气体信号分子在非酒精性脂肪性肝病中的作用机制研究进展

孔光耀 蒋锋 刘丽萍 陈颖卿

大连大学慢性病研究中心大连市重点实验室，辽宁大连 116622

非酒精性脂肪性肝病（non-alcoholic fatty liver disease，NAFLD）是由于胰岛素抵抗和遗传因素等导致游离脂肪酸和肝细胞内脂肪生成的增加，甘油三酯（triglyceride，TG）在肝细胞中过度堆积引起的代谢综合征，是一种常见的肝脏疾病[1-3]。NAFLD 主要包括单纯性脂肪肝、非酒精性脂肪性肝炎（nonalcoholic steatohepatitis，NASH）及相关肝硬化[4-5]。目前对NAFLD 没有有效的治疗方法，主要通过减肥、改变饮食习惯和药物治疗。

气体信号分子是一类能够自由穿透细胞膜、具有特定生理学功能和作用靶点、受体内代谢途径调控的内源性气体分子。迄今被发现具有生物学效应的气体信号分子主要有一氧化氮（nitrogen monoxide，NO）、一氧化碳（carbon monoxide，CO）和硫化氢（hydrogen sulfide，H2S）[6]，有抗炎、抗氧化和抗凋亡作用，利用其有益生物学效应可有助于治疗一些慢性肝病，如NAFLD、肝纤维化、肝硬化和肝癌等[7-8]。本文就不同气体信号分子对NAFLD 治疗的分子机制作一综述。

1 NO 对NAFLD 的干预及调控作用

NO 是多数生理系统中的重要参与者，如神经系统、心血管系统等，具有多种生物学功能，包括舒张平滑肌、降低血压、抑制血管平滑肌细胞增殖、防止血小板聚集及加强非特异性免疫防御[9]。内源性NO 主要是由一氧化氮合酶（nitric oxide synthase，NOS）在细胞内产生。研究表明，三种不同类型的NOS 主要包括神经元型NOS（nNOS 或NOS1）、内皮型NOS（eNOS 或NOS3）和诱导型NOS（iNOS 或NOS2）[10]。

1.1 eNOS 对NAFLD 的分子调控作用

肝窦状内皮细胞（liver sinusoidal endothelial cell，LSEC）是一种结构和功能独特的内皮细胞。在生理条件下，LSEC 是肝脏稳态的“守门人”，是血液和肝实质之间双向脂质交换的主要调节者[11]。首先，LSEC 开窗孔允许脂蛋白、乳糜微粒残余物和其他大分子从血液有效吸收到肝血窦中，在那里他们被肝细胞吸收。LSEC 通过抑制Kupffer 细胞和肝星状细胞（hepatic stellate cell，HSC）的活化，调节肝内血管阻力和门脉压力，显示出抗炎和抗纤维化的特性[11]。

研究表明，内源性NO 的耗竭与肝脏疾病的发生发展密切相关。例如，NO 缺乏可导致肝脏中大量脂肪沉积，这与HSC 活化和肝纤维化形成有关[12]。近期研究发现，VEGF/eNOS 信号通路在肝细胞再生中起着重要作用。VEGF 促进LSEC 内高表达eNOS，产生大量内源性NO，并诱导LSEC 释放肝细胞生长因子（hepatocyte growth factor，HGF）[13]。当细胞内eNOS 表达及NO 合成受抑制时，给予低剂量NO 供体可促进肝细胞增殖，减少肝细胞内脂肪堆积，并调节肝脏中的脂质和葡萄糖稳态。由此推断，提高细胞NO 生物利用度对防治NAFLD 具有一定的意义，见图1。此外，有文献报道，eNOS 可通过抑制Kupffer 细胞的炎症反应[14]和增强线粒体功能[15]来减轻NAFLD。他汀类药物可通过增加eNOS 活性促进肝组织血管内皮细胞中NO 的生成，从而抑制HSC 的活化[16]。

1.2 iNOS 对NAFLD 的调控作用

与eNOS 的机体保护作用相反，由iNOS 降解精氨酸产生的NO 及其衍生物，可促进NAFLD 的发生[17]。例如，与野生型小鼠比较，精氨酸酶2（Arginase2，Arg2）基因敲除小鼠在高脂饮食中表现出肝脂肪变性和组织损伤增加[18]。鉴于Arg2 与iNOS 竞争其底物（即精氨酸），缺乏Arg2 有利于iNOS 的活性增强[19]，进而导致肝细胞脂肪变性。瘦素是一种促炎性脂肪细胞因子，通过诱导iNOS 导致氧化应激，从而激活Kupffer细胞，导致NAFLD[17]。总之，eNOS 激活剂或NO 供体对NAFLD 具有治疗保护作用，而iNOS 的表达增加对肝脂肪变性具有促进作用。见图1。

图1 一氧化氮对非酒精性脂肪性肝病的作用和调控机制

2 CO 对NAFLD 的治疗作用及分子调控机制

CO 是一种内源性气体信号分子，其是由血红素加氧酶-1（heme oxygenase-1，HO-1）分解血红素而内生。研究表明，CO 可减少氧化应激和炎症反应，并保护细胞免受内质网应激[20]。CO 能够通过激活肝脏内HO-1 的表达，改善对乙酰氨基酚诱导的肝损伤[21]。目前已开发出几种被称为一氧化碳释放分子（carbon monoxide releasing molecule，CORM）的新化合物，其生物化学特性已被确定，其中，CORM-3 和CORM-A1是新近开发的两种CORM，他们都是完全水溶性，在生理培养基中培养时，CORM-3 和CORM-A1 都能有效释放CO 气体[10]。

2.1 CO/HO-1 通路在NAFLD 中的作用机制

活性氧（reactive oxygen species，ROS）在各种肝病中起重要作用，包括NAFLD 和NASH。近期研究发现[22]，CORM-A1 可以预防高脂高糖饮食喂养的C57BL/6J小鼠（作为NASH 的模型）的肝脂肪变性。在高脂高糖喂养的小鼠中，CORM-A1 能够改善脂质稳态，促进Nrf2 核转移，并增加抗氧化应激相关基因表达和增加线粒体内ATP 的生成。CORM-A1 能够通过激活Nrf2，促进抗氧化相关基因表达，进而降低线粒体内ROS 的生成，并且能明显改善高脂高糖饮食诱导的血脂异常、脂质代谢失调、肝脂肪变性和相关炎症[22]。研究表明，Nrf2/HO-1 抗氧化途径对内质网应激诱导的肝脂肪变性具有保护作用[23]。提示CORM-A1 通过Nrf2 激活介导的抗氧化应激和线粒体功能，改善NAFLD。见图2。

2.2 CO/SESN2/AMPK 通路在NAFLD 中的作用机制

近期，Kim等[8]利用蛋氨酸/胆碱缺乏饲料（methionine-choline deficient diet，MCD）喂养的动物模型确定CO 对NASH 的影响。结果显示，MCD 喂养可表现肝组织中炎症细胞浸润、肝脏脂肪堆积和肝脏内TG 浓度升高，CO 吸入疗法可明显减轻血浆天门冬氨酸氨基转移酶、丙氨酸氨基转移酶含量和肝组织TG和炎症因子水平。CO 通过抑制线粒体细胞色素c氧化酶，导致产生低水平ROS 引起线粒体应激，线粒体应激产生的ROS 可导致适应性信号通路PERKeIF2-ATF4 的激活，进而激活应激诱导蛋白SESN2 的表达，进一步激活SESN2/AMPK/mTOR 信号通路，并由此激活自噬来保护MCD 饮食诱导的NAFLD。提示CO 激活自噬是防治NAFLD 进展的潜在治疗策略。见图2。

2.3 CO/FGF21 通路在NAFLD 中的作用机制

FGF21 亚家族又称内分泌成纤维生长因子，为众多成纤维生长因子家族中的一员，包括FGF19、FGF21和FGF23 等，在人体内主要参与全身代谢调控。研究表明，在高脂肪高胆固醇饮食诱导的肥胖小鼠中，CO可通过激活PERK-eIF2-ATF4 信号通路上调FGF21 的表达，调节代谢稳态减少小鼠体重；同时CO 可通过增加FGF21 表达靶向提高线粒体功能[24]。FGF21 增高是由于葡萄糖饥饿、冷休克和自噬缺陷等多种应激诱导的代偿机制，在NAFLD 和内质网应激中具有抗氧化和促进白色脂肪向褐色脂肪转化等生物活性功能[25]。重组FGF21 蛋白可改善内质网应激引起的肝脂肪变性[26]。因此，低剂量外源性CO 可通过增加FGF21 降低内质网应激，并且抑制肝细胞内脂质积累和炎症反应，从而对NAFLD 起到治疗保护作用[24-27]。总而言之，CO 诱导的FGF21 可通过上调线粒体功能增强肝细胞氧化，抑制内质网应激或高脂肪饮食诱导的代谢功能障碍，促使白色脂肪细胞减少。见图2。

图2 一氧化碳对非酒精性脂肪性肝病的治疗作用及其分子调控机制

3 H2S 对NAFLD 的作用及分子调控机制

H2S 是一种无色气体，具有臭鸡蛋气味，长期以来被公认为有毒气体和环境污染物。研究表明，H2S各种生理和病理过程中起着重要的作用[28]。H2S 参与多种肝脏功能，包括调节线粒体功能、葡萄糖和脂质代谢、氧化应激反应等。

3.1 通过抗氧化机制减缓NAFLD

H2S 在NAFLD/NASH 中发挥多种有益生物学效应，并且新型H2S 供体可用于治疗NAFLD 和NASH。氧化应激和炎症反应在NAFLD 和NASH 发展进程中起着重要作用。研究发现，H2S 作为一种新型的生物活性气体，通过改善高脂饮食诱导的肥胖小鼠的脂质代谢和抗氧化能力，增强HO-1 的表达，抑制氧化应激反应，减少肝脏脂肪沉积，进而减轻NAFLD[28-29]。见图3。

3.2 通过AMPK-mTOR 途径激活自噬减缓NAFLD

自噬在肝脏TG 代谢中起重要作用，抑制自噬可降低肝脏中TG 的清除率，TG 在肝组织中的积累会导致NAFLD 的发生[30]。研究发现，H2S 可通过AMPKmTOR 途径激活肝细胞内自噬降低血清TG 水平，并改善NAFLD[31]。同时，硫化氢钠治疗后显著降低了高脂饮食喂养小鼠的血清TG 水平，缓解NAFLD。见图3。总之，H2S 及其供体可以通过抗氧化途径以及激活自噬来减缓NAFLD。

图3 硫化氢对非酒精性脂肪性肝病的作用及其分子调控机制

4 小结

随着人类进入一个基因组信息不断深入的时代，未来对提高NAFLD 发病机制的认识是光明的，并逐渐趋于个体化治疗。目前该领域的最大挑战是寻找更加有效且副作用小的新型药物。外源性及内源性气体信号分子能有效减缓脂肪细胞变性、减少细胞内脂肪堆积，并具有抗炎症、抗凋亡、调节代谢稳态等多种有益生物学效应，对NAFLD 具有治疗保护作用。本文对近5 年来国内外许多专家学者对3 种不同气体信号分子对NAFLD 的干预作用机制进行了大量而深入的研究和探讨，总结后发现不同气体信号分子对NAFLD的调控机制不尽相同，NO 主要激活VEGF-NO 通路，并促进LSEC 产生NO，从而诱导LSEC 释放肝脏生长因子进而抑制NAFLD；CO 除通过增强FGF21 的表达抑制NAFLD 外，还与H2S 一样，通过抗氧化途径及增加肝脏自噬来抑制NAFLD。

目前NAFLD 发病人数越来越多，但是治疗方案很少，许多治疗NAFLD 的药理学方法都集中在抑制肝脏损伤、炎症和纤维化等相对下游的治疗上，且治疗药物具有一定的副作用。这些问题迫使我们需要找到毒性低、效果好的治疗药物。美国FDA 报道，外源性NO 已经通过吸入和依赖酶活性的供体化合物进行给药治疗，美国Bellerophon Therapeutics 公司目前已将INOpulse 用于其他心肺适应证，例如与肺纤维化相关的肺动脉高压等。这给了我们一个很大的启示：今后可利用气体信号分子及其供体的吸入式疗法进行多种炎症性疾病的临床治疗，并且将更新更有效的气体信号分子供体制成气源性喷雾剂或药剂治疗NAFLD、NASH 和肝硬化。尽管在实验疾病模型中已经获得了充满希望的研究结果，但这些化合物还没有在临床上进行广泛测试，这也促使更多专家学者未来在这一领域进行更为广泛而深入的研究。此外，可将气体信号分子供体作为保健品中的重要成分，为预防NAFLD的恶化提供新的治疗方案。