肝病肌肉减少症发病机制研究进展*

蔺 宁，孔 明 综述，段钟平 审校

全世界每年约有200万人死于肝病，其中一半死于肝病相关并发症[1]。由于肝脏是人体重要的代谢器官，肝脏疾病时可出现营养素代谢改变，引起一系列营养相关并发症，如营养不良，肌肉减少症和骨质疏松等。其中肌肉减少症是指全身性肌肉质量降低和力量减退，机体生理功能障碍，并导致生活质量下降，甚至死亡的综合征，简称肌少症(sarcopenia)[2]。肌少症可影响高达70%的晚期肝病患者，使患者生活质量和生存率降低，肝病并发症和感染发生率增加，以及肝移植术后预后不良[2, 3]。研究表明，肌肉减少症是肝病预后的重要预测因素[4]。但其发病机制尚不完全清楚，并且目前大多数治疗以营养、运动等干预为主，尚缺乏疗效肯定的针对发病机制的治疗药物。因此，本文将肝病肌少症的发病机制进行总结，以便确定干预治疗的靶点，改善临床预后。

1 肝病患者肌肉减少症的发病机制

1.1 营养物质缺乏和代谢改变 骨骼肌质量是通过蛋白质合成和分解以及骨骼肌再生能力之间的平衡来维持的，该过程需要多种营养物质参与。在肝病患者中，腹胀、食欲降低等消化道症状导致进食减少，肝病相关并发症如胃肠道瘀血、肠道菌群紊乱等引起肠道吸收功能减弱，以及肝脏合成功能减退导致营养物质合成障碍等，均可影响营养物质的摄入和吸收。另外，肝脏的高分解代谢状态也使骨骼肌消耗增加，导致肝病患者出现肌肉减少[3]。研究发现，晚期肝病患者常出现蛋白质和氨基酸代谢异常，表现为芳香族氨基酸(aromatic amino acids，AAA)水平升高，支链氨基酸(branched chain amino acid，BCAA)水平下降，导致血清支链氨基酸/芳香族氨基酸比值(BCAA/AAA)降低。芳香族氨基酸的增加是因为肝脏合成功能减退和门体分流，肝脏和肌肉中蛋白质降解释放增加所致。而支链氨基酸的减少是因为它参与了骨骼肌中氨的处理，消耗增加[5]。低BCAA/AAA已证实与肝硬化相关并发症肝性脑病的发病机制有关[6]。肌肉质量的降低不仅受蛋白质代谢异常的影响，还与碳水化合物和脂肪代谢异常有关。研究表明，肝病患者可出现糖异生增加、胰岛素抵抗增加、脂解增加和酮体生成等营养素代谢异常[2]，促使肌肉萎缩的发生。

1.2 激素水平异常 骨骼肌生长发育受多种激素调节，其中最重要的是肌生成抑制素。肌生成抑制素是转化生长因子β(transforming growth factor-β，TGF-β)超家族成员，是一种强效自分泌生长抑制剂，通过损伤哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合体1(mammalian target of rapamycin complex1，mTORC1)及其在Akt/mTORC1通路的下游信号反应，抑制骨骼肌生长，从而降低肌肉质量。肌生成抑制素还可通过减少肌卫星细胞增殖和分化抑制肌肉生成[7]。

在对肝硬化患者的研究中发现，肝硬化是一种获得性生长激素抵抗状态，可导致胰岛素样生长因子1(insulin like growth factor-1，IGF-1)、睾酮等促进生长的激素生成减少。并且其减少的程度与肝病严重程度相关[8]。IGF-1可通过激活Akt/mTORC1途径，促进骨骼肌蛋白质合成。体内外研究发现，IGF-1还可以抑制肌生成抑制素mRNA表达，促进肌肉生长。因此低水平IGF-1可导致骨骼肌肌肉萎缩。睾酮水平的降低也与肌少症的发生相关，睾酮能够通过抑制肌生成抑制素的产生，增加骨骼肌肌肉质量[9]。一项体外研究中观察到睾酮可以刺激肌细胞培养皿中卫星细胞的有丝分裂，增加肌卫星细胞数量，提高骨骼肌细胞内氨基酸的利用率，增加蛋白质合成。此外，睾酮还可通过增加骨骼肌内Ca2+浓度促进G蛋白相关受体的激活，有利于骨骼肌细胞生长。在一项随机试验研究中，对101例肝硬化、血清睾酮低的男性进行12个月双盲、安慰剂对照实验，结果显示肌注睾酮后肌肉和骨骼质量增加、脂肪减少，但没有观察到患者生存率增加[10]。

1.3 高氨血症 氨在肝脏中代谢生成尿素。除了肝脏外，骨骼肌也是处理氨的主要场所。肝硬化患者出现肝细胞功能障碍和门体分流导致血氨升高，此时骨骼肌处理氨的作用尤其重要。因此肌肉质量的降低会影响氨的解毒作用，反之亦然。高氨血症通过激活p65核因子kB(NF-kB)介导的经典途径，诱导肌生成抑制素转录，上调其表达[11]，引起肌肉质量降低。

高氨血症还可通过肝-骨骼肌轴导致肌肉萎缩。骨骼肌中氨的积累，阻止α-酮戊二酸(α-Ketoglutaric acid，AKG)的生成。AKG是三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle，TCA cycle)的底物。AKG 生成减少，TCA循环受损，ATP合成减少。由于蛋白质合成是一个消耗能量较大的过程，低浓度ATP导致蛋白质合成减少[12]。此外，骨骼肌中氨浓度增加会抑制脱氢酶，例如丙酮酸脱氢酶和AKG脱氢酶，使乙酰辅酶A和琥珀酰辅酶A生成减少，导致持续的线粒体功能障碍和蛋白质合成受损。从而引起肌肉萎缩。

此外，高氨血症还导致来自线粒体内膜中电子传递链的复合物Ⅲ的电子泄露，使活性氧产生增加引起细胞损伤并诱导肌肉自噬[13]以及肌肉收缩性受损[14]。

1.4 泛素蛋白酶体途径和自噬的激活 泛素蛋白酶体途径(ubiquitin proteasome pathway，UPP)是肌肉蛋白质水解的主要途径，用来降解错误折叠或未折叠蛋白。蛋白质与泛素结合标记后，在26S蛋白酶体降解。过度激活的UPP促使骨骼肌蛋白质分解，导致肌肉萎缩。其特征是肌肉特异性E3型泛素-蛋白连接酶增加，调控骨骼肌中蛋白质分解。Atrogin-1/MAFbx(muscle atrophy F-box protein)和MuRF-1(muscle-specific RING finger protein 1)是两种常见的肌肉特异性E3型泛素-蛋白连接酶，可作为骨骼肌萎缩的早期标志物[15]。Atrogin-1通过降解真核翻译起始因子3(eIF3)，从而抑制蛋白质合成，导致肌肉萎缩。MuRF-1通过降解肌球蛋白重链(MHC)、肌动蛋白等肌肉结构蛋白，导致肌肉质量下降。此外，在肌少症中主要降解的骨骼肌蛋白质是肌原纤维蛋白，例如MHC，它是肌肉收缩过程中的关键组成部分，从而引起肌肉功能减退。肌肉自噬是通过UPP的激活介导的，慢性肝病中的炎症、循环中的促炎细胞因子(如TNF-α和IL-6)增加均可上调UPP，激活自噬[7, 15]。

1.5 氧化应激 氧化应激也存在于骨骼肌萎缩过程中，其主要类型是活性氧(reactive oxygen species , ROS)，ROS的增加可导致骨骼肌蛋白质合成和降解失衡。ROS通过激活Atrogin-1和MuRF-1的表达蛋白酶体依赖的蛋白质降解，也可激活钙蛋白酶和半胱氨酸蛋白酶(caspase-3)，从而增加蛋白质分解。研究报道在二氢三甲吡啶处理的慢性肝病小鼠模型中，小鼠出现肌肉质量降低和力量减退，检测发现除ROS增加外，依赖于氧化应激的蛋白质修饰也增加，如4-羟基壬烯醛(4-HNE)和羰基化[15]。氧化损伤的收缩蛋白会堆积在骨骼肌中进而损伤肌肉功能。抗氧化膳食能否改善慢性肝病小鼠的肌肉减少症还有待研究。

1.6 身体活动减少 研究报道，肝硬化患者和动物模型身体活动增加后，肌肉质量得到改善[3, 15]，提示身体活动是导致肌少症的重要因素。研究表明，身体活动通过调节肌动蛋白的释放，抑制炎症反应[16]。因此，身体活动减少可引起炎症反应，导致肌肉质量降低和力量减弱。另外一项研究中，肝硬化患者接受抵抗力训练后， IGF-1上调，抑制肌生成抑制素生成，从而防止肌肉衰竭并维持身体功能[7]，但还需要更多证据证实。最近的研究显示，慢性适度运动可减少小鼠肝脏、心脏和骨骼肌组织中的自噬通量，增加组织功能适应[17]。但抑制肝病小鼠骨骼肌自噬机制的最佳运动类型及运动频率仍需探讨。研究训练计划时还应考虑蛋白质和碳水化合物的摄入情况。

1.7 肠道菌群失调 研究报道，肝硬化患者可出现肠道菌群改变和上皮细胞紧密连接丧失，从而引起肠道通透性增加，导致细菌代谢产物如内毒素及脂多糖，被淋巴组织中的模型识别受体Toll4识别，介导炎性细胞释放促炎细胞因子如肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor α，TNF-α)和白细胞介素6(interleukin 6，IL-6)，激活TNF-α和IL-6受体。此时机体处于慢性炎症状态，UPP活性增加，导致肌肉蛋白质分解[18]。此外，肝细胞癌、免疫功能紊乱和门体分流均可导致肠道屏障功能受损，肠内细菌过度生长，从而使营养物质吸收障碍。此外，还可干扰机体代谢和影响肠道运动，导致细菌移位和感染相关并发症，如自发性细菌性腹膜炎，进而引起全身炎症，导致肌肉质量减少。但目前尚未获得相关证据，肠道菌群改变对肌少症的影响有待进一步研究[3, 16]。

肠道内的微生物代谢产物，如短链脂肪酸(short-chain fatty acids，SCFA)已被证实是骨骼肌的营养物质和代谢调节剂。目前研究表明，SCFA能够促进骨骼肌细胞ATP生成，抑制骨骼肌蛋白质分解和凋亡，增加蛋白质合成、葡萄糖摄取及肌肉脂质周转，降低胰岛素抵抗，从而维持骨骼肌质量[19]。研究发现，小鼠的抗生素治疗可降低血清IGF-1并抑制骨骼肌生成，补充微生物代谢产物SCFA可使抗生素治疗小鼠的IGF-1和骨骼肌质量恢复到非抗生素治疗的小鼠水平，表明肠道微生物代谢产物SCFA可能是增加血清IGF-1的一种重要机制[20]。

2 不同肝病引起肌肉减少的发病机制

2.1 酒精性肝病 与非酒精性肝病患者相比，酒精性肝病患者更易出现骨骼肌肌肉质量减少[2]。酒精性肝硬化患者的全身蛋白质周转代谢研究显示，即使摄入足够的营养物质，蛋白质合成仍不足。具体机制为乙醇及其代谢产物乙醛可抑制mTORC1及其信号靶标，使蛋白质合成减少。乙醇还可损伤骨骼肌线粒体功能，线粒体功能受损导致ATP生成减少，从而损害蛋白质合成[21]。肌肉量减少不仅因为蛋白质合成减少，同时也出现蛋白质水解增加。研究报道酒精性肝病患者的肌肉自噬增加[22]。酒精性肝病患者的肌肉自噬并非通过UPP介导，因为乙醇及其代谢产物可损害线粒体功能，从而抑制UPP。此时肌肉自噬的激活是由于线粒体功能受损导致的活性氧产生增加和细胞应激。如前所述，乙醇及其代谢产物乙醛可抑制mTORC1使蛋白质合成减少，与此同时还可以激活自噬。Akt/PKB1和AMPK是mTORC1上游调控因子，也是乙醇抑制mTORC1的潜在靶点。目前研究中AMPK的激活机制尚不清楚，在肝细胞和成肌细胞中的研究发现，乙醇磷酸化可激活肝细胞中的AMPK[23, 24]，而在另外一项研究中发现，喂食乙醇的小鼠肌管和肌肉组织中AMPK的激活减少，说明mTORC1和AMPK通过蛋白磷酸酶介导的机制去磷酸化[21]。

但目前酒精性肝病的体外和动物模型研究仅为短期酒精处理，不能等同于长期存在的酒精性肝病。人体内乙醇代谢产物乙醛具有细胞毒性，会损害尿素生成过程中的关键限速酶，鸟氨酸转氨酶。因此在酒精性肝病患者中，即使没有严重的肝功能障碍和门体分流，也会出现高氨血症。乙醇摄入增加和高氨血症在内的其他代谢产物刺激增加共同导致酒精性肝病患者肌肉自噬。具体机制仍需进一步研究。

2.2 胆汁淤积性肝病 胆汁淤积是指胆汁分泌及排泄障碍，有毒的胆汁酸和其他肝内代谢物累积以及全身循环胆汁酸增加[25]。胆汁淤积性肝病，如原发性胆汁性胆管炎(primary biliary cirrhosisPBC)和原发性硬化性胆管炎(primary sclerosing cholangitis，PSC)引起胆汁酸代谢和分泌功能障碍，胆管腔内胆汁盐浓度降低，导致脂肪和脂溶性维生素吸收不良，例如A、D、E和K。胆汁淤积性肝病患者血浆中胆酸和脱氧胆酸增加。最近一项研究发现，胆汁淤积小鼠较正常小鼠胆酸和脱氧胆酸升高、肌肉直径减小和肌球蛋白重链(MHC)水平降低，当小鼠的TGR5基因敲除后，胆汁淤积小鼠肌肉直径和MHC水平与正常小鼠相似。这表明胆酸和脱氧胆酸引起骨骼肌萎缩的机制可能与胆汁酸受体TGR5有关[26]。

2.3 非酒精性脂肪性肝病 研究表明，骨骼肌肌肉质量降低与非酒精性脂肪性肝病(nonalcoholic fatty liver disease，NAFLD)患病率增加独立相关[27]，并且可使NAFLD患者胰岛素抵抗增加[28]。骨骼肌是胰岛素介导的葡萄糖代谢的重要器官，骨骼肌代谢功能异常会引起胰岛素抵抗，使骨骼肌脂质沉积、脂肪细胞功能紊乱和细胞分泌模式改变，从而导致肌肉萎缩[29]。此时NAFLD患者可同时出现骨骼肌质量减少、脂肪组织增加和体脂百分比增高，称为少肌性肥胖。

2.4 肝移植术后 终末期肝病患者经肝移植治疗后出现体重和体重指数增加，然而增加的大部分是脂肪质量，肌肉质量仍减少。因此，肝移植术后出现少肌性肥胖的患者越来越多见[2, 30, 31]。但发病机制尚不清楚，有研究报道皮质类固醇和mTOR抑制剂对骨骼肌有负性作用，可导致肝移植术后肌肉减少的发生[1]，仍需要更多证据证实。

3 总结

肌肉减少症是肝脏疾病的常见营养相关并发症，且预后不良。肝病肌肉减少的主要机制包括营养物质缺乏和代谢改变、激素水平异常、高氨血症、泛素蛋白酶体途径和自噬的激活等。不同病因的肝病涉及机制不甚相同。但目前临床上肌少症的治疗以营养、运动等干预为主，研发针对肝病患者肌少症相关信号通路关键蛋白的治疗药物刻不容缓。PIK3/AKT信号通路的激活剂、外源性IGF-1、mTOR调节剂和AMPK激活剂等都是较有潜力的肌少症治疗药物，但其疗效及能否改善肝病患者预后有待大规模临床试验研究。