胰岛素样生长因子-1及其结合蛋白与非酒精性脂肪性肝病发生发展的研究进展

熊 璐,郭 莲

(1.川北医学院,四川 南充 637000;2.重庆大学附属三峡医院 内分泌科,重庆 万州 404000)

非酒精性脂肪性肝病(nonalcoholic fatty liver disease,NAFLD)是指在排除明确病毒性和自身免疫性肝脏疾病、大量饮酒史、使用致脂药物,如胺碘酮、甲氨蝶呤或异烟肼和遗传性疾病的情况下,肝脏中脂肪积累>5%导致肝脂肪变性的慢性肝病[1]。由于人们饮食习惯及久坐,NAFLD的患病人群逐年增加,已成为全球性的慢性公共问题之一。研究表明[2],NAFLD影响着全球约15%～30%成年人的健康。1999-2019 年,亚洲成年人 NAFLD 总患病率从25.28%升至33.90%。在正常情况下,肝脏的脂肪酸主要来源于甘油三酯(triglycerides,TG)的降解,随着肝脏的清除,产生惰性TG,以极低密度脂蛋白的形式进入循环,且新生脂肪生成(de novo lipogenesis, DNL)可将多余的碳水化合物转化为脂肪酸,多余的能量则以脂质形式无序地储存于肝脏中[3]。当肝脏脂质平衡被破坏,TG合成速率超过极低密度脂蛋白合成/分泌能力时,肝脏中就会出现TG积累,导致肝脏脂肪变性。胰岛素抵抗(insulinresistance,IR)也是NAFLD发展的必要条件,不仅干扰葡萄糖摄入,导致脂质积聚,还能刺激炎性因子导致慢性炎症发生,进一步加重IR[4]。炎症及氧化应激(oxidative stress,OS)被认为是NAFLD发病的主要驱动力,肿瘤坏死因子α(tumor necrosis factor α,TNF-α)、瘦素(leptin)、脂联素(adiponectin,APN)等炎性细胞因子及脂肪组织释放的血管紧张素II可直接激活肝星状细胞(hepatic stellate cell,HSC),参与肝纤维化进展[5]。过氧化物酶体增殖物激活受体α (peroxisome proliferators-activated receptors α,PPARα)是调节肝脏脂肪酸氧化系统活性的关键因子。研究发现[5],PPARα过度激活增强了线粒体脂肪酸氧化,不仅可产生大量的过氧化氢刺激炎症反应,还可产生大量的活性氧(reactive oxygen species, ROS),进一步损伤呼吸链,直接或间接地对线粒体基因组造成氧化损伤,这也导致了ROS的产生,从而形成恶性循环。

1 IGF-1与NAFLD

IGF-1是肝脏产生的IGF家族的一员, 有多种旁分泌和内分泌作用[6]。IGF-1可作用于生长激素(growth hormone,GH),对GH分泌起负反馈作用,通过影响“GH/IGF-1轴”减少肝内脂肪蓄积。GH由垂体分泌,并通过生长激素受体(growth hormone receptor,GHR)作用于肝细胞,产生IGF-1,GH通过其 I 型细胞因子GHR发出信号,激活多种细胞内信号转导途径,显著改善肝组织脂肪变性、OS、转氨酶等肝损伤标志物[7]。研究表明[8],GH水平降低可导致肝脂肪变性、炎症和纤维化,主要通过Janus激酶(janus kinase,JAK)信号传导和转录激活因子(signal transducer and activator of transcription,STAT)途径发出信号。STAT5信号通路是维持肝脏多余的脂肪清除、OS和细胞周期控制的多个关键基因,其基因缺失会增加肝细胞中信号换能器和STAT3和c-Jun末端激酶(c-jun n-terminal kinase,JNK)信号传导,从而促进OS、炎症和增殖[9]。OS是NAFLD脂肪累积的主要原因。已知IGF-1在体外或体内均表现出抗氧化作用并改善线粒体功能,所以IGF-1水平下降可能加剧OS,减少脂肪分解及脂肪酸氧化[10]。IGF-1可通过调节基因靶点介导OS。miR-379是肥胖患者肝组织脂肪变形的调节位点,而IGF-1是干扰miR-379转录的重要靶点,可上调miR-379导致的B细胞淋巴瘤2 (b-cell lymphoma-2,BCL2)、过氧化氢酶(catalase,CAT)等抗凋亡基因的表达,有解毒OS和保护线粒体外膜通透性发挥抗脂肪变性的作用[11]。炎症在NAFLD发病过程中也有显著作用。炎症细胞因子,如白介素-1b(interleukin-1b,IL-1b)、IL-6和TNF-α可抑制肝细胞中IGF-1分泌,导致高敏C反应蛋白(hypersensitive C-reactive protein,hs-CRP)和纤维蛋白原等促炎蛋白基因转录上调,而白蛋白等抗炎蛋白基因转录下调,加重肝脏库普弗细胞(Kupffer)细胞的脂肪变性[12]。GH还具有较强的溶脂和抗炎作用,对内脏脂肪组织有较强的作用,IGF-1虽不溶脂,但也有一定抗炎作用,可改善胰岛素敏感性[8]。

NAFLD患者“GH/IGF-1轴”表达受抑制,表现出GH抵抗,IGF-1水平下调,影响脂质平衡,低水平IGF-1调控体内PPAR-γmRNA表达,导致脂肪酸合成酶(fatty acid synthase,FASN)、固醇调节元件结合蛋白(sterol regulatory element binding protein,SREBP-1)转录增加,增加肝细胞内脂质合成[13]。病毒性肝炎、非酒精性脂肪性肝炎(non-alcoholic steatohepatitis,NASH)、NAFLD和肝细胞癌等慢性肝病中,IGF-1水平还与肝纤维化病变相关。研究发现[14],IGF-1水平越低,肝细胞功能障碍的程度越重。可能原因为:①IGF-1可通过p53依赖的方式诱导肝细胞衰老和HSC失活,抑制星形细胞分化为肌成纤维细胞,减少细胞外基质(extracellular matrix,ECM)和转化生长因子-β(transforming growth factor-β, TGF-β)等成纤维细胞因子表达,从而改善肝脏脂肪变性、炎症和纤维化[15]。②IGF-1水平越高,miR-29b-3b信号通路活性越弱,从而降低miR-29b-3p在NAFLD肝细胞的表达,解除miR-29b-3b对脂肪β氧化的抑制作用,降低促纤维化蛋白的表达,还抑制了肝细胞OS反应,进而保护血管内皮,延缓肝纤维化发生[11]。(3)透明质酸是肝纤维化标志物,低IGF-1水平对透明质酸分泌抑制作用减弱,不仅使肝血管内皮损伤,还使血管内白蛋白丢失和静息能量大量消耗,加重肝纤维化进展[16]。

2 胰岛素样生长因子结合蛋白(insulin-like growth factor binding protein, IGFBP)与NAFLD

2.1IGFBP-1与NAFLD IGFBP-1是NAFLD患者肝脏中脂肪的潜在标记物,其完全由肝脏产生,是一种与IGF-1特异性结合的可溶性蛋白之一,有调节IGF-1生物活性及功能作用[14]。IGFBP-1可通过与IGF-1结合调节GH/IGF-1通路逆转肝纤维化及通过调节其他纤维化因子,延缓NAFLD进展,而胰岛素是其主要调节剂。研究表明[17-18],随肝脂肪病变的进展,IGFBP-1水平进行性下降。有研究表明[19],IGFBP-1水平可作为IR程度的潜在标记物,同时也是早期酒精诱导的肝病、肝脏糖脂代谢异常、心血管风险和死亡率的有利标记物。IGFBP-1在高TG、高胆固醇(cholesterol,TC)人群及2型糖尿病(diabetes mellitus type 2,T2DM)合并高脂血症患者中,IGFBP-1水平明显下降,且与血脂水平呈负相关,这对高脂血症起到提示作用,且高IGFBP-1水平可降低85%以上人群患T2DM的风险,由此说明,IGFBP-1具有调节代谢异常的作用。同样,IGFBP-1也能通过基因位点调节脂代谢异常。IGFBP-1可调节Arg-Gly-Asp (RGD)整合素结合基元细胞活动,从而改善葡萄糖调节和胰岛素敏感性,且可降低SREBP1及其靶基因乙酰辅酶a羧化酶(acetyl CoA carboxylase,ACC)和脂肪酸合成酶(fatty acid synthase,FAS)的蛋白表达,增加PPARα、肉碱棕榈酰转移酶1α(carnitine palmitoyltransferase 1α, CPT1α)和过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅激活物-1α(peroxisome proliferator-activated receptor coactivator-1α, PGC-1α)的蛋白表达,促进脂肪酸β氧化,减少脂肪合成[20]。

2.2IGFBP-2与NAFLD IGFBP-2是一种相对分子质量为36 k的蛋白质,可与IGF-I和IGF-II受体结合从而调节IGF生物效应,是中重度脂肪肝的中介因子[16]。有研究在高脂饮食喂养的脂肪变性小鼠模型中发现[6],IGFBP-2在小鼠体内高表达并表现出对肥胖的抵抗,这表明IGFBP-2能阻止脂肪生成并刺激脂肪细胞的葡萄糖摄取,且IGFBP-2浓度与体重指数(body mass index,BMI)和IR呈负相关。Fahlbusch等[21]也发现,IGFBP2的过表达降低了正常和高脂肪饮食下的肥胖倾向,减弱了IGF-1对于脂肪从头生成的刺激,延缓脂肪肝的进展,可作为肝脏脂质积累程度的非侵入性生物标志物,提高T2DM人群发生严重NAFLD风险增加的可靠性。这是由于IGFBP-2降低了SREBP1、FAS和ACC等促脂肪生成基因的表达,增加了PPARα和CPT1的表达,刺激脂肪酸β氧化,与IGFBP-1有着异曲同工之妙。IGFBP-2可激活磷脂酰肌醇3-激酶(phosphatidylinositol-3-kinases,PI3K)和蛋白激酶B(serine/threoninekinase, Akt)信号通路,导致细胞内葡萄糖转运蛋白4(recombinant glucose transporter 4,GLUT4)的易位和促进葡萄糖摄取,阻止脂肪生成并刺激脂肪细胞的葡萄糖摄取[22]。IGFBP2还参与异常microRNAs的形成来改善肝细胞纤维化,通过下调miR-130b-5p激活IGFBP2依赖的Akt通路来预防NAFLD的肝脏脂质堆积和IR,这凸显了IGFBP2通过抗miR-130b-5p能作为预防和治疗NAFLD的潜力[23]。

2.3IGFBP-3与NAFLD IGFBP-3是体内最丰富的IGFBP,几乎完全由Kupffer细胞合成,是与IGF-1的主要结合蛋白,IGF-1/IGFBP-3的比值可作为IGF-1生物利用度的指标[24]。研究表明[25],当发生NAFLD时,IGFBP-3水平降低,因为IGFBP-3抑制了TNF-α诱导的核转录因子-κB(nuclear factor-kappa B, NF-κB)活性,从而恢复胰岛素信号,并消除了TNF-α诱导的脂肪细胞葡萄糖摄取的抑制作用,缓解IR。在NAFLD和晚期纤维化患者中,随着FFA浓度升高,IGF1及IGFBP3表达均下调,抑制GH/IGF1减少脂肪累积的作用,促进IR[6]。这与Ichikawa等[26]的研究结果一致,该研究认为,低水平的IGF-1和IGF-1/IGFBP-3与NAFLD的晚期纤维化有关,IGFBP-3通过阻断Akt在苏氨酸位点的磷酸化来介导TNF-α和葡萄糖诱导的细胞凋亡。IGFBP-3的结合还可降低IGF-1活性,削弱IGF-1对血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)的诱导分化及生长作用,促成NAFLD向肝脏炎症和纤维化的进展。有研究观察到IGFBP-3对NAFLD有潜在独立作用[6],过度表达IGFBP-3导致其不能与IGF-1有效结合,使体内有效循环IGF-1浓度降低,导致葡萄糖耐受不良,加重IR。

2.4IGFBP-4与NAFLD 1989年,在大鼠血清中首次发现IGFBP-4,随后从人骨肉瘤细胞条件培养基中纯化为相对分子质量为25～32 k蛋白,主要由肝脏产生[27]。IGFBP-4是体内最小的IGFBP,是重要的抑制蛋白,与IGF具有高亲和力,与IGFR竞争结合 IGF 而调节IGF的生物学作用[28]。且循环IGFBP-4结合IGF-I后可延长IGF-I的半衰期,进一步影响IGF活性[29]。研究显示[30],几乎在所有的体外模型中,IGFBP-4与IGF-1结合后都表现出对IGF-1的抑制作用,有利于消除IGF-1对脂肪变性的抑制作用。但IGFBP-4的调节作用会随人体状态的改变而改变。有研究表明[31],妊娠4～6周时,开始产生妊娠相关蛋白A(pregnancy associated plasma protein-A, PAPP-A)。PAPP-A有水解 IGFBP-4的作用,引起局部IGF-1浓度升高,加速内皮细胞增殖,激活巨噬细胞,减少LDL-C摄入,炎症因子大量释放,有促进肝纤维化的作用。若IGFBP-4浓度持续升高,也会在晚期纤维化阶段促进调节性T细胞(Tregs)(CD4+FOXP3+)的负调控,引起肝实质的明显炎症反应,加速肝纤维化进展[32]。

2.5IGFBP-5与NAFLD IGFBP-5是IGFBP家族中最保守的成员,也具有与IGF-1结合的高亲和力。Colak等[33]研究发现,IGFBP-5与肝纤维化及肝小叶炎症呈正相关。此结论得到许多学者认可[34],他们认为,IGFBP-5在体内肝纤维化和体外HSC转分化过程中的增加,不仅直接诱导了细胞外基质ECM基因, 如I型胶原蛋白和纤维连接蛋白的表达,还增加了促纤维化基因的表达,与ECM形成恶性循环。还有研究发现[35],ECM增加后可与细胞膜结构竞争与IGFBP-5结合,当IGFBP-5与ECM结合时,大大降低IGFBP-5与IGF-I亲和力,削弱IGF-1的生物利用度。IGFBP-5促纤维化作用还在一定程度上依赖早期生长反应基因-1(early growth response-1, EGR-1)的转录表达,促进ECM的生成。在缺乏EGR-1的细胞中,IGFBP-5减少,细胞纤维化程度随之减轻[36]。体外研究表明[32],IGFBP-5还通过参与造血干细胞的激活和转分化,在HSC中表达增加,促进肝纤维化。目前,也有研究认为[37],IGFBP-5既可促进NAFLD的发展,也可抑制其脂肪累积。IGFBP-5通过腺苷酸活化蛋白激酶(adenosine activated protein kinase,AMPK)途径显著促进IGFBP5对SREBP-1c、FAS、ACC1、PPARα、CPT1A等脂肪β氧化的基因上调作用,从而减少肝脏脂肪合成,同时改善IR。IGFBP-5不仅与NAFLD密切相关,且与肝细胞癌(hepatocellular carcinoma,HCC)也有较大联系。研究发现[38],IGFBP-5在HCC中呈高表达,且下调IGFBP-5可抑制HCC细胞生长。

2.6IGFBP-6与NAFLD IGFBP-6首先在人脑脊液中被分离出来,人血浆中的成熟 IGFBP-6蛋白,含213个氨基酸,结构上分为N端、C端和中间区3个结构,每个结构域通过二硫键形成稳定的二级结构,提供与IGF结合的位点[38]。IGFBP-6的肝脏表达与脂肪变性、肝细胞炎和纤维化呈正相关。Martínez-Castillo等[32]发现,IGFBP-6可能参与了肝损伤过程中ECM沉积和衰老过程的调节,进而参与了肝纤维化的进展。IGFBP-6还能作为IGF-1的抑制因子,抑制IGF-1生物活性,促进肝细胞OS及肝纤维化的发展[39]。最近,有研究认为[40],IGFBP-6可作为肝脏炎症和纤维化的潜在标记物,在使用生长激素释放激素(growth hormone releasing hormone, GHRH)类似物替沙莫林治疗肝脂肪变性后,循环IGFBP-6水平降低,这表明IGFBP-6可减少NAFLD患者的肝脏脂肪变性并预防纤维化。

2.7IGFBP-7与NAFLD IGFBP-7属于IGFBP中富含半胱氨酸的蛋白质。IGFBP-7包含一种保守的N端富半胱氨酸结构域,与其他IGFBP家族成员(IGFBP1-6)有30%的相似性[41]。IGFBP-7在肝脏糖脂代谢中发挥重要作用。实验发现[6],IGFBP-7在高脂喂养小鼠肝脏巨噬细胞中呈高表达,并直接与胰岛素受体结合,诱导糖异生和脂肪生成,且肝巨噬细胞中IGFBP-7的沉默不仅改善了糖耐量,还减少了肝脏TG的积累。Yan等[42]研究发现,肝脏中IGFBP-7的下调足以通过降低FFA、TG、TC、谷草转氨酶(aspartate transaminase,AST)、谷丙转氨酶(alanine transaminase,ALT)水平来改善肝脏质量,消除多余的脂质沉积,还能通过恢复IRS-1/P13K/Akt/GSK3β信号通路,减少脂肪生成并提高胰岛素敏感性,从而缓解肝脏脂肪变性。但IGFBP-7也能通过激活HSC和HSC中肌成纤维细胞表型的发展,诱导ECM产生, 期间α-平滑肌肌动蛋白(α-smooth muscle actin, α-SMA)的表达是这一过程的显著特征。Liu等[43]体外研究表明,IGFBP-7作用于表达α- SMA的HSC发生了肌成纤维细胞的变化,可促纤维化活性。 Martínez-Castillo等[32]也发现,IGFBP-7的上调与晚期纤维化相关,在NAFLD晚期纤维化患者中,IGFBP-7上调增强了小鼠肝纤维化表型,减弱了血浆中基质金属蛋白酶-2(matrix metalloproteinase-2, MMP-2)及其组织抑制因子-2(tissue inhibitor of metalloproteinase-2, TIMP-2)和MMP-9/TIMP-1平衡的重建,促进HSC激活,上调TGFβ1的表达,从而增加肝细胞内ECM的沉积。

3 小结

目前,对NAFLD的发病机制还未完全阐明,有相关研究报道了各种细胞因子在IR及肝纤维化的过程中起直接或间接作用,进而促成NAFLD的发生发展,为诊治NAFLD提供了新方向。目前,IGFBP与NAFLD的研究较为广泛,但IGFBP-4、IGFBP-5、IGFBP-6与NAFLD的研究较少,且与其发病机制尚未完全明确,是否能借助IGFBP作为诊断NAFLD的切入点尚不可知;且针对NAFLD 的治疗仍以饮食及运动为主,患者很难长期坚持,所以是否能以这些细胞和炎性因子作为治疗NAFLD的新靶点,还需更多的研究来进一步探讨。