肝线粒体在非酒精性脂肪性肝病临床进程中的代谢功能变化

张明明 汪艳

非酒精性脂肪肝(NAFLD)包括从单纯脂肪变(NAFL)到非酒精性脂肪性肝炎(NASH)的一系列疾病进展过程,可发展为肝硬化和肝癌[1]。目前NAFLD的全球患病率达到30%,是慢性肝病的最常见原因,与肥胖和2型糖尿病流行趋势并行,晚期肝病和代谢疾病死亡的风险增加,严重影响患者生活质量和社会卫生健康水平[2]。

NAFLD的治疗研发中有很多针对该类疾病的异常代谢特点,涉及致病机制有高热量营养长期过量摄入、遗传变异、脂肪组织功能障碍、线粒体功能异常、氧化应激等;肠道微生态失调似乎也有显著作用[3]。在高热量超负荷摄入、线粒体应激、基因差异等因素影响下,人体内热量主要消耗器官(骨骼肌)和储存器官(脂肪组织)可出现胰岛素抵抗,脂肪分解增加,大量非酯化的游离脂肪酸(FFA)进入肝脏;同时,因胰岛素抵抗出现的高胰岛素血症也促进肝脏脂肪生成[4]。

对于大量代谢负荷,肝组织通过提高线粒体FFA氧化(mtFAO)反应,防止甘油三酯(TG)和脂毒素积累。但这种适应性调整在长期代谢异常的情况下,不足以减少肝脏脂肪堆积,且mtFAO上调与线粒体呼吸链(MRC)工作能力往往不协调,氧化应激会随之而起,该反应变化在NASH发生及发展中产生重要作用[4]。因此,线粒体功能异常,如脂肪酸氧化受损以及氧化磷酸化(OXPHOS)驱动氧化应激,是NASH病理生理机制的重要特征。为评估NAFLD患者中肝线粒体的功能状况,最近临床研究通过高分辨率呼吸测定,分析肝线粒体的呼吸功能水平[5-7]; 通过位置同位素核磁共振示踪剂分析(PINTA)计算肝线粒体氧化率[8-9]。对线粒体功能状态的准确检测,在技术层面目前还存在有创性和检测操作复杂等特点,影响了大规模研究的广泛实施。但这些并未妨碍肝线粒体相关代谢过程已成为NAFLD治疗靶点研究的重点内容[10]。本文将从肝线粒体功能角度探讨其中影响NAFLD病理生理的分子机制,了解潜在治疗靶点。

一、肝脏生理状态下的线粒体功能与脂肪代谢

线粒体是双层膜细胞器,源自十多亿年前被前真核细胞吞噬的a-变形菌[11]。线粒体含有自己的小型环状基因组(mtDNA),编码线粒体基质中与OXPHOS作用有关的13种蛋白及其辅助RNA[12]。线粒体中的蛋白约有1200种,由胞核中基因组编码,在胞质中合成,再靶向运送到线粒体[13-14]。线粒体是细胞能量的主要提供者,是三羧酸循环(TCA)的场所[15]。线粒体还参与其他重要的基础代谢,包括氨基酸和核苷酸合成、铁硫簇生物合成、代谢中间产物生物合成以及钙离子稳态等[16]。此外,细胞凋亡和天然免疫的调控也与线粒体的信号系统有密切关系[17]。

肝脏是机体物质与能量代谢的首要器官。肝线粒体通过OXPHOS,即包括氨基酸、丙酮酸和脂肪酸等的底物氧化作用与ATP合成作用之间的电子转移链(ETC)与化学渗透作用的紧密耦合过程,将酶促氧化反应产生的化学能转化为高能磷酸键[18]。呼吸控制率(RCR),即腺苷二磷酸(ADP)刺激下的呼吸作用与静息呼吸作用之比,是反映OXPHOS耦合的灵敏指标,可以检测线粒体中氧化反应释放能量转换为ATP的效率,即OXPHOS效率[19]。生理状态下,在线粒体氧化代谢与ETC电子传递过程会产生少量的活性氧(ROS),后者由锰超氧化物歧化酶分解为过氧化氢,然后再被谷胱甘肽过氧化物酶和还原型谷胱甘肽分解成水[20]。

肝细胞中FFA的主要来源包括,白色脂肪组织释放入循环血的非酯化脂肪酸、肠道吸收合成的乳糜微粒的水解,以及肝细胞内的脂质新生。FFA进入线粒体进行β-氧化,或被酯化成TG,再以极低密度脂蛋白的形式分泌到血浆中[21]。短链FFA和中链FFA进入线粒体不需要特殊辅助分子,而长链FFA进入线粒体时,需要在外膜与辅酶 A(CoA)结合,再被肉碱棕榈酰转移酶1(CPT1)转化为酰基肉碱;酰基肉碱由肉碱-酰基肉碱转位酶(CACT)转位到线粒体内膜上;内膜上的CPT2将酰基肉碱上的乙酰基还给CoA,乙酰辅酶A硫酯在线粒体基质发生β-氧化反应,产生NADH和FADH2,NADH和FADH2再通过ETC的四种酶分子复合物和ATP合成酶复合物V,逐级进行氧化还原反应电子穿梭,以及最后将ADP合成ATP;此外还生成酮体,主要是乙酰乙酸和β-羟基丁酸,可在禁食期间被肝外组织用于产能[22-23]。β-氧化增多,会通过产生CPT1抑制剂--丙二酰基辅酶A,减少线粒体对FFA的摄入[24]。细胞内存在过量FFA,会引发ROS大量生成,引起脂毒性及其相关的内质网应激、钙离子失调、线粒体失功和细胞死亡[25]。禁食期间糖异生的第一步由线粒体中的丙酮酸羧化酶和苹果酸脱氢酶催化,进食后TCA代谢物柠檬酸盐可离开线粒体,作为肝脏新生脂肪的碳源[26]。

生成ATP需要线粒体ETC蓄积电化学势能,组成ETC的部分多肽链需要由mtDNA编码[12]。mtDNA的稳定复制是决定线粒体生物发生的重要事件,核呼吸因子NRF1和NRF2、过氧化物酶体增殖物活化受体g共激活因子PGC1α和PGC1β,以及腺苷酸活化蛋白激酶等参与调控该过程[27]。线粒体生物发生、线粒体动力学,即线粒体融合和线粒体裂变,以及线粒体自噬等都会直接影响线粒体的数量和质量控制[28]。

线粒体功能异常会激活线粒体未折叠蛋白反应(UPRmt),该反应由线粒体-胞核通讯调控的保守的转录反应,可以通过代谢适应和精准线粒体生物发生程序,促进细胞生存和线粒体恢复;但UPRmt持续活化会引起线粒体基因组损坏的扩大和线粒体受损,参与衰老相关的机体衰退[29]。

二、NAFLD进展病程中的线粒体变化与能量代谢紊乱

(一)非脂肪肝性肥胖 无脂肪肝的肥胖人群与胰岛素敏感的瘦者人群之间的线粒体功能差别,也许可以体现NAFLD潜伏阶段的变化。Koliaki等[5]在一项纳入53名成年人(20岁至70岁)的单中心临床研究中,通过离体高分辨率呼吸测定法量化肝线粒体呼吸作用,与线粒体数量测量相结合,评估不同阶段NAFLD的肝线粒体变化。结果显示,肥胖组与瘦人群组相比,肝脏中与β-氧化和TCA活性相关的最大非偶联呼吸升高了85%,而RCR有所下降[5]。肥胖但尚未出现肝TG过度蓄积时,OXPHOS能力升高体现了肝线粒体对脂质负荷升高的适应性变化,而RCR下降则表明线粒体可能同时存在解偶联。这些变化也许有助于保护肝脏免受脂毒性、脂肪变,以及氧化应激等的不良影响。另外一项有14名正常体质量的健康成年人(20～40岁)参与的单中心临床研究显示, 在急性高脂摄入后,肝胰岛素抵抗、糖异生和 ATP 浓度都增加,骨骼肌和脂肪组织也同时出现了胰岛素抵抗[30]。近年来临床提出了“代谢健康的肥胖症”概念,对此目前暂无正式诊断标准,一般指没有表现出明显的心血管系统异常的肥胖症患者,主要发生在下肢而非肝脏的脂肪累积等情况,但胰岛素敏感指标基本正常[31]。然而这种代谢功能增强的适应性状态并不稳定,随着年龄增长可逐渐出现代谢综合征,发生2型糖尿病与心血管疾病的风险也较健康瘦人群高[31]。因此,在无脂肪肝的肥胖阶段,肝线粒体OXPHOS可适应性升高,并通过解偶联或其他调节抗氧化应激,减免脂质蓄积与脂毒性,但该阶段并非处于稳定可持续的正常代谢状态。

(二)非酒精性脂肪肝 探索NAFL中肝线粒体变化或许可进一步了解NAFLD疾病始发的重要因素。Koliaki等[5]比较了无脂肪肝的肥胖症人群与肥胖的NAFL人群,发现两者肝组织都有脂质过氧化显著增加和RCR显著下降,但ROS水平和DNA氧化损伤均无显著改变;其中仅NAFL组的ETC复合物、线粒体生物发生关键调节因子出现了显著下调。另一项单中心临床研究将30例无肥胖、无过量饮酒史、肝功能正常的青年男性志愿者,以肝TG含量≥4%为标准分为健康对照组和NAFL组,通过PINTA方法检测肝线粒体氧化率,发现两组间无明显差异[8]。而早期一项研究纳入30例超重或肥胖的成年受试者(20～67岁),同样采用PINTA方法,发现有NAFLD肥胖者相对无NAFLD肥胖者,其线粒体氧化代谢水平高出约2倍,并且肝TG含量与线粒体氧化通量和无氧通量均呈正相关[32]。最近,研究者在一项包括62例接受减肥手术的严重肥胖者和9例接受其他腹部手术的正常体质量者的临床研究中, 通过肝组织活检以及高分辨率呼吸测量法分析肝线粒体呼吸水平,发现与非NAFL正常体质量者相比,NAFL肥胖者的肝脏OXPHOS水平高,mtDNA/nDNA含量也显著增加,但这种变化似乎与体质量水平而非NAFLD严重程度相关;并且该研究结合其中21例减重手术患者术后12个月再次肝活检组织的分析结果,比较发现肝氧化能力指标、肝TG、血FFA和分离线粒体的胰岛素抵抗等指标得以改善[7]。这些数据表明,肥胖者中肝线粒体氧化能力的上调与是否发生NAFL无关,但NAFL早期可能出现线粒体代谢相关变化,包括肝脏RCR降低,ETC复合物以及线粒体生物合成相关基因的表达降低[5]。此类线粒体相关改变可能是后续出现氧化应激加重和脂质过氧化产生脂毒性的重要原因。

(三)NASH及纤维化 研究发现,NASH肝组织会出现果糖诱导的ATP耗竭后肝脏ATP再利用受损[33]、ETC复合物活性降低[34]、线粒体解偶联蛋白UCP2表达增加[35]。这些指标都意味着肝线粒体功能异常,提示从NAFL到NASH进程中,肝线粒体呼吸能力会发生进行性下降。另一些人类和龋齿动物的研究数据又发现,其mtFAO能力仍可以保存,甚至在局部轻度炎症时因线粒体适应性调整得到增强;到了以广泛氧化应激和脂质过氧化为特征的NASH严重阶段或者肝硬化阶段,mtFAO水平会显著降低。NASH肝组织线粒体膜电位降低、ATP含量降低等变化同样提示,随着NAFLD进展,肝能量代谢状态总体出现恶化[4]。Koliaki等[5]通过对离体肝组织采用高分辨率呼吸测量法,发现NASH肝脏OXPHOS能力比NAFL组低40%～51%,比非NAFL廋者组低10%;另外还发现NASH、NAFL与单纯肥胖组的RCR均下降,但NASH组中肝线粒体质子漏、H2O2产生和DNA氧化损伤增加,提示抗氧化防御功能下降[5]。近期另一项研究发现, 与临界NASH组相比,明确NASH组肝组织具有较低的不完全的mtFAO,线粒体H2O2释放增加,并且随着炎症和气球样变程度增加而增加[36]。mtFAO降低可以解释FFA、甘油二酯和神经酰胺等脂毒素在细胞内的积累,同时还可能与肝脏氧化能力、氧化应激和炎症相关,但线粒体功能障碍、脂毒素积聚与NAFLD病程进展之间因果顺序,以及脂毒素是否可以作为NASH病机标志物,仍未有明确结论[37]。

肝线粒体的功能变化贯穿NAFLD的发生和发展过程,与病程中肝脂异常积累相关。而线粒体氧化应激是NAFLD进展期的关键因素。在NAFLD早期或者尚未完全符合诊断标准时,肝线粒体OXPHOS出现适应性增强,但同时出现线粒体解偶联、呼吸链复合物及线粒体生物发生相关基因表达下调。最后在NASH期或肝硬化等终末肝病期,线粒体能量代谢恶化,抗氧化机制失衡。可见改善OXPHOS过程中能量物质氧化效率,使底物氧化与呼吸链相互协调,减少ROS产生及氧化应激,可能是减缓NAFLD病理生理进程的重要元素。因此,需要更详细地了解NAFLD各阶段肝线粒体的动态变化及其通路机制,这将有助于产生更新型有效的干预方式。

利益冲突声明:所有作者均声明不存在利益冲突。