肝细胞脂质代谢异常与线粒体功能障碍在NAFLD发病和疾病进程中的研究进展

陈佳豪 周振华

非酒精性脂肪性肝病(non-alcoholic fatty liver disease,NAFLD)是全世界最为人知晓的慢性肝脏疾病之一,有数据显示目前全世界被确诊为NAFLD的人数呈上升趋势[1],并且还与2型糖尿病和代谢综合征[2]等代谢紊乱疾病相关[3]。经济水平的高速发展和生活质量的日益改善,使人们对饮食的需求更加多元化,致使NAFLD发病率跃居为中国常见肝病的前列,已成为重大的公众健康问题,但没有得到足够的重视[4]。当前NAFLD的发病机制尚未有明确的定论,但大量数据表明肝脏和肝外脂肪代谢的改变是重要的致病因素[5]。虽然许多的药物正在进行临床试验,力图找寻治疗NAFLD的有效方法,但尚未研发出有效的药物来治疗或预防NAFLD。由于NAFLD是一种复杂的全身性疾病,除了肝细胞内脂肪过度堆积是NAFLD的主要病理特征之外,脂毒性、胰岛素抵抗、肠道微生物组以及炎症也是其特征[6]。近年来,国内外研究者主要研究聚焦在 NAFLD发生过程中线粒体扮演了怎样的角色,如氧化应激、呼吸作用及线粒体参与脂类代谢的作用[7]。本文将讨论NAFLD与脂质代谢和线粒体功能的相关性。

一、肝细胞脂质代谢异常与NAFLD

肝脏是脂肪代谢的中心介质,通过调节脂肪酸(fatty acid,FA)的摄取、制造、储存、输出和氧化来响应营养的生理性波动,NAFLD始于肝细胞内甘油三酯的过度蓄积[8]。肝脏脂肪的积累是由脂质获取和脂质处理之间的不平衡造成的,脂质获取和处理通过4个主要途径进行调节,包括循环脂质的摄取、脂质从头合成(de novo lipogenesis,DNL)、脂肪酸氧化(fatty acid oxidation,FAO)和极低密度脂蛋白(very low-density lipoprotein,VLDL)中的脂质输出[9]。病理状态时,肝脏脂质代谢失常,最终成为NAFLD进一步发展的诱因[10]。

(一)肝脏摄取脂肪酸增多 脂肪组织是能量储存的中转站,甘油三酯可由用餐后血中的脂肪酸合成后被储藏,NAFLD的主要特征之一是肝内甘油三酯升高[11]。当NAFLD患者存在胰岛素抵抗(Insulin Resistance,IR),产生的游离脂肪酸(free fatty acid,FFA)逃离了脂肪组织的捕获,通过其他的路径被肝脏吸收[10]。而过量FFA流入肝细胞引起的脂毒性与NAFLD进展息息相关。当肝细胞管理和输出甘油三酯形式的FFA的能力超负荷时,就会发生肝脏脂毒性[12]。综上通过控制肝脏脂肪酸的摄取量也许是预防NAFLD的潜在途径。

(二)肝脏脂肪酸从头合成增多 肝脏甘油三酯从头合成(de novo lipogenesis,DNL)作为肝脏中脂肪酸生成的另一种途径,原料乙酰辅酶A由糖酵解产生,脂肪酸是由乙酰辅酶A羧化酶(acetyl-CoA carboxylase,ACC)、脂肪酸合酶(fatty acid synthase,FAS)等关键酶经历催化加工等步骤后所合成[10]。DNL可改善NAFLD的脂肪变性[11]。在NAFLD患者中固醇调节元件结合蛋白-1c(sterol regulatory element-binding protein-1c,SREBP-1c),碳水化合物反应元件结合蛋白(carbohydrate response element-binding proteins,ChREBP)活性均增加,两者合作导致造脂基因ACC和FAS表达增强,因此通过调控SREBP-1c以及ChREBP这两个能对肝脏DNL产生影响的转录因子显得尤为重要。脂肪酸氧化减少由ACC催化产生的丙二酰辅酶A引起,导致肝脏脂肪变性程度进一步恶化,而抑制ACC可调控肝脏DNL的生成,增加脂肪酸氧化,减轻肝脂肪变性程度[13]。综上,NAFLD的发生和发展与DNL功能是否正常有关,肝脏脂质代谢异常可由DNL失调引起,通过调控DNL的转录因子避免DNL失调,可能对于维持正常的肝脏脂质代谢有帮助。

(三)肝脏脂肪酸氧化失调 线粒体β氧化是脂肪酸氧化释放能量的途径[14]。线粒体的异常可归因于线粒体过量产生活性氧(reactive oxygen species,ROS)所致。过氧化物酶体增殖物激活受体α(peroxisome proliferator activated receptor α,PPARα)不仅能调节脂蛋白代谢基因,并增强细胞对脂肪酸的摄取、酯化和运输[15]。研究表明,PPARα与脂质代谢息息相关,PPARα敲除加剧脂肪酸代谢功能障碍,引起肥胖,从而进一步加剧肝脏脂肪变性[16]。脂酰辅酶A脱氢酶(acyl coenzyme A dehydrogenase,ACAD)以及脂酰辅酶A氧化酶(acyl-CoA oxidase,ACOX)1 的表达水平可由PPARα调控,从而起到调节β氧化的作用[10]。综上,调控脂肪酸氧化可通过适度激活PPARα,维持正常脂质代谢,减缓NAFLD的发病进程。

(四)肝脏脂质输出异常 减轻肝脏脂质含量除脂肪酸氧化途径外,剩余肝脏中未被氧化的脂肪酸可以酯化为甘油三酯以极低密度脂蛋白(very low-density lipoprotein,VLDL)的形式从肝脏输出[10]。肝细胞VLDL分泌能力与肝脏脂肪变性息息相关,当VLDL分泌紊乱时,会导致甘油三酯的堆积,诱发肝脏脂肪变性。胰岛素可以通过抑制载脂蛋白B(apolipoprotein,ApoB),还可降低微粒体甘油三酯转移蛋白(microsomal triglyceride transporter protein,MTTP)的表达和活性,增加肝细胞VLDL的分泌能力,减轻肝脏脂肪的堆积[17],从而改善NAFLD。综上,通过肝细胞VLDL分泌能力的增强从而改善脂质累积也许能为治疗NAFLD提供帮助,但需要注意的是,由于脂质堆积的过量,分泌会进入稳定状态,甚至因为疾病的恶化程度而引起功能失调[10]。

二、肝细胞线粒体功能衰竭与NAFLD

在NAFLD发病进程中,线粒体功能运行是否正常有着重要的意义[7]。肝脏线粒体在降解碳水化合物、蛋白质、脂肪和外源物质的途径以及为身体细胞提供能量方面起着关键作用,其功能的完整性确保了β氧化、游离脂肪酸和三羧酸循环的正常运行[18]。肝脏脂质代谢中的一条重要途径是脂肪酸β氧化,若线粒体功能障碍,将导致肝脏中脂肪酸不能被完全氧化分解,引起脂质过度蓄积,引发NAFLD[19]。自噬是细胞功能必不可少的一部分[20],线粒体自噬不但可以清除存在于肝脏中功能受损的线粒体,还能维护正常肝脏脂质代谢功能的运行[21]。Cunningham[22]等发现肝细胞内皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase,eNOS)基因缺失和病毒敲低加剧了肝脏脂肪变性和炎症,被认为是NAFLD的关键调控因子之一的肝脏eNOS,线粒体自噬也会因其减少而受到影响,从而导致线粒体功能受损,影响肝脏脂质代谢,成为NAFLD发生和发展的诱因。有研究发现[23]敲除巨噬细胞刺激因子1(macrophage stimulating1,Mst1)能通过恢复Parkin介导的线粒体自噬异常,从而达到减轻通过喂食高脂饮食建立的NAFLD模型。线粒体ATPase ATAD3A的存在维持着胆固醇运输功能正常运行、防止线粒体结构被破坏,维护细胞生存,CHEN等[24]发现线粒体ATAD3A的缺失经由甘油三酯的蓄积和肝细胞线粒体的损伤促进了NAFLD的进展。衰老不仅在几种代谢混乱以及慢性炎症性疾病中发挥了决定性的作用,最近的数据表明在NAFLD的发生和发展过程中同样出现了肝细胞衰老的身影。更有多篇论文指出,肝脏衰老或许可以被当作是NAFLD的独立诱发因素,诱发初期线粒体功能紊乱和进一步的代谢失常[25]衰老与线粒体功能障碍相互之间存在着联系,线粒体对于细胞凋亡、坏死性下垂、活性氧(ROS)的产出和封存中起着不可替代的作用,这种能量平衡的维持离不开线粒体的质量和数量的支撑,但衰老会引起这些动态平衡的缺失,造成功能障碍的线粒体的累积。近年来的研究指出,衰老通过推动关键的线粒体调节途径的失衡而引起线粒体健康的衰减。线粒体功能失常可能通过不同途径激活和加速细胞衰老[26]。衰老还对高龄的NAFLD患者产生影响[27]。

三、脂质代谢异常与线粒体功能衰竭

当脂质代谢异常时,脂肪酸及其肉碱衍生物积累引起毒性,抑制呼吸链复合体,引起ROS增加,最终导致线粒体肿胀和破裂[28]。有证据表明肝细胞中的线粒体-内质网(ER)和线粒体-脂滴(LD)接触位点可以调节细胞脂质代谢,同时维持肝细胞功能运转正常,当线粒体功能受损时可能也会对其造成影响[29],从而影响到脂质代谢。肝细胞线粒体自噬不但促进肝脏脂质代谢[21],也对脂滴的形成有帮助[30]。KIM等发现在喂养高脂饮食的肝X受体α(liver X receptorα,LXRα)基因敲除小鼠中,LXRα的激活抑制肝细胞自噬,成为线粒体发生功能障碍的诱因,为肝脏脂肪变性创造了条件[31]。维系正常脂质代谢离不开线粒体3-磷酸甘油脱氢酶(mitochondrial glycerol 3-phosphate dehydrogenase,mGPDH)的调控。Zheng等[32]的研究同样也证实了这个观点。有研究观察到,SMP-30基因敲除后脂代谢紊乱,导致肝脏脂肪堆积和过早死亡,SMP-30基因缺失诱导脂代谢紊乱,导致血脂升高,进一步加重肝脏脂肪堆积[33]。肝细胞内过多的脂肪堆积导致细胞内钙离子浓度的改变,引发内质网减少及线粒体和细胞质增加。这种失衡导致内质网应激,ROS生成增加[25]从而导致线粒体功能异常。综上所述,正常的线粒体功能有助于维持脂质代谢正常的运行,脂质代谢的正常运行同样也会确保线粒体功能不受损伤,维持两者功能正常运行可能对于治疗NAFLD有帮助。

四、改善线粒体功能衰竭在NAFLD治疗和预防中的重要作用

许多的潜在靶点已被发现可能为NAFLD的治疗提供新思路。NAFLD常见的发病原因之一与线粒体功能障碍引起ROS异常增多引起肝脏脂肪变性有关。AMPK被认为是线粒体的守护者,几乎所有线粒体损伤都可以激活AMPK。AMPK激活可调节线粒体形态,抑制线粒体ROS相关内质网应激[34],防止线粒体功能障碍。因此AMPK在治疗NAFLD方面具有研究的潜力[35]。中药单体则已被证明可以调控AMPK[36]。Wu[37]等通过研究发现,虾青素(astaxanthin)通过恢复氧化磷酸化(oxidative phosphorylation,OXPHOS)复合体和ATP水平,抑制ROS产生,使线粒体功能得到改善,同时也可以减轻NAFLD的肝损伤[1],这涉及上调FGF21/PGC-1α通路。Mu[38]等通过研究发现,九转黄精丸不但对肝脏线粒体超微结构有保护作用,还有恢复线粒体功能,从而治疗与NAFLD相关的线粒体功能障碍。

近几年,随着对NAFLD研究的深入,发现肠道菌群与脂肪肝疾病之间存在联系,研究者同样也在努力研究益生菌对非酒精性脂肪肝的治疗效果。最近的随机临床试验表明,益生菌可以改善转氨酶、肝脏脂肪变性和减轻肝脏炎症,从而达到缓解NAFLD的目的。尽管试验的结果令人欣喜[39],但未来的研究仍然需要对益生菌可能会带来的生物安全问题提高警惕。目前正在测试几种抗生素对非酒精性脂肪肝的作用,研究发现长期使用抗生素不但可以降低肠道细菌多样性,并能抑制肝脏炎症[40]。即使抗生素可能对非酒精性脂肪肝的治疗有所帮助,但抗生素在消灭有害细菌的同时也会给益生菌带来伤害,而且在我们的日常生活中并不乏滥用抗生素情况的存在,因此产生的抗生素耐药性同样需引起我们的重视。综上所述,肝细胞脂质代谢异常和线粒体功能衰竭可能会引起一系列变化,如线粒体功能受损,从而引发肝细胞脂质代谢异常和氧化应激异常,脂肪酸氧化可能也会受到影响。这些不同病理变化通过互相的作用产生影响,从而加速肝脂肪变性,导致炎症的产生,发生肝细胞死亡,进一步推动NAFLD的发病和进展。已经有许多的研究都将对于线粒体的治疗作为NAFLD的潜在治疗路径,也在一些动物模型中产生了一些疗效,为今后新药研发提供研究思路和潜在的靶点。但是由于我们对于NAFLD的发病机制等了解还不充分,未来仍然需要对NAFLD进行更加深入的研究。

利益冲突声明：所有作者均声明不存在利益冲突。