力活动不足如何成为全身性炎症的关键调节剂。这篇综述将从代谢和全身性信号转导的角度阐述PA和运动训练的抗炎作用，包括骨骼肌对脂肪酸的利用，TLR4信号转导和肌动蛋白/脂肪因子的作用。现有证据表明，体力活动、规律运动和减轻体重可通过改善炎症状况来预防和治疗与低度炎症相关的多种慢性疾病。

一、前言

慢性病是全球范围内最主要的死亡原因，无论男女，各个种族和所有年龄段，慢性疾病的患病率都在持续上升。目前，低度炎症正在成为代谢、精神和神经退行性疾病的常见特征。体力活动（PA）减少和腹部肥胖增加与持续的全身性低度炎症有关。因此，引起肥胖和体力活动不足倾向的环境变化有可能通过基因表达的表观遗传调控来改变或加速进化过程。

本文的目的是简要概述炎症作为人类生存一部分的重要性，以及人们目前对PA和体力活动不足的了解，体力活动可能是对健康造成负面影响的系统性炎症的关键调节剂。体力活动不足与持续的全身性低度炎症相关，与疾病发生有关，而PA的增加和定期运动与降低疾病风险的抗炎作用有关。由于这些原因，本文将体力活动不足、体力活动和运动增加分开进行讨论。

二、炎症：一个节约的生存方法

感染、机械力、化学物质以及极热或极寒会造成组织损伤，导致非特异性炎症过程。由于组织损伤将危害生物体的生存，因此炎症是生物体愈合过程的一种保护性尝试。没有炎症，伤口和感染将无法愈合。因此，全身性炎症是我们生存所需的严格调控的过程。炎症被归类为定型反应，是组织对有害刺激物（例如病原体，受损细胞或刺激物）生物反应的一部分。

1 炎症在组织损伤修复中的作用

当受损组织释放出主要介质（如血管活性胺和类花生酸）时，就会引发炎症。这些介质包括组胺、缓激肽、前列腺素和白三烯。在某些情况下，小分子参与组织自主性炎症。这些化学物质发出信号，引起附近的血管扩张，渗透性提高，从而增加了流向损伤区域的血液。凋亡细胞和组织碎片通过趋化因子来吸引循环的吞噬细胞，并募集中性粒细胞到受损组织。急性损伤后不久，肥大细胞脱粒发生TNF-α释放，随后中性粒细胞在骨骼肌积聚，促进TNF-α额外释放，之后单核细胞浸润，分化为巨噬细胞。参与急性炎症的主要细胞是原发性中性粒细胞，其次是嗜酸性粒细胞和单核细胞（单核细胞和巨噬细胞）。这些白细胞被吸引到该部位以去除碎屑。因此，炎症的目的是清除损伤并开始修复过程。

总体而言，从损伤开始到恢复的组织损伤修复过程始于损伤部位的促炎期，引发免疫细胞浸润坏死和/或凋亡细胞的吞噬作用。浸润的巨噬细胞也可以获得抗炎表型。浸润的单核细胞分化为巨噬细胞并极化以获取促炎或抗炎表型。初始浸润期的促炎性M1巨噬细胞随后形成促进伤口愈合和组织重塑的M2极化模式。炎症反应进一步激活周围细胞（T淋巴细胞、间充质干细胞、内皮细胞及其祖细胞）支持组织再生。

2 炎症在清除病原体中的作用

感染和无菌性的组织损伤都伴随着强烈的免疫反应。病原体相关的分子模式（PAMPs）和损伤相关的分子模式（DAMPs）发出感染（微生物传感器）或对生物伤害的信号，独立于其非自我或自我身份。PAMPs和DAMPs引发病原体清除和组织修复所必需的急性炎症反应。细胞将DAMPs作为内源性信号释放，从而提醒先天免疫系统非预期的细胞死亡，微生物入侵和应激。

PAMPs和DAMPs充当“信号零”，并与特定受体结合，例如Toll样受体（TLR），核苷酸寡聚域（NOD）样受体（NLR），视黄酸诱导型基因（RIG）-I样受体（RLR），并与黑素瘤2（AIM2）样受体（ARL），C型凝集素受体（CLR）和晚期糖基化终产物（RAGE）的受体分离。这些受体结合在细胞膜表面（TLR和CLR）或细胞质内部（NLR，RLR，ALR）以及RAGE上。NLR传感器位于细胞内，在细胞质（NALP3）或细胞核（NALP1）中。在PAMP/ DAMP识别后，激活的TLR和其他模式识别受体（PRR）向宿主发出信号提示存在微生物感染或异位分子，并通过激活多种细胞内信号通路引发促炎和抗菌反应。这些信号包括衔接子分子、激酶和转录因子，例如核因子-κB（NF-κB），激活蛋白-1（AP-1）和IFN调节因子（IRF）因此，外源PAMP主要通过TLR被先天和后天免疫系统的细胞识别。结果，一些细胞被激活以破坏病原体和/或被病原体感染的细胞，然后触发免疫反应，以产生最适合识别病原体的特异性T细胞受体和抗体。

NLRP3的激活导致IL-1β/ IL-18加工，并且许多条件都可以诱发炎症细胞的程序性死亡。通过ASC将NALP3与pro-caspase-1结合，导致caspase-1的自动激活。活化的caspase-1会促进促炎细胞因子（pro-IL-1β、pro-IL-18和IL-33）裂解及成熟，从而促进/维持炎症。目前存在3种模型来解释炎性小体激活：（a）活性氧诱导，（b）溶酶体失稳，或（c）形成孔洞，K +外流，可能还有PAMP涌入。特定TLR的激活被认为在肥胖诱导的胰岛素抵抗，2型糖尿病和动脉粥样硬化的发展中发挥重要作用。

3 炎症相关胰岛素抵抗的节俭理论

多细胞生物的生存取决于该生物抵抗感染的能力，这些防御过程需要消耗大量的能量。发热会增加能量消耗，而营养不良的状态会抑制免疫。激活的免疫系统即使处于静止状态通常也需要消耗大量能量。为了应对感染和其他环境压力的挑战，激活的免疫系统迫切需要从内部能量存储中获得高能物质（糖原、蛋白质、甘油三酸酯，或游离脂肪酸），而为满足这些能量需求就必须利用脂肪组织和骨骼肌中存储的能量作为燃料。因此，机体抵抗感染的能力取决于其在营养物质少或能量需求高时的能量存储能力。炎症的能量需求上升到活跃阶段时，会强烈抑制食物的摄入和合成代谢过程，例如由胰岛素调控的过程。空腹时机体的脂类分解解增加，脂质氧化，酮体合成，内源性葡萄糖的产生、摄取以及氧化减少。这些过程对于生存至关重要，保护蛋白质过度流失。从概念上讲，该理论基于以下知识：当热量缺乏时，胰岛素抵抗程度越深，减少蛋白水解（保留瘦体重）的能力就越大。个体保存肌肉蛋白质的效率越高，承受长期能量不足的幸存机会就越大。因此，感染引起的健康损害和相关的厌食症不但加剧了能量丰富物质的摄入量减少，而且由于急性传染病对能量的需求增加。但是，对急性炎症发作的反应可能反映出免疫系统和能量系统对机体成功抵抗感染所需过程之间的强有力协调。

免疫系统和神经系统的细胞严重依赖葡萄糖，这同很多与组织再生有关的细胞类型相似。血糖以不依赖胰岛素的方式供给这些细胞。因此，神经元、白细胞和成纤维细胞被认为是胰岛素不敏感组织。胰岛素是一种合成代谢激素，通过对经典胰岛素反应性组织的代谢作用，胰岛素在调节葡萄糖，脂质稳态和能量储存中起着重要作用。特别地，胰岛素促进肝脏和骨骼肌中的葡萄糖以糖原形式储存，并促进脂肪酸以甘油三酯的形式在脂肪组织中沉积。人体对血糖不足极为敏感，在依赖胰岛素的组织中，胰岛素抵抗是饥饿，怀孕和感染/发炎期间维持血糖水平的主要手段。

损害胰岛素的生物学机制包括丝氨酸/苏氨酸激酶激活，以及细胞因子信号（SOCS）蛋白与胰岛素受体的相互作用。胰岛素受体底物的丝氨酸/苏氨酸抑制磷酸化过程是通过脂肪酸蓄积、促炎性细胞因子和活性氧来完成的，并通过涉及C-JunNH2末端激酶（JNK）、激活蛋白1（AP-1）、核因子kappa beta（NF-kB）和IkB激酶（IKK）信号分子的细胞内信号通路来调节。

饥饿、感染、创伤和应激是与胰岛素抵抗相关的过程。胰岛素抵抗促进葡萄糖从主要组织（骨骼肌、脂肪组织和肝脏）分配到大脑，修复组织和免疫系统。由于胰岛素抵抗，血液中的葡萄糖水平升高，以提供能量，维持重要器官的功能并对抗感染。因此，胰岛素抵抗是维持体内正常稳态的重要组成部分，可促进营养物质重定向至关键器官，成为维持生存的生理适应机制。因此，胰岛素信号的负调控可被视为一种生理适应机制，在某些情况下会被激活，例如禁食、炎症、应激和怀孕。因此，由于炎症细胞活化形成的全身性和/或局部组织特异性胰岛素抵抗可能是在应激和感染期间与体内能量源重新分配共同进化的一种保护机制。

4 胰岛素抵抗相关的保钠节俭理论

能量储存的调节和体液保存对生物体对抗饥饿、感染和生理应激至关重要。为了应对损伤，神经内分泌系统、能量存储系统，节水系统和免疫系统之间的协调已经进化。有一种假说认为，机体进化过程中主动选择了负责能量调节和钠保存的基因。随着时间流逝，能量存储和保水功能的发展为机体响应急性炎症发作提供了生存机制。为克服急性炎症发作期间的全身失水，机体激活了保水作用。就像能量存储一样，胰岛素介导的钠保存可能是自古以来人类生存的一种适应性机制。实际上，除了代谢作用外，胰岛素还可以通过刺激内皮中一氧化氮（NO）的产生来诱导血管舒张，以及通过增强肾脏中钠的重吸收来调节钠稳态，从而有助于血压的调节。胰岛素抵抗引起的血压升高会在饥饿和感染时对大脑的血液灌注增加，并增加怀孕期间流向胎儿的血流量。

钠摄入量不足或过量流失引起的水钠减少会受到严格调控，涉及肾素-血管紧张素-醛固酮系统（RAAS），交感神经系统或神经内分泌系统以保存钠和体液，从而引起血压升高。体液分布的一个决定因素是钠含量，由于钠的积累会带来水分保持。肾单位之间的钠转运对于调节钠的重吸收和血压十分重要。总体而言，在正常的生理状态下，胰岛素会刺激内皮细胞产生一氧化氮，从而发挥血管舒张和消炎作用。而在胰岛素抵抗状态下，胰岛素刺激的一氧化氮通路被选择性削弱，代偿性高胰岛素血症激活了有丝分裂原激活的蛋白激酶（MAPK）通路，从而导致血管收缩增强，促炎增加，钠水保留增加和血压升高。

为了应对这种伤害，神经内分泌系统、能量存储系统和免疫系统之间已经进化出了精巧的协调适应。从活化的免疫细胞释放的炎性细胞因子抑制胰岛素信号通路，引起血糖水平升高以提供能量来维持重要器官（心脏、大脑和免疫细胞）的功能并对抗感染。此外，由于钠摄入不足或钠过多流失而引起的水分流失和钠缺乏会激活RAAS、交感神经系统和神经内分泌系统，以保留钠和体液，并适当调节血压。自然选择可能允许钠保持基因型持续存在，这可能不适应现代钠盐丰富的环境，从而导致高血压。

三、体力活动和体力活动不足的作用

1 炎症与体力活动不足相关

通常，体力活动不足会导致内脏脂肪堆积引发慢性炎症，并且通常伴有疲劳和肌肉减少。加之其他合并症和特定疾病的症状，肌肉萎缩和炎症加重会对心血管功能和进行PA的能力产生负面影响，进一步导致PA水平下降，形成久坐的恶性（不健康的生活方式）循环。因此，腹部肥胖和体力活动不足的后果是相似的。但是，慢性全身性炎症与缺乏运动之间的联系与肥胖状况无关。

缺乏运动和腹部肥胖都与持续的全身性低度炎症有关。这一信息提示，肌肉的废用可能导致IL-6抵抗，而肥胖和体力活动不足所伴随的IL-6循环水平升高可能代表了一种常见的补偿机制。体力活动不足、中心性肥胖以及炎症之间可能存在联系。总体而言，久坐的生活方式是许多慢性疾病（包括与持续性全身性炎症相关的疾病）强大且独立的危险因素。这些关联与发病率和死亡率增加、生活质量降低和预期寿命的降低有关。体力活动不足可能是21世纪最大的公共健康问题。减少或消除这种不健康的行为将大大改善全球健康状况。

2 IL-6 抵抗

IL-6是一种多效细胞因子，参与调节从癌症引起的肌肉萎缩到有益的运动代谢反应的过程。IL-6对目标组织的不同作用机制仍然难以确定，但被认为与在靶组织上细胞因子的时间表达和IL-6的细胞释放源相关。据报道白色脂肪组织会释放静止状态时30％以上的循环IL-6。脂肪组织间质中IL-6的浓度明显高于循环IL-6 。有趣的是，约有10％的IL-6来自脂肪细胞，其余的来自脂肪组织驻留的巨噬细胞。

运动过程中肝脏将IL-6从循环中清除。一个有趣的猜测是，肝脏移除IL-6可能是机体限制长期高水平的循环IL-6 带来的潜在负面影响的生物学机制。此外，虽然血浆IL-6水平在运动训练一年后不变，但是有报道显示，规律的运动训练能够减弱外周IL-6对运动的反应。流行病学研究报告，规律PA的量和血浆IL-6水平呈负相关：体力活动越大，血浆IL-6越低。虽然血浆IL-6似乎会因运动训练降低，但肌肉中IL-6受体（IL-6Rα）的表达会上调。实际上，由于耐力训练，肌肉中IL-6Rα mRNA的含量会增加约100％。因此，可能由于IL-6Rα的表达增强部分抵消了IL-6的下调，使得IL-6的敏感性要么保持不变或者增强。IL-6和IL-6受体表达的改变提供了IL-6抵抗作为生物学现象存在的理论基础。

3 体力活动和运动的抗炎症效应

运动引起的骨骼肌适应将增加运动前骨骼肌糖原含量，增强参与β-氧化的关键酶的活性，增加脂肪组织对肾上腺素刺激的脂解的敏感性，并增加骨骼肌内甘油三酯的氧化。运动训练增加了肥胖患者的线粒体含量和骨骼肌氧化脂肪酸的能力。因此，受过训练的骨骼肌在运动中能够更好地利用脂肪作为底物，并且在此过程中机体对血糖和肌糖原的依赖性降低。

脂肪组织的增加是人类肥胖的标志。急性运动或单次运动的标志是脂肪分解增加，循环中游离脂肪酸（FFA）的水平增加，输送到收缩的肌肉。运动诱导的脂肪分解为收缩的肌肉提供燃料。当被激活时，例如PA和运动时，脂肪酸代谢的重要介质——腺苷一磷酸激活蛋白激酶（AMPK）引起线粒体中的FFA β氧化增加，细胞中脂质储存减少。增加肌肉β-氧化是抵抗脂肪在细胞内积累细胞脂毒性的重要工具。目前的假设是，运动训练可通过增加骨骼肌利用脂肪酸的能力来诱导抗炎作用，从而导致脂质含量降低。因此，定期的体力活动和运动可以通过限制脂肪组织的扩张来改善肥胖引起的脂肪组织免疫细胞分布的变化。这些变化导致巨噬细胞和其他潜在的免疫细胞向骨骼肌的集聚减少，限制了促炎性信号的激活（例如，JNK）。但是，机体未适应的体力活动或运动也会引起肌肉发炎。

目前的发现支持规律的PA 和运动通过减少内脏脂肪量和/或通过每次PA和运动过程中诱导抗炎环境来产生抗炎作用。但是，一次运动和长期运动训练也可能通过对TLR途径的激活而产生抗炎作用。运动训练的重要抗炎作用不仅体现在提供给TLR4的FFA的能力降低，还可以带来特定TLR配体水平的降低。因此，TLR4表达的下调是PA和运动的重要抗炎机制。PA和运动可降低内源性TLR4配体的利用率，并降低TLR4的表达，激活TLR4信号。总体而言，PA和运动会减少TLR4和NLRP3炎性小体的激活，从而降低IL-1β的水平。PA水平不足的个体许多促炎细胞因子的水平会升高，而运动可通过骨骼肌分泌蛋白来预防促炎性脂肪因子（肿瘤坏死因子、趋化因子C–C基序配体2和纤溶酶原激活剂抑制剂1）的损害。因此，活动的肌肉分泌的肌肉因子可能抵消了脂肪因子的促炎作用，带来了运动对全身的有益作用。

PA和运动诱发的细胞因子具有经典的抗炎作用，包括抗炎细胞因子IL-10，IL-1受体拮抗剂（IL-1ra）和IL-6增加。运动时，IL-6是第一个从收缩的骨骼肌释放到血液中的可检测的细胞因子，并与血液单核细胞产生的IL-1ra和IL-10的产量增加有关，起到抗炎作用。此外，IL-6和其他肌肉因子（例如IL-15和FSTL-1）能够介导长期运动带来的心血管危险因素（例如脂肪分布和内皮功能）改善，因此具有间接的抗炎作用。因此，定期的PA和减肥可预防和治疗与低度炎症相关的多种慢性疾病，其关键是改善炎症状况，包括促炎分子减少和抗炎分子增加。

古代医师相信PA的“运动因子”对健康的价值。今天，这些由PA和运动引起的介导收缩肌肉与其他器官之间交互的体液因子被称为肌肉因子。肌肉因子通过表观遗传学重塑来调节生理功能。大多数“运动因子”的作用归因于抗炎作用。因此，PA和运动可以被视为恢复部分由现代生活方式引起的失衡的自然疗法。这种疗法价格便宜，并且没有许多药物治疗的副作用。

4 来源于运动的IL-6

由于IL-6在历史上被认为是经典的促炎细胞因子，因此运动诱导的IL-6水平首先被认为是免疫反应的结果，该免疫反应涉及工作肌肉的局部损伤，而巨噬细胞被认为是造成这种增加的原因。但是蛋白质水平的研究证实，运动后单核细胞中IL-6 mRNA水平不会增加。此外，巨噬细胞产生的IL-6可能导致炎症反应，但肌肉细胞产生并释放的IL-6并不会激活经典的促炎症通路。人体骨骼肌的独特之处在于其在收缩过程中以完全不依赖TNF的方式产生IL-6。因此，运动增加的循环IL-6的水平与肌肉损伤无关。尽管研究确实表明结缔组织、大脑和脂肪组织是IL-6的来源，但最广为接受的IL-6的主要来源是因运动而收缩的骨骼肌。

尽管静息的人体骨骼肌IL-6 mRNA含量很低，但使用敏感的免疫组织化学方法可检测到I型纤维中的IL-6蛋白。微透析研究表明，收缩的骨骼肌中IL-6的浓度是其循环中浓度的5~100倍，这为运动期间和运动后IL-6在肌肉纤维和组织液中的蓄积提供了证据。此外，同时测量动静脉中IL-6的浓度和流经锻炼的腿部的血液IL-6，结果显示大量IL-6也从锻炼的肌肉释放到循环中。

IL-6的运动反应对运动强度敏感，这间接地代表了参与的肌肉质量和肌肉的承受能力。肌纤维肌膜上IL-6受体表达的改变可能会影响肌肉对IL- 6的敏感度。当前的证据表明，健康且训练有素的人对IL-6更为敏感，而未经训练的人则削弱了IL-6信号传导能力，并出现代偿性的高循环IL-6水平。

四、结论

感染、机械力、化学物质以及极热极寒是导致组织受损并引发炎症过程的因素。修复受损的组织需要能量，这最终会损害生存。然而，促炎反应后是正常且受到严格调节的强免疫反应。炎症愈合过程始于主要化学信号的释放，例如组胺、缓激肽、前列腺素和白三烯。因此，炎症是一种定型反应，被认为是先天免疫的一种机制，并且是正常生物组织对有害刺激物（如病原体、受损细胞或刺激物）的一系列复杂反应的一部分。体力活动不足与许多慢性健康状况和疾病有关，内脏脂肪积聚是缺乏运动的结果，并与慢性炎症有关，这将导致贫血、疲劳和肌肉质量下降的风险增加。其他合并症，特定疾病的症状和肌肉萎缩加剧了炎症。最终，体力活动不足会对心血管功能以及进行PA和运动的能力产生不利影响。这一系列不健康的事件引发了久坐的恶性（不健康的生活方式）循环。PA和运动对身体的最佳表现能够产生巨大影响。PA和定期运动产生的适应包括增加骨骼肌糖原储存，增强葡萄糖代谢和β-氧化作用的酶活性，增加脂肪组织对肾上腺素刺激的脂解的敏感性，增加肌内甘油三酯的氧化和减少内脏脂肪储存。PA和运动能够减少有训练的人体内的脂肪含量。此外，有训练的骨骼肌在运动过程中利用脂肪作为底物的能力增强，并降低对血糖和肌糖原的依赖。定期进行PA，运动和减轻体重是可针对与低度炎症相关的多种慢性疾病提供保护的治疗方法。通过改善炎症状况，降低了慢性病的患病风险。

文献来源：

Roberto Carlos Burini, Elizabeth Anderson, J. Larry Durstine, James A. Carson. Inflammation, physical activity, and chronic disease: An evolutionary perspective [J]. Sports Medicine and Health Science. 2020: 2(1): 1-6. 

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