楊冰清,尹靜亞,王 琦
首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京地壇醫(yī)院肝病中心,北京 100015
非酒精性脂肪性肝?。∟AFLD)是指除外酒精和其他明確的肝損傷因素所致的肝細(xì)胞內(nèi)脂肪過度沉積為主要特征的臨床病理綜合征,包括單純性脂肪肝(NAFL)、非酒精性脂肪性肝炎(NASH)、NASH 相關(guān)性肝纖維化、肝硬化和肝細(xì)胞癌等[1-2]。NAFLD已成為最常見的慢性肝病,全世界總患病率為32.4%[3]。當(dāng)前針對NAFLD的治療策略有效性不佳,深入研究發(fā)病機制具有重大意義。目前廣為認(rèn)可的發(fā)病機制是“多重打擊”學(xué)說,即胰島素抵抗、線粒體功能障礙、炎癥激活、飲食因素和遺傳因素等均參與NAFLD 的疾病進(jìn)展[4]。其中肝線粒體功能障礙發(fā)揮重要作用,包括線粒體形態(tài)學(xué)改變、線粒體DNA損傷、脂肪酸代謝紊亂和能量代謝異常、氧化應(yīng)激、脂質(zhì)過氧化和線粒體自噬異常等[5]。因此,針對肝線粒體的研究已經(jīng)成為NAFLD防治一個新的、重要的突破口。
1.1 肝線粒體參與能量代謝
線粒體最重要的作用是通過氧化磷酸化產(chǎn)生ATP向細(xì)胞提供能量,細(xì)胞生命活動95%的能量來自線粒體。三大能源物質(zhì)糖、脂肪和氨基酸在線粒體氧化釋放能量,其共同途徑是三羧酸循環(huán)(TCA)和呼吸鏈的氧化磷酸化(OXPHOS)[6]。
1.1.1 脂肪酸的氧化 線粒體中,長鏈脂肪酸通過脂酰CoA 合成酶催化為脂酰CoA,在肉堿酯酰轉(zhuǎn)移酶-1 和肉堿-脂酰肉堿轉(zhuǎn)位酶的作用下進(jìn)入線粒體基質(zhì),脂酰CoA經(jīng)β-氧化生成乙酰CoA,再經(jīng)過TCA被徹底氧化[7]。
1.1.2 TCA 乙酰CoA 和草酰乙酸合成檸檬酸,經(jīng)一系列反應(yīng)和多次氧化脫羧,最終降解成草酰乙酸。此過程伴隨著CO2的生成,并釋放大量的能量。
1.1.3 OXPHOS TCA 中產(chǎn)生的H+與遞H 體結(jié)合,形成還原型輔酶Ⅰ和還原型黃素二核苷酸,電子在電子傳遞鏈(electron transfer chain,ETC)最終傳給基質(zhì)中的O2,生成H2O。線粒體基質(zhì)泵出H+,產(chǎn)生跨膜電化學(xué)勢能,這種勢能又驅(qū)使H+通過ATP合酶重新回到線粒體基質(zhì),伴隨ETC的氧化同時合成ATP。
1.2 肝線粒體調(diào)節(jié)細(xì)胞程序性死亡 線粒體在調(diào)節(jié)細(xì)胞程序性死亡中扮演著重要作用,參與細(xì)胞凋亡、細(xì)胞焦亡、細(xì)胞自噬、壞死性凋亡、鐵死亡和銅死亡等[8]。
1.3 肝線粒體的可塑性/適應(yīng)性
線粒體是高度動態(tài)化的細(xì)胞器,細(xì)胞能量需求增加時,其結(jié)構(gòu)和功能都會產(chǎn)生適應(yīng)性的變化以滿足細(xì)胞的能量需求。
1.3.1 線粒體分裂/融合的動態(tài)平衡 線粒體通過分裂、融合的動態(tài)平衡控制自身的形態(tài),形成獨特的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)來維持細(xì)胞正常生理功能和調(diào)控能量代謝[9]。線粒體的融合過程主要由動力蛋白超家族介導(dǎo);分裂由動力相關(guān)蛋白介導(dǎo)[10]。
1.3.2 線粒體的生物合成 線粒體的生物合成包括增殖和分化。增殖引起數(shù)量改變,分化引起功能性與結(jié)構(gòu)性的改變[11]。
1.3.3 線粒體自噬 線粒體自噬是指自噬小體包裹線粒體并融合溶酶體,降解清除老化、損傷的線粒體,以維持細(xì)胞平衡和抑制活性氧(ROS)的產(chǎn)生[12-13]。線粒體質(zhì)量受線粒體生物合成與自噬共同調(diào)節(jié)控制。
2.1 單純性肥胖中肝線粒體的改變 研究[14]表明,單純性肥胖者和健康者肝線粒體含量相似,但肥胖者肝線粒體最大呼吸速率比健康者高4~5倍,提示肥胖者線粒體ETC 復(fù)合物的活性更高、呼吸能力更強。另一項研究[15]分別對肥胖有抗性的A/J 小鼠和敏感性的C57BL/6小鼠進(jìn)行基因富集分析發(fā)現(xiàn),相比C57BL/6 小鼠,A/J 小鼠肝線粒體ETC 復(fù)合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ的13 個OXPHOS基因顯著增加。高脂飲食喂養(yǎng)后,兩類小鼠肝線粒體產(chǎn)生同樣的ATP,但A/J 小鼠線粒體的最大呼吸速率更高,表明A/J 小鼠肝線粒體解偶聯(lián)呼吸增加。研究[12]證明當(dāng)肝脂肪超載和能量需求增加時,肝線粒體能夠調(diào)節(jié)自身來適應(yīng)能量改變,阻止肥胖向NAFLD的進(jìn)展。
2.2 NAFL 中肝線粒體的改變 Petersen 等[16]研究表明,NAFL 患者和健康者的肝線粒體脂肪酸氧化速率沒有差異。但也有研究[17]發(fā)現(xiàn),NAFL 患者比健康者肝線粒體TCA 速率更高,且增加的倍數(shù)與肝內(nèi)甘油三酯含量呈正相關(guān),表明伴隨肝脂質(zhì)堆積,線粒體氧化活性增強。Pedersen 等[18]發(fā)現(xiàn),NAFL 患者比健康者肝線粒體的最大呼吸速率增加。總之,NAFL 患者肝臟慢性脂質(zhì)過載進(jìn)一步增強了肝線粒體的氧化代謝,導(dǎo)致氧化應(yīng)激,損害線粒體,并從良性脂肪變性進(jìn)展為NASH[19]。
2.3 NASH中肝線粒體的改變
NAFL 進(jìn)展為NASH 時,肝線粒體進(jìn)一步受損,包括肝線粒體結(jié)構(gòu)改變、mtDNA 損傷、呼吸代謝下降和解偶聯(lián)呼吸增強、脂肪酸氧化異常、ROS 過度生成、肝線粒體適應(yīng)性下降和磷脂成分改變等。這些病理變化互相影響,加重肝脂肪變性,引發(fā)炎癥及肝細(xì)胞死亡,促進(jìn)NASH發(fā)展。
2.3.1 肝線粒體結(jié)構(gòu)的改變 研究[20]發(fā)現(xiàn),NASH 患者肝線粒體形態(tài)高度異常,包括肝線粒體腫脹變圓、多層、嵴斷裂消失、含有堆疊的晶狀包涵體以及巨線粒體等。
2.3.2 mtDNA 損傷和復(fù)制受抑 NASH 患者mtDNA 出現(xiàn)損傷,損傷的mtDNA 激活TNFα 上游的Toll 樣受體9引發(fā)炎癥,加重NASH[21]。研究[22]發(fā)現(xiàn),NASH 患者的死亡相關(guān)凋亡誘導(dǎo)蛋白激酶2-絲氨酸/精氨酸富集剪接因子6 信號通路被抑制,引起編碼mtDNA 復(fù)制機制酶的DNA 聚合酶γ2基因病理性剪接,抑制mtDNA 復(fù)制,導(dǎo)致肝線粒體數(shù)量減少和ETC 蛋白缺失,破壞線粒體介導(dǎo)的呼吸作用。
2.3.3 肝線粒體呼吸代謝下降和解偶聯(lián)呼吸增加 研究[14]發(fā)現(xiàn),NASH 患者肝線粒體的最大呼吸速率低于健康者,ETC復(fù)合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ表達(dá)降低,導(dǎo)致ETC活性下降。解偶聯(lián)蛋白-2(uncoupling protein-2,UCP-2)是線粒體UCP家族成員,UCP介導(dǎo)H+不通過ATP合酶從線粒體內(nèi)膜滲漏到線粒體基質(zhì)(質(zhì)子滲漏),降低內(nèi)外膜的勢能差但不產(chǎn)生ATP,直接將勢能轉(zhuǎn)化為熱能釋放。生理狀態(tài),肝細(xì)胞不表達(dá)UCP-2,但NASH患者過表達(dá)UCP-2,線粒體質(zhì)子泄漏率增加,減輕氧化還原壓力,但能量合成效率也降低,使肝細(xì)胞合成的ATP 不滿足細(xì)胞活動所需[23]。ATP耗竭實驗[24]表明,NASH 患者肝臟ATP耗竭后的恢復(fù)效率顯著降低,線粒體無法為細(xì)胞活動提供足夠的能量,加劇NASH。
2.3.4 肝線粒體氧化損傷和產(chǎn)生大量ROS NASH 患者肝線粒體中,參與抗氧化防御的H2O2酶活性下降,而DNA 氧化損傷的標(biāo)志物8-羥基-脫氧鳥苷表達(dá)增加。動物研究[14]發(fā)現(xiàn),NASH 小鼠肝線粒體氧化應(yīng)激和炎性途徑如c-Jun氨基端蛋白激酶/核因子κB 信號通路被激活,也提示NASH 肝臟存在氧化損傷。同時,線粒體抗氧化能力的下降又使線粒體更容易氧化損傷,導(dǎo)致線粒體功能障礙并生成大量ROS[25]。生理狀態(tài)下,肝線粒體ETC產(chǎn)生的少量ROS 可被抗氧化防御系統(tǒng)解毒,但NASH 患者肝線粒體脂肪酸氧化增加(還原型輔酶Ⅰ生成增加)和ETC 損傷(ETC 內(nèi)的電子流部分被阻斷),產(chǎn)生過量ROS 損害OXPHOS 蛋白和mtDNA,這種氧化損傷加重了線粒體功能障礙,進(jìn)一步增加電子泄漏和ROS 形成,導(dǎo)致惡性循環(huán)[26]。
2.3.5 肝線粒體分裂/融合的動態(tài)平衡失調(diào) 與健康小鼠相比,NASH小鼠調(diào)控肝線粒體融合的線粒體融合蛋白1/2和視神經(jīng)萎縮蛋白1水平顯著降低,提示NASH 小鼠肝線粒體融合缺陷[27]。而肝線粒體過度分裂,加劇NASH的肝臟炎癥和纖維化[28]。
2.3.6 肝線粒體自噬受抑 NASH 患者肝線粒體自噬調(diào)節(jié)基因缺失,線粒體自噬受抑制,且抑制的程度與NASH 嚴(yán)重程度呈正相關(guān),導(dǎo)致受損線粒體蓄積、細(xì)胞壞死和釋放線粒體中的細(xì)菌殘余(低甲基化的CpG 基序和甲酰肽),進(jìn)一步促進(jìn)肝臟炎癥和NASH[5]。
2.3.7 肝線粒體生物合成下降 NASH患者調(diào)節(jié)肝線粒體生物合成的轉(zhuǎn)錄因子AMP活化蛋白激酶、過氧化物酶體增生物激活受體γ 共激活因子-1α、線粒體轉(zhuǎn)錄因子A和核呼吸因子1/2表達(dá)下降,線粒體生物合成下降,肝線粒體氧化能力受損,加重肝脂肪變性[14]。
2.3.8 肝線粒體膜磷脂成分的改變 研究[29]表明,NASH
患者肝線粒體膜磷脂成分改變,影響肝線粒體功能,包括線粒體動力學(xué)、ETC 活性和線粒體自噬等。已有研究[27]發(fā)現(xiàn),NASH患者肝細(xì)胞磷脂合成有關(guān)的酶CDP-二酰基甘油合酶2缺乏,肝細(xì)胞磷脂合成減少,損害肝線粒體的形態(tài)和功能,同時加重肝脂肪變性和纖維化。
2.3.9 NASH 患者血漿脂質(zhì)的改變 NASH 患者的嚴(yán)重程度與一些血漿脂質(zhì)含量改變有關(guān)。肝內(nèi)甘油二酯和神經(jīng)鞘脂類物質(zhì)在NASH 中增加,且與肝臟氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)呈正相關(guān)[30-31]。有研究[32]發(fā)現(xiàn)將血脂變量三酰甘油、二酰甘油和鞘脂等添加到常規(guī)標(biāo)志物中,顯著提高了NASH 的診斷準(zhǔn)確性。雖然沒有達(dá)到指導(dǎo)臨床診斷的區(qū)分水平,但這些結(jié)果顯示了脂質(zhì)組學(xué)作為NAFLD特別是NASH的非侵入性生物標(biāo)志物的潛力。
另外,最新研究[33]證實,線粒體丙酮酸載體蛋白1的表達(dá)與NAFLD 肝脂質(zhì)沉積呈正相關(guān),其在小鼠肝細(xì)胞中的表達(dá)被敲減后可以改善肝細(xì)胞脂肪變性。存在于線粒體和細(xì)胞核中的雙細(xì)胞器蛋白,可以通過激活Notch 通路和增強骨橋蛋白的產(chǎn)生促進(jìn)NASH 肝纖維化[34]。
NAFLD的發(fā)生發(fā)展與肝線粒體功能障礙密不可分[35]。早期評估線粒體功能障礙對NAFLD 的診斷并控制其進(jìn)展具有重要意義,但評估肝線粒體形態(tài)、數(shù)量和質(zhì)量仍具有挑戰(zhàn)性[36]。目前,評價線粒體含量的金標(biāo)準(zhǔn)是透射電鏡,但成本高、耗時長的缺點限制了其應(yīng)用[37]。因此,研發(fā)更易檢測、準(zhǔn)確性高的無創(chuàng)診斷生物標(biāo)志物極為重要。最近,肝線粒體無創(chuàng)性生物標(biāo)志物如細(xì)胞外囊泡[38]和循環(huán)無細(xì)胞線粒體[39]的研究取得了新進(jìn)展,這些標(biāo)志物持續(xù)反映肝臟的變化和肝細(xì)胞的損傷,具有廣闊的應(yīng)用前景。
NAFLD發(fā)病機制復(fù)雜,許多新藥還處于臨床研究階段,安全性和有效性還需進(jìn)一步驗證。已有大量研究從線粒體動力學(xué)、mtDNA、線粒體ROS 的產(chǎn)生及其抗氧化防御機制角度,闡述線粒體與NAFLD 的密切關(guān)系,提示線粒體靶向治療是一個有前景的治療領(lǐng)域,希望未來通過深入、系統(tǒng)的研究為NAFLD 的預(yù)防和治療開辟新途徑。
利益沖突聲明:本文不存在任何利益沖突。
作者貢獻(xiàn)聲明:楊冰清負(fù)責(zé)參考文獻(xiàn)查閱及撰寫論文;尹靜亞參與論文修改;王琦負(fù)責(zé)綜述構(gòu)架制訂,論文審校及最后定稿。