尿酸参与代谢相关性脂肪性肝病发生、发展的分子机制研究进展

侯淑惠 邓晓玲 次白 徐可树

代谢相关性脂肪性肝病(metabolic associated fatty liver disease, MAFLD)是常见的慢性肝损伤,近年来MAFLD患病率呈上升趋势[1]。MAFLD疾病谱包括多个阶段的病理变化,其发生、发展机制与遗传易感和胰岛素抵抗等密切相关[2]。此外,也有报道发现MAFLD涉及个体生物钟紊乱和肠道微生物因素等多方面[3, 4]。然而,MAFLD发生、发展的具体分子机制目前仍不完全清楚。

有研究表明血清尿酸的改变与MAFLD的进展密切相关[5]。尿酸是嘌呤代谢的最终氧化产物。高尿酸血症由嘌呤代谢紊乱和尿酸排泄异常所导致。高尿酸血症被认为是代谢综合征、慢性肾病和心血管疾病发展的独立危险因素[6]。MAFLD患者普遍存在高尿酸血症,高尿酸血症与MAFLD相互影响,互为因果,形成不良循环[7, 8]。目前虽有文章阐述高尿酸血症与MAFLD的相互关系,但报道高尿酸能促进MAFLD发生、发展的分子机制的相关综述较少。因此,本文着重归纳高尿酸影响MAFLD发生、发展的分子机制,以期为阻止MAFLD发生、发展提供理论依据。

尿酸是嘌呤代谢的终产物,主要通过肾脏和肠道排泄,正常值<420 μmol/L。正常情况下,尿酸具有维持血压、清除自由基抗氧化、保护DNA等作用[9]。当嘌呤摄入过多、嘌呤代谢障碍或肾脏尿酸排泄减少时,均可诱发高尿酸血症,尿酸升高常见的后果是尿酸盐结晶沉积于骨关节、肾脏、皮下软组织等部位,引起痛风性关节炎、尿酸性肾结石、痛风性肾病甚至慢性肾功能衰竭。此外,长期尿酸高水平会使心血管疾病、肥胖等发病率升高[10]。有研究将高尿酸人群依据尿酸水平进行分级:<420 μmol/L 为正常;420～480 μmol/L为轻度高尿酸血症;480～540 μmol/L为中度高尿酸血症;>540 μmol/L为重度高尿酸血症。随访观察不同水平高尿酸人群的MAFLD患病率,尿酸水平由低到高MAFLD患病率依次为:轻度MAFLD患病率10.33%、18.39%、23.11%和25.93%;重度MAFLD患病率1.06%、2.82%、5.05%和7.27%[11]。得出结论认为:MAFLD患病率会随着尿酸水平的升高而升高,高尿酸血症是MAFLD的危险因素。一项韩国的关于2058名患者的横断面研究也支持这一结论[12]。MAFLD的病理特征是肝细胞脂肪变性,伴有肝细胞坏死和炎症,非酒精性脂肪性肝炎(nonalcoholic steatohepatitis, NASH)是MAFLD的一种严重类型,胰岛素抵抗和脂质蓄积是其发病基础,氧化应激和炎症反应诱导疾病进展乃至纤维化,其中,氧化应激起重要作用[13]。氧化应激反应通常指反应性氧化物(reactive oxygen species, ROS)的产生超过对其清除或防御能力,线粒体是产生ROS的主要场所[14]。多项研究表明,高尿酸参与MAFLD的发生、发展与上述过程相关。

一、尿酸与胰岛素抵抗

胰岛素抵抗(insulin resistance, IR)是MAFLD发生、发展的基础[15]。正常情况下,胰岛素与胰岛素受体结合,通过激活其受体酪氨酸激酶启动级联信号,参与葡萄糖代谢及促进脂肪合成、抑制脂肪分解。当机体出现IR时,胰岛素作用不足,糖代谢受阻,脂肪代谢相应增加,大量游离脂肪酸入血,最终在肝脏中聚积,大量堆积的甘油三酯诱导脂肪肝的形成[15]。

有文献报道高尿酸血症能促进MAFLD进展与IR相关,通过降低尿酸水平可改善IR。一项关于110例糖尿病前期受试者的横断面研究为该观点提供了依据,该研究分为非MAFLD组(n=62)和MAFLD组(n=48),比较HOMA-IR和尿酸之间的关联性。结果显示尿酸水平升高与MAFLD发病显著相关,这种相关性可能由糖尿病前期受试者的IR介导[16]。较多动物研究探讨高尿酸血症小鼠表现出糖耐量受损和IR,认为高水平尿酸可以诱导氧化应激,使胰岛素信号传导通路受损,引发IR。有多项研究显示高浓度尿酸可诱导氧化应激,ROS增加,激活胰岛素受体底物-1(insulin receptor substrate-1, IRS-1)的丝氨酸(Ser307)磷酸化,进一步抑制下游胰岛素信号蛋白激酶B(Akt)Ser473位点磷酸化,引起小鼠胰岛素抵抗,参与MAFLD的形成[17, 18]。

黄嘌呤氧化酶(xanthine oxidase, XO)是尿酸生成的关键酶,有研究提示XO抑制剂(非布索坦)显著降低了NASH模型小鼠的肝脏XO活性和尿酸水平, 伴随着胰岛素抵抗、脂质过氧化和肝脏中激活的M1样巨噬细胞积聚的减少,认为XO抑制剂可能具有改善IR的作用[19]。尿酸转运体1(uric acid transporter1, URAT1)是一种参与尿酸重吸收的主要蛋白质(约90%),URAT1抑制剂被认为可以有效降低尿酸水平[20]。URAT1抑制剂通过激活解偶联蛋白-1减少ROS,显著改善高脂饮食(high-fat diet, HFD)诱导肥胖小鼠的糖耐量和胰岛素敏感性,减轻HFD小鼠的肝脂肪变性[21]。这从侧面证明,尿酸通过影响IR促进了MAFLD的进展。

二、尿酸与内质网应激

内质网是真核细胞中蛋白质折叠和分泌、Ca2+储存和脂质合成的场所。内质网应激(endoplasmic reticulum stress, ERS)表现为内质网腔内错误折叠或未折叠蛋白质累积,ERS发生时,未折叠蛋白质反应(unfolded protein response, URP)激活以恢复蛋白质稳态,常通过激活肌醇需要酶1(inositol-requiring enzyme 1, IRE1)、蛋白激酶RNA样内质网激酶(protein kinase RNA-like ER kinase, PERK) 和激活转录因子6(activating transcription factor 6, ATF6)三种内质网膜蛋白启动整合转录程序缓解ERS[22]。研究者将人肝癌细胞株(human hepatoellular carcinomas, HepG2)细胞置于高尿酸环境下,可见其诱导的ERS导致PERK和真核细胞起始因子-2a(eukaryotic initiation factor-2a, eIF-2a)的磷酸化和ATF6的表达增加,肝细胞脂肪生成增加,相反阻断ERS, 尿酸诱导的HepG2细胞甘油三酯累积减少,认为尿酸通过诱导ERS诱导肝脏发生脂肪变[23]。该研究者进一步发现,尿酸可刺激胆固醇调节元件结合蛋白-1c(SREBP-1c)裂解和核易位,SREBP可以调控产脂基因表达[24]。因此,有研究者认为尿酸进入肝细胞,刺激内质网URP,增强的URP诱导SREBP-1c裂解为成熟形式,其成熟形式易位到细胞核激活产脂基因的转录,促使肝细胞脂质积累[23]。ERS阻滞剂和SREBP-1c抑制剂均可阻止肝脏脂肪的积聚[23]。

三、尿酸与氧化应激

氧化应激反应是ROS的产生和抗氧化系统的清除能力之间出现了不平衡,与MAFLD的发生、发展密切相关。一般认为尿酸具体抗氧化和促氧化双重作用[25]。一项关于尿酸对于过氧化氢诱导的鸡胚心肌细胞氧化损伤的作用研究显示,正常浓度尿酸可抑制ROS的形成,高浓度尿酸通过抑制核因子-红系2相关因子2(nuclear factor-erythroid 2 related factor 2, Nrf2)抗氧化通路加重氧化应激,促进心肌细胞氧化损伤[26]。有学者通过小鼠实验证实敲除Nrf2会加剧NASH[27]。由此我们推断,高浓度尿酸可能通过抑制Nrf2抗氧化通路加重肝脏氧化应激,促进NASH进展。

ROS的产生有多种来源,如线粒体、内质网和还原烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶(reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase, NADPH氧化酶)[28]。尿酸促进ROS产生主要通过NADPH氧化酶介导[29],为阐明尿酸诱导ROS产生后促进MAFLD进展的作用机制,国外学者设计了尿酸氧化酶敲除小鼠模型[30]。研究发现尿酸通过产生ROS诱导c-Jun N末端激酶(c-jun n-terminal kinase, JNK)激活,JNK是丝裂原活化蛋白激酶(mitogen activated protein kinase, MAPK)的组成成分,在肝脏中参与葡萄糖和脂质代谢[31]。活化的JNK可以使脂质基因激活蛋白-1(activator protein-1, AP-1)转录因子的亚单位c-Jun磷酸化,从而提高其转录活性,引起脂肪酸合成酶和乙酰辅酶A羧化酶1的过度表达,诱导脂质代谢变化[30]。研究者进一步使用JNK特异性抑制剂SP600125和抗氧化剂处理实验小鼠,发现二者均可抑制JNK激活和肝脂肪变性[30]。由此得出结论:尿酸可能通过ROS/JNK/AP-1信号通路诱导肝脂肪聚集。

除尿酸本身外,尿酸代谢相关酶也参与氧化应激过程。黄嘌呤氧化还原酶(xanthine oxidoreductase, XOR)在人体主要定位于肝脏和肠道,病理条件下或释放入循环中转化为黄嘌呤脱氢酶(xanthine dehydrogenase, XDH)[32]。研究发现高脂饮食喂养家兔诱导MAFLD模型,其肝组织中显示XOR向XDH亚型转化增加,ROS浓度增加,认为尿酸代谢相关酶通过刺激氧化应激参与MAFLD的发生和进展[33]。

四、尿酸与线粒体功能障碍

肝细胞的能量代谢主要由线粒体介导,尿酸可以诱发线粒体形态改变和氧化应激,促进MAFLD发展。在高浓度尿酸环境下,肝细胞线粒体形态发生改变:显微镜下HepG2细胞显示出更短更小的线粒体,高倍显微镜下细胞线粒体中嵴数量显著减少,线粒体双膜破坏[34]。长时间暴露于高浓度尿酸,可以激活NADPH氧化酶亚基NOX4, 促使NOX4转移到线粒体内,NOX4的线粒体易位增强增加了线粒体产生的超氧化物,诱导线粒体氧化应激。 Krebs循环中乌头酸酶催化活性被氧化剂抑制[35],导致柠檬酸盐积累,刺激ATP柠檬酸酶裂解酶和脂肪酸合酶,导致脂肪酸从头合成增加[34]。由此认为尿酸通过影响线粒体形态及功能促使线粒体氧化应激增加,进而影响Krebs循环,增加脂肪合成,加速MAFLD疾病进展。

五、尿酸与NLRP3炎症小体

NOD样受体家族含pyrin结构域3(the nod like receptor family contains pyrin domain 3, NLRP3)炎症小体是天然免疫的重要组成部分,由NOD样受体(NOD-like receptor, NLR)家族蛋白、衔接蛋白凋亡相关微粒蛋白(apoptosis-associated speck-like protein containing CARD, ASC)和半胱天冬酶-1组成,其中半胱天冬酶是细胞凋亡的关键蛋白酶[36]。NLRP3炎症小体参与的炎症反应可由多种因素触发,如感染、代谢失调、细胞损伤和尿酸晶体等[36, 37]。国外学者研究发现,高尿酸血症可激活NLRP3炎症小体,而该小体的激活与NASH的进展呈正相关[38]。在高浓度尿酸环境下,NLRP3炎症小体一方面能触发促炎细胞因子前体(如Pro-白介素-1β)成熟和分泌,参与天然免疫防御,另一方面通过激活NOD样受体招募ASC和前半胱天冬酶-1,诱导前半胱天冬酶-1自身切割并活化,活化的半胱天冬酶-1可以切割并促使炎症细胞因子(如白介素-1β和前体白介素-18)成熟和释放,诱导细胞炎症反应和凋亡[36, 39, 40]。进一步通过体内外实验证实尿酸可通过激活NLRP3炎症小体诱导肝脏脂肪积累、促进炎症反应。在高尿酸血症诱导饮食喂养实验小鼠体内NLPR3炎症小体表达显著上调,血清IL-1β和IL-18升高;敲除NLRP3后,血清IL-1β和IL-18下降,脂肪累积显著降低。在体外人肝癌细胞株(HepG2细胞)和人正常肝细胞(L02细胞)中也观察到相同现象[40]。然而尿酸如何激活NLRP3小体的分子机制尚不十分明确,是否通过AMPK/ROS信号通路尚有争议[40], 推测与参与尿酸形成的黄嘌呤氧化酶(xanthine oxidase, XO)激活有关[41]。基于此,有研究发现芹菜素可以逆转HFD饮食诱导的MAFLD小鼠体内NLRP3炎性体激活,减少炎性细胞因子IL-1β和IL-18的释放,同时抑制XO活性,减少尿酸和ROS的产生,使肝脂肪变性恢复[42]。

六、其他

既往研究表明,微小RNA(microRNA, miRNA)的异常表达参与MAFLD的发病,miRNA在MAFLD发病机制中的潜在作用包括脂肪毒性、氧化应激、代谢炎症和纤维形成[43]。尿酸对肝细胞脂质积聚的影响可能与miRNA有关。研究者发现尿酸可以刺激肝细胞MiR-149-5p表达上调,促进甘油三酯累积,而抑制miR-149-5p则减少甘油三酯沉积[44]。成纤维细胞生长因子21(fibroblast growth factor-21, FGF21)被认为是miR-149-5p的下游靶点,在脂质代谢中起关键作用,可改善脂毒性,减少纤维化和炎症,改善脂肪肝[44]。尿酸刺激抑制 FGF21的蛋白质水平,而miR-149-5p抑制剂可以恢复被抑制的FGF21水平,改善脂质累积。因此,研究者认为,尿酸通过调节MiR-149-5p/FGF21轴诱导甘油三酯聚集[44]。

除上述观点外,还有研究发现尿酸通过加速果糖代谢诱导脂质积聚。葡萄糖可以通过多元醇(AR-SDH)途径转化为果糖,醛糖还原酶(aldose reductase, AR)是AR-SDH途径关键酶[45]。HepG2细胞暴露于尿酸环境,一方面AR及AR-SDH途径中间产物随时间推移显著上调;另一方面,活化T细胞核因子5(nuclear factor of activated T cells 5, NFAT5)增加。NFAT5是调节AR表达和合成的转录因子[46],而放线菌素D则阻断所有转录活性,可以显著减弱尿酸对HepG2细胞AR的上调。因此认为尿酸通过NFAT5激活了体内AR和多元醇通路使内源性果糖产生增加[47]。既往研究认为内源性果糖生产和代谢的增加是脂肪肝发展过程中的重要步骤[48],实验HepG2细胞内甘油三酯显著升高,AR敲除细胞则没有甘油三酯升高,因此认为尿酸通过加速果糖代谢加速了MAFLD进展[47]。

综上所述,大量研究阐明尿酸升高参与了MAFLD的发生和发展:尿酸可以诱导胰岛素抵抗和内质网应激加重肝细胞脂肪酸堆积,还可以刺激氧化应激、线粒体功能障碍、激活NLRP3小体诱发肝细胞炎症等诱导肝细胞坏死;此外,尿酸还可间接通过加速果糖代谢间接诱导肝细胞甘油三酯聚集。其发挥促MAFLD作用与ROS/JNK/AP-1、MiR-149-5p/FGF21、Nrf2等多种信号通路相关。尿酸作用于MAFLD的分子机制为MAFLD的防治提供了新靶点和新思路,但高尿酸血症参与MAFLD发生和发展的机制尚有许多不明之处,仍有待进一步研究阐明。

利益冲突声明：所有作者均声明不存在利益冲突。