王雨欣王 倩田 穎
(1.揚州大學(xué)旅游烹飪學(xué)院,江蘇 揚州 225127;2.揚州大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院,江蘇 揚州 225009)
肝作為人體最大的解毒器官,主要負責(zé)清除體內(nèi)產(chǎn)生的代謝廢物和進入體內(nèi)的有害物質(zhì),對機體起著重要的保護作用。 當(dāng)肝受到損傷時,它的功能也會受到嚴(yán)重影響,導(dǎo)致過多的脂肪和有毒代謝物等的堆積,造成肝纖維化、肝衰竭等癥狀,甚至更嚴(yán)重的肝癌。 化學(xué)性肝損傷是指由有毒化學(xué)物質(zhì)以及過量的酒精等引起的肝損傷[1],同時,劑量和時間的差異也會對肝損傷的程度產(chǎn)生不同的影響。 目前用于治療化學(xué)性肝損傷的藥物十分有限,過度使用護肝片等還可能會加重肝損傷[2],因此,研究具有不同作用機制的化學(xué)性肝損傷動物模型,有助于開發(fā)更多保肝護肝的保健食品和治療肝病的有效藥物。 本文從化學(xué)物質(zhì)的作用機制出發(fā),綜述了不同作用機制的化學(xué)物質(zhì)引起動物肝損傷的途徑和優(yōu)缺點,為后續(xù)研究提供了更多的可能性靶點。
四氯化碳(carbontetrachloride,CCl4)作為工業(yè)上廣泛使用的一種有機化學(xué)毒物,易被肝吸收,現(xiàn)已成為建立化學(xué)性肝損傷模型最為常用的化學(xué)物質(zhì)[3],其作用機制主要是通過氧化應(yīng)激反應(yīng)及其導(dǎo)致的炎癥反應(yīng)造成肝細胞損傷。 CCl4進入機體后,可經(jīng)細胞色素酶P450(cytochromeP450,CYP450)代謝成為三氯甲基自由基(·CCl3)、三氯甲基過氧自由基(CCl3OO ·) 等 活 性 氧 自 由 基。 活 性 氧(reactive oxygen species,ROS)大量累積,進而與肝細胞膜上的大分子共價結(jié)合,誘導(dǎo)肝細胞膜脂質(zhì)過氧化,引起膜結(jié)構(gòu)與功能受損,導(dǎo)致肝細胞發(fā)生氧化應(yīng)激反應(yīng);其次,·CCl3會直接攻擊肝細胞線粒體,抑制膜上鈣泵的活性,導(dǎo)致膜內(nèi)外鈣離子濃度失衡,從而影響肝細胞的代謝功能,導(dǎo)致肝細胞壞死。 在氧化應(yīng)激狀態(tài)下, 超氧化物歧化酶(superoxide dismutases,SOD)和谷胱甘肽過氧化物酶(glutathione peroxidase,GSH-Px)作為肝細胞內(nèi)重要的抗氧化酶,會被大量消耗,含量顯著下降。 相反, 脂質(zhì)過氧化反應(yīng)的終產(chǎn)物丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量會顯著上升。 CCl4代謝產(chǎn)物可激活肝枯否細胞,釋放大量促炎因子[4],刺激免疫細胞釋放高遷移率族蛋白B1(high mobility group protein B1,HMGB1)[5],其主要受體之一Toll 樣受體4(toll-like receptor4,TLR4)被激活,使 IL-1 受體相關(guān)激酶( interleukin-1 receptorassociated kinase,IRAK)與髓樣分化因子88(myeloid differentiation factor 88,MyD88)解離并進入胞漿內(nèi),進而激活腫瘤壞死因子受體相關(guān)因子-6(tumor necrosis factor receptor associated factor-6, TRAF-6)[6],誘導(dǎo)IκB 激酶(IκB kinase,IKK)復(fù)合物磷酸化,使核轉(zhuǎn)錄因子-κB(nuclear factor-κB,NF-κB)信號通路的關(guān)鍵蛋白分子NF-κB p65 被轉(zhuǎn)運到肝細胞核內(nèi)并與特定DNA 序列結(jié)合,導(dǎo)致肝細胞產(chǎn)生炎癥反應(yīng)。 NOD 樣受體熱蛋白結(jié)構(gòu)域相關(guān)蛋白3(NODlike receptor thermal protein domain associated protein 3,NLRP3)作為NOD 樣受體家族中最為重要的一員,可被TLR4 信號激活形成NLRP3 炎癥小體,進而促進白細胞介素-18(interleukin 18,IL-18)等炎癥因子的成熟與釋放[7]。 進入肝細胞的TLR4 信號誘導(dǎo)產(chǎn)生大量NLRP3 炎癥小體,進一步促進炎癥因子釋放,導(dǎo)致炎癥級聯(lián)放大反應(yīng)[8],造成炎癥反應(yīng)的惡性循環(huán),加劇肝細胞損傷與凋亡。 此外,CCl4還可上調(diào)轉(zhuǎn)化生長因子β1(transforming growth factorβ1,TGF-β1)的表達[9],從而激活肝纖維化的關(guān)鍵細胞——肝星狀細胞(hepatic stellate cells,HSCs),進而刺激成纖維細胞生成細胞外基質(zhì)(extracellular matrix,ECM)過度表達,誘導(dǎo)肝纖維化,導(dǎo)致肝損傷加重。
CCl4誘導(dǎo)的化學(xué)性肝損傷模型操作簡單,成本低,能在較短時間內(nèi)建立理想的化學(xué)性肝損傷模型。 此外,其癥狀與人肝損傷較為相似,穩(wěn)定性強。因此,CCl4是建立化學(xué)性肝損傷動物模型的首選化學(xué)物質(zhì)。 但CCl4毒性較大,除肝外還會損傷其他臟器,特異性較低,因此CCl4誘導(dǎo)的化學(xué)性肝損傷模型不適用于免疫機制等方面的研究[10]。
硫代乙酰胺(thioacetamide,TAA)是工業(yè)上的殺菌劑,具有很強的肝毒性,其誘導(dǎo)肝損傷的機制與CCl4相似,均可促使肝細胞發(fā)生氧化應(yīng)激和脂質(zhì)過氧化反應(yīng)。 TAA 經(jīng)細胞色素P450 家族成員2E1(CYP2E1)活化,轉(zhuǎn)化為TASO2(CH3CSO2NH2),可與磷脂酰乙醇胺脂等大分子共價結(jié)合,促進脂質(zhì)過氧化,提高MDA 水平并降低SOD 和GSH-Px 活性,白細胞介素-6(interleukin 6,IL-6)、腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)等炎癥因子大量釋放,進而激活NLPR3 炎癥小體,同時,TLR4/NF-κB 通路和TGF-β1 通路被激活,加劇炎癥反應(yīng)與肝纖維化進程。 磷脂酰肌醇- 3 激酶(phosphatidylinositol 3-kinases,PI3K)/蛋白激酶B(protein kinase B,Akt)/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)通路與多種腫瘤密切相關(guān),其活性異??梢鹉[瘤細胞的增殖與遷移[11]。 TLR4 信號可激活PI3K/Akt 通路,促進腫瘤細胞增殖,進而可能會演變成肝癌。 另外,c-Jun 氨基末端激酶(c-Jun N-terminal kinase,JNK)信號通路可參與細胞凋亡、分化等過程[12],其上游因子細胞凋亡信號調(diào)節(jié)激酶1 (apoptosis signalregulated kinase 1,ASK1)對氧化應(yīng)激高度敏感,過度活化后可激活JNK 通路。 過量的TAA 可促進ASK1 磷酸化,激活JNK 信號通路,從而誘導(dǎo)抗凋亡基因B 淋巴細胞瘤-2 基因(B cell lymphoma/leukemia-2,Bcl-2)和促凋亡基因Bcl-2 相關(guān)X 蛋白基因(bcl-2-associated X protein,Bax)表達失衡[13],導(dǎo)致Bax 蛋白表達增加并向線粒體膜外移動,增加線粒體通透性,釋放細胞色素c,誘導(dǎo)線粒體功能障礙與凋亡誘導(dǎo)分子釋放,破壞細胞修復(fù)過程。
TAA 造??芍貜?fù)性高且不易逆轉(zhuǎn),誘導(dǎo)的肝纖維化模型與人肝纖維化相似,適合用于篩選抗纖維化藥物等。 然而,目前沒有對TAA 造模的劑量研究,因此造模之前需要查閱大量文獻并進行預(yù)實驗來確定最佳劑量。
氧化應(yīng)激是化學(xué)物質(zhì)致肝損傷最為常見的作用機制,除CCl4、TAA 外,甲苯二異氰酸酯(toluene diisocyanate,TDI)[14]、玉米赤霉烯酮(zearalenone,ZEA)[15]等化學(xué)物質(zhì)也可通過誘導(dǎo)氧化應(yīng)激和脂質(zhì)過氧化誘導(dǎo)肝細胞損傷。
D-半乳糖胺(D-galactosamine,D-GalN)進入機體后可在半乳糖激酶和半乳糖-1-磷酸尿酰轉(zhuǎn)移酶的作用下與三磷酸尿苷(uridine triphosphate,UTP)結(jié)合形成穩(wěn)定的尿苷衍生物UDP-D-GalN,即通過消耗肝中的UTP 來抑制依賴UTP 的RNA 等大分子合成,導(dǎo)致肝細胞炎癥和壞死[16],是一種肝細胞磷酸尿嘧啶核苷干擾劑。 同時,D-GalN 可促進ROS 釋放,刺激肝細胞發(fā)生氧化應(yīng)激反應(yīng),誘導(dǎo)肝細胞膜脂質(zhì)過氧化并干擾線粒體正常功能,進而促進炎癥因子表達,引起肝細胞損傷[17]。 此外,D-GalN 還可誘導(dǎo)肥大細胞細胞質(zhì)中鈣離子水平的增加,從而破壞肝細胞膜結(jié)構(gòu),促使肝細胞凋亡。 使用D-GalN 造模時一般將其與脂多糖(lipopolysaccharides,LPS)或腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor α,TNF-α)聯(lián)合使用,增強其肝毒性。 LPS 作為一種內(nèi)毒素,可誘導(dǎo)單核細胞趨化蛋白- 1(monocyte chemotactic protein 1,MCP-1)的表達,從而特異性激活單核細胞、巨噬細胞等[18],進而參與體內(nèi)免疫應(yīng)答與炎癥反應(yīng)[19]。 此外LPS 還可以與血漿中的脂多糖結(jié)合蛋白(lipopolysaccharide binding protein,LBP)結(jié)合形成復(fù)合體,再與肝細胞表面的分化抗原簇基因14(cluster of differentiation 14,CD14)、骨髓分化因子2(myeloid differentiation factor 2,MD2)受體結(jié)合,從而激活TLR4。 D-GalN/LPS 可識別并激活TLR4/NF-κB 通路,炎癥因子表達量迅速升高并進一步激活體內(nèi)的免疫應(yīng)答,造成炎癥因子級聯(lián)放大,加重肝損傷,甚至導(dǎo)致重癥肝炎等不可逆肝疾病。 TNFα 是一種炎癥因子,肝受損后會大量釋放,刺激機體發(fā)生炎癥反應(yīng),并可直接破壞內(nèi)皮細胞,導(dǎo)致肝細胞壞死[20]。 D-GalN 聯(lián)合TNF-α 主要通過內(nèi)源性和外源性凋亡信號途徑誘導(dǎo)化學(xué)性肝損傷[21]。 內(nèi)源性凋亡信號途徑是通過激活JNK 信號通路,增加Bax 蛋白表達,引起線粒體膜通道孔通透性增加與細胞色素c 的釋放,誘導(dǎo)產(chǎn)生凋亡級聯(lián)反應(yīng)。 外源性凋亡信號途徑是將TNF-α 與細胞表面TNF-α 受體1(TNFR1)結(jié)合,激活Caspase-3,上調(diào)Bax 基因,進而激活內(nèi)源性凋亡途徑[22]。
D-GalN 是構(gòu)建肝損傷和肝衰竭模型相對合適的化學(xué)物質(zhì),其特異性強,不會損害其他器官,但價格較高,且不同品系動物之間劑量差別較大,短期死亡率高,故應(yīng)用范圍小于CCl4和TAA。
此外,α-鵝膏毒肽也可通過阻斷RNA 聚合酶從而抑制RNA 合成[23]。
人體代謝酒精途徑主要有兩種:酒精脫氫酶(alcohol dehydrogenase,ADH) 途 經(jīng) 和CYP2E1 途徑[24]。 大多數(shù)酒精在ADH 的作用下利用煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(nicotinamide adenine dinucleotide,NAD+)轉(zhuǎn)化為乙醛并產(chǎn)生NADH,進而轉(zhuǎn)化為無毒無害的代謝產(chǎn)物從體內(nèi)排出[25];少量經(jīng)CYP2E1 代謝,從呼吸和尿液中排出,同時會累積少量ROS。與ADH 作用相同的酶還有過氧化氫酶(catalase,CAT),CAT 也可以參與到酒精代謝過程中。 長期或過量攝入酒精會降低NAD 與NADH 的比例(NAD+/NADH),導(dǎo)致肝中過度脂肪堆積,形成脂肪肝;同時,ADH 與CAT 活性降低,導(dǎo)致CYP2E1 代謝增加及ROS 過量累積,促進肝細胞發(fā)生氧化應(yīng)激反應(yīng),激活TLR4/NF-κB 通路,加快肝損傷進程。 ROS還會誘導(dǎo)線粒體細胞色素c 的釋放,通過合成凋亡小體,進而激活Caspase-3,引起線粒體DNA 降解和肝細胞凋亡。 長期暴露于酒精還會改變腸道微生物群和通透性,腸道中的LPS 進入肝,激活肝枯否細胞且與TLR4 作用,加重炎癥反應(yīng)。 在酒精的刺激下,巨噬細胞被激活,從而釋放大量促炎因子和趨化因子來損害肝,增加硫氧還蛋白相互作用蛋白(thioredoxin-interacting protein,TXNIP)的表達,進而促進Caspase-1 介導(dǎo)的細胞凋亡通路,誘導(dǎo)肝炎癥反應(yīng)[26]。 此外,酒精在代謝過程中會形成多種蛋白質(zhì)加合物并影響內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的蛋白質(zhì)折疊,在正常狀態(tài)下,肝細胞通過激活未折疊蛋白來維持內(nèi)質(zhì)網(wǎng)穩(wěn)態(tài),而過多酒精的會降低肝酶的活性,從而導(dǎo)致錯誤折疊蛋白和未折疊蛋白的大量堆積,引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)(endoplasmic reticulum stress,ERS)[27]。當(dāng)肝細胞處于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激狀態(tài)時,蛋白激酶R 樣內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶(protein kinase R-like ER kinase,PERK)被過量的未折疊蛋白激活,從而使真核起始因子2α(eukaryotic initiation factor 2α,eIF2α)磷酸化,誘導(dǎo)活化轉(zhuǎn)錄因子4(activating transcription factor 4,ATF4)的轉(zhuǎn)錄,從而上調(diào)C/EBP 環(huán)磷酸腺苷反應(yīng)元件結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子同源蛋白(CHOP)的表達[28-29],進而誘發(fā)肝細胞凋亡級聯(lián)反應(yīng), 導(dǎo)致肝細胞凋亡[30-31]。
酒精性肝損傷模型具有較高的造模率,對臨床研究具有重要意義,可用于開發(fā)更多預(yù)防酒精性肝損傷的保健食品和藥物。 但酒精造模存在品系和性別差異,部分動物模型成本高,且缺乏統(tǒng)一的造模標(biāo)準(zhǔn)。
異煙肼的作用機制與酒精類似,通過抑制線粒體中酶的活性[32],干擾正常的能量代謝,導(dǎo)致肝細胞凋亡,從而造成肝細胞損傷。
膽汁淤積通常伴隨著膽汁酸在肝中過度積累,最終導(dǎo)致肝受損,如果不及時治療,會導(dǎo)致肝纖維化、肝硬化等嚴(yán)重后果。 用于誘導(dǎo)膽汁淤積性肝損傷模型的主要化學(xué)物質(zhì)是α-萘異硫氰酸酯(αnaphthyl isothiocyanate,ANIT),其誘導(dǎo)的模型與人膽汁淤積癥臨床病理相似度較高。 ANIT 進入機體后可與谷胱甘肽(glutathione,GSH)結(jié)合,由于結(jié)合不穩(wěn)定,ANIT 結(jié)合物在膽管中分解,直接損傷膽管上皮細胞,引起膽管周圍炎癥,導(dǎo)致膽汁堵塞和淤積,最終導(dǎo)致肝細胞損傷。 正常狀態(tài)下,膽汁酸可激活法尼醇受體(farnesoid X receptor,FXR),促進其與小異二聚體伴侶(small heterodimer partner,SHP)的結(jié)合,通過多種途徑抑制膽汁酸的合成、轉(zhuǎn)運、重吸收等[33-34],從而阻止肝細胞進一步損傷。 ANIT 可下調(diào)FXR 表達,導(dǎo)致FXR 與SHP 結(jié)合減少,降低其負反饋抑制細胞色素 P450 家族成員 7A1(CYP7A1)基因轉(zhuǎn)錄的能力[35],導(dǎo)致CYP7A1 表達增加,進而加速膽固醇轉(zhuǎn)化為膽汁酸,增加膽汁酸合成。 鈉離子?;撬峁厕D(zhuǎn)運多肽(Na+dependent taurocholate cotransporter,NTCP)與陰離子轉(zhuǎn)運多肽(organic anion transporting polypeptides,OATPs)是膽汁酸轉(zhuǎn)運的主要轉(zhuǎn)運蛋白,大約90%的膽汁酸都由NTCP 轉(zhuǎn)運[36]。 FXR 與SHP 結(jié)合減少導(dǎo)致NTCP與OATPs 表達減少,導(dǎo)致肝膽汁酸重吸收減少。 人成纖維細胞生長因子15/19(fibroblast growth factor 15/19,FGF 15/19)可通過抑制膽汁酸合成從而參與體內(nèi)脂質(zhì)、葡萄糖等調(diào)節(jié)過程[37]。 FXR 的下調(diào)可導(dǎo)致FGF 15/19 的表達和分泌減少以及CYP7A1 表達的增加,進一步促進膽汁酸的合成[38]。 FXR 下調(diào)還可降低膽汁酸鹽輸出泵(bile salt export pump,Bsep)和多藥耐藥相關(guān)蛋白2(multidrug resistanceassociated protein 2,Mrp2)的表達,減緩膽汁酸的排泄與轉(zhuǎn)運,導(dǎo)致膽汁酸在肝中淤積。 細胞色素P450家族中3A4 (CYP3A4)[39]、膽汁酸輔酶A 合成酶(BACS)等代謝酶可增加膽汁酸的親水性并促進膽汁酸的排泄。 FXR 下調(diào)會導(dǎo)致CYP3A4、BACS 等代謝酶表達下降,對膽汁酸的解毒作用減弱,大量有毒膽汁酸淤積在肝中,最終導(dǎo)致嚴(yán)重的肝損傷。ANIT 還可以降低肝的抗氧化防御能力,促使中性粒細胞產(chǎn)生大量ROS,導(dǎo)致肝氧化應(yīng)激和炎癥。
ANIT 誘導(dǎo)的膽汁淤積性肝損傷模型操作簡便可靠,能很好地模擬了人膽汁淤積癥,然而,ANIT 的灌胃給藥對研究人員的操作水平有一定要求,且可能會對胃腸道造成損害,影響需口服或灌胃藥物的療效[40]。
此外,由3,5-二乙氧基羰基-1,4-二氫-2,4,6 - 三甲基吡啶( 3, 5-diethoxycarbonyl-1, 4-dihydrocollidine,DDC)[41]誘導(dǎo)的膽汁淤積性肝損傷模型也常用于人膽汁淤積癥的研究。
二乙基亞硝胺(N-nitrosodiethylamine,DEN)是一種廣泛存在于自然界的致癌物質(zhì),具有高度活性,對人和動物都有致癌性,且對肝具有特異性,經(jīng)口攝入可能造成嚴(yán)重的肝損傷[42],低劑量DEN 可改變肝結(jié)構(gòu)并誘導(dǎo)肝纖維化,同時可促進肝癌的典型特征,如肝細胞增生、癌細胞增殖等,因此DEN 常用于建立動物肝纖維化和肝癌模型。 DEN 在體內(nèi)主要被CYP2E1 羥基化,然后分解成具有高親電活性的碳正離子等,導(dǎo)致DNA 烷化損傷和肝細胞損傷,進而可能誘發(fā)癌癥[43]。 由CYP3E1 代謝過程中釋放的大量ROS 則會導(dǎo)致氧化應(yīng)激損傷。 DEN 代謝同時產(chǎn)生的重氮化合物在肝細胞DNA 合成過程中與堿基結(jié)合,引起堿基錯配或轉(zhuǎn)錄異常,導(dǎo)致DNA 突變和腫瘤細胞生成。 谷胱甘肽S-轉(zhuǎn)移酶P1(glutathione S-transferase P1,GSTP1)是谷胱甘肽巰基轉(zhuǎn)移酶家族的成員,可通過代謝多種致癌化合物來避免細胞DNA 損傷[44-45]。 抑癌基因啟動子區(qū)CpG 島的高甲基化會導(dǎo)致染色質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的改變,從而阻止基因轉(zhuǎn)錄,并使抑癌基因沉默[46]。 DEN可誘導(dǎo)Gstp1 啟動子高甲基化,降低Gstp1 表達,使其代謝DEN 化合物能力下降,同時抑癌基因沉默,導(dǎo)致肝細胞DNA 嚴(yán)重受損以及腫瘤細胞大量生成。信號傳導(dǎo)與轉(zhuǎn)錄激活因子3(signal transducer and activator of transcription 3,STAT3)是IL-6/STAT3 通路中的一個重要信號因子,可經(jīng)IL-6 激活后進入細胞核內(nèi)與DNA 應(yīng)答元件結(jié)合,調(diào)節(jié)細胞內(nèi)DNA 的轉(zhuǎn)錄和活性,上調(diào)Bcl-2 等基因表達,從而促進腫瘤細胞增殖以及抑制腫瘤細胞凋亡[47]。 核受體共刺激因子5(nuclear receptor coactivator 5,NCOA5)是一種核受體輔助調(diào)節(jié)因子,能抑制肝炎癥的相關(guān)因子釋放,進而抑制其下游的STAT3 通路[48]。 DEN可抑制NCOA5 表達,隨后上調(diào)STAT3 表達,激活I(lǐng)L-6/STAT3 信號通路,導(dǎo)致炎癥因子大量釋放,同時Bcl-2 等基因表達增加,導(dǎo)致大量腫瘤細胞增殖且凋亡受到抑制,促使肝癌發(fā)生。
DEN 常用于誘導(dǎo)原發(fā)性肝細胞癌(hepatocellular carcinoma,HCC)模型,便于更好地了解人HCC,劑量、暴露時間等均會影響DEN 誘導(dǎo)肝損傷的特征。 DEN 肝癌造模時間較長,死亡率高,毒性大,實驗操作時需要注意人員安全問題。
類似機制的化學(xué)物質(zhì)還有黃曲霉素 B1(aflatoxin B1,AFB1)[49],也可以通過改變DNA 結(jié)構(gòu)從而促進腫瘤細胞的增殖與遷移,進而引發(fā)肝癌。
本文主要介紹了CCl4、TAA、D-GalN、酒精、ANIT 和DEN 致動物肝損傷的作用機制,主要有以下5 種:(1)氧化應(yīng)激;(2)干擾RNA 合成;(3)影響酶的活性;(4)誘導(dǎo)膽汁淤積;(5)促進腫瘤細胞生成。 肝損傷是許多肝疾病研究的起點,了解不同化學(xué)物質(zhì)致肝損傷的作用機制,可以探索更多有效治療化學(xué)性肝損傷的活性物質(zhì)。 以上5 種作用機制都可以作為化學(xué)性肝損傷研究的重點,可以為研究保肝護肝的保健食品和治療藥物提供更多選擇。