肝线粒体功能障碍在非酒精性脂肪性肝病发病中的作用机制

杨冰清，尹静亚，王 琦

首都医科大学附属北京地坛医院肝病中心，北京 100015

非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）是指除外酒精和其他明确的肝损伤因素所致的肝细胞内脂肪过度沉积为主要特征的临床病理综合征，包括单纯性脂肪肝（NAFL）、非酒精性脂肪性肝炎（NASH）、NASH 相关性肝纤维化、肝硬化和肝细胞癌等［1-2］。NAFLD已成为最常见的慢性肝病，全世界总患病率为32.4%［3］。当前针对NAFLD的治疗策略有效性不佳，深入研究发病机制具有重大意义。目前广为认可的发病机制是“多重打击”学说，即胰岛素抵抗、线粒体功能障碍、炎症激活、饮食因素和遗传因素等均参与NAFLD 的疾病进展［4］。其中肝线粒体功能障碍发挥重要作用，包括线粒体形态学改变、线粒体DNA损伤、脂肪酸代谢紊乱和能量代谢异常、氧化应激、脂质过氧化和线粒体自噬异常等［5］。因此，针对肝线粒体的研究已经成为NAFLD防治一个新的、重要的突破口。

1 肝线粒体的生理功能

1.1 肝线粒体参与能量代谢

线粒体最重要的作用是通过氧化磷酸化产生ATP向细胞提供能量，细胞生命活动95%的能量来自线粒体。三大能源物质糖、脂肪和氨基酸在线粒体氧化释放能量，其共同途径是三羧酸循环（TCA）和呼吸链的氧化磷酸化（OXPHOS）［6］。

1.1.1 脂肪酸的氧化 线粒体中，长链脂肪酸通过脂酰CoA 合成酶催化为脂酰CoA，在肉碱酯酰转移酶-1 和肉碱-脂酰肉碱转位酶的作用下进入线粒体基质，脂酰CoA经β-氧化生成乙酰CoA，再经过TCA被彻底氧化［7］。

1.1.2 TCA 乙酰CoA 和草酰乙酸合成柠檬酸，经一系列反应和多次氧化脱羧，最终降解成草酰乙酸。此过程伴随着CO2的生成，并释放大量的能量。

1.1.3 OXPHOS TCA 中产生的H+与递H 体结合，形成还原型辅酶Ⅰ和还原型黄素二核苷酸，电子在电子传递链（electron transfer chain，ETC）最终传给基质中的O2，生成H2O。线粒体基质泵出H+，产生跨膜电化学势能，这种势能又驱使H+通过ATP合酶重新回到线粒体基质，伴随ETC的氧化同时合成ATP。

1.2 肝线粒体调节细胞程序性死亡 线粒体在调节细胞程序性死亡中扮演着重要作用，参与细胞凋亡、细胞焦亡、细胞自噬、坏死性凋亡、铁死亡和铜死亡等［8］。

1.3 肝线粒体的可塑性/适应性

线粒体是高度动态化的细胞器，细胞能量需求增加时，其结构和功能都会产生适应性的变化以满足细胞的能量需求。

1.3.1 线粒体分裂/融合的动态平衡 线粒体通过分裂、融合的动态平衡控制自身的形态，形成独特的网状结构来维持细胞正常生理功能和调控能量代谢［9］。线粒体的融合过程主要由动力蛋白超家族介导；分裂由动力相关蛋白介导［10］。

1.3.2 线粒体的生物合成 线粒体的生物合成包括增殖和分化。增殖引起数量改变，分化引起功能性与结构性的改变［11］。

1.3.3 线粒体自噬 线粒体自噬是指自噬小体包裹线粒体并融合溶酶体，降解清除老化、损伤的线粒体，以维持细胞平衡和抑制活性氧（ROS）的产生［12-13］。线粒体质量受线粒体生物合成与自噬共同调节控制。

2 肝线粒体功能障碍与代谢相关肝脏疾病

2.1 单纯性肥胖中肝线粒体的改变 研究［14］表明，单纯性肥胖者和健康者肝线粒体含量相似，但肥胖者肝线粒体最大呼吸速率比健康者高4～5倍，提示肥胖者线粒体ETC 复合物的活性更高、呼吸能力更强。另一项研究［15］分别对肥胖有抗性的A/J 小鼠和敏感性的C57BL/6小鼠进行基因富集分析发现，相比C57BL/6 小鼠，A/J 小鼠肝线粒体ETC 复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ的13 个OXPHOS基因显著增加。高脂饮食喂养后，两类小鼠肝线粒体产生同样的ATP，但A/J 小鼠线粒体的最大呼吸速率更高，表明A/J 小鼠肝线粒体解偶联呼吸增加。研究［12］证明当肝脂肪超载和能量需求增加时，肝线粒体能够调节自身来适应能量改变，阻止肥胖向NAFLD的进展。

2.2 NAFL 中肝线粒体的改变 Petersen 等［16］研究表明，NAFL 患者和健康者的肝线粒体脂肪酸氧化速率没有差异。但也有研究［17］发现，NAFL 患者比健康者肝线粒体TCA 速率更高，且增加的倍数与肝内甘油三酯含量呈正相关，表明伴随肝脂质堆积，线粒体氧化活性增强。Pedersen 等［18］发现，NAFL 患者比健康者肝线粒体的最大呼吸速率增加。总之，NAFL 患者肝脏慢性脂质过载进一步增强了肝线粒体的氧化代谢，导致氧化应激，损害线粒体，并从良性脂肪变性进展为NASH［19］。

2.3 NASH中肝线粒体的改变

NAFL 进展为NASH 时，肝线粒体进一步受损，包括肝线粒体结构改变、mtDNA 损伤、呼吸代谢下降和解偶联呼吸增强、脂肪酸氧化异常、ROS 过度生成、肝线粒体适应性下降和磷脂成分改变等。这些病理变化互相影响，加重肝脂肪变性，引发炎症及肝细胞死亡，促进NASH发展。

2.3.1 肝线粒体结构的改变 研究［20］发现，NASH 患者肝线粒体形态高度异常，包括肝线粒体肿胀变圆、多层、嵴断裂消失、含有堆叠的晶状包涵体以及巨线粒体等。

2.3.2 mtDNA 损伤和复制受抑 NASH 患者mtDNA 出现损伤，损伤的mtDNA 激活TNFα 上游的Toll 样受体9引发炎症，加重NASH［21］。研究［22］发现，NASH 患者的死亡相关凋亡诱导蛋白激酶2-丝氨酸/精氨酸富集剪接因子6 信号通路被抑制，引起编码mtDNA 复制机制酶的DNA 聚合酶γ2基因病理性剪接，抑制mtDNA 复制，导致肝线粒体数量减少和ETC 蛋白缺失，破坏线粒体介导的呼吸作用。

2.3.3 肝线粒体呼吸代谢下降和解偶联呼吸增加 研究［14］发现，NASH 患者肝线粒体的最大呼吸速率低于健康者，ETC复合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ表达降低，导致ETC活性下降。解偶联蛋白-2（uncoupling protein-2，UCP-2）是线粒体UCP家族成员，UCP介导H+不通过ATP合酶从线粒体内膜渗漏到线粒体基质（质子渗漏），降低内外膜的势能差但不产生ATP，直接将势能转化为热能释放。生理状态，肝细胞不表达UCP-2，但NASH患者过表达UCP-2，线粒体质子泄漏率增加，减轻氧化还原压力，但能量合成效率也降低，使肝细胞合成的ATP 不满足细胞活动所需［23］。ATP耗竭实验［24］表明，NASH 患者肝脏ATP耗竭后的恢复效率显著降低，线粒体无法为细胞活动提供足够的能量，加剧NASH。

2.3.4 肝线粒体氧化损伤和产生大量ROS NASH 患者肝线粒体中，参与抗氧化防御的H2O2酶活性下降，而DNA 氧化损伤的标志物8-羟基-脱氧鸟苷表达增加。动物研究［14］发现，NASH 小鼠肝线粒体氧化应激和炎性途径如c-Jun氨基端蛋白激酶/核因子κB 信号通路被激活，也提示NASH 肝脏存在氧化损伤。同时，线粒体抗氧化能力的下降又使线粒体更容易氧化损伤，导致线粒体功能障碍并生成大量ROS［25］。生理状态下，肝线粒体ETC产生的少量ROS 可被抗氧化防御系统解毒，但NASH 患者肝线粒体脂肪酸氧化增加（还原型辅酶Ⅰ生成增加）和ETC 损伤（ETC 内的电子流部分被阻断），产生过量ROS 损害OXPHOS 蛋白和mtDNA，这种氧化损伤加重了线粒体功能障碍，进一步增加电子泄漏和ROS 形成，导致恶性循环［26］。

2.3.5 肝线粒体分裂/融合的动态平衡失调 与健康小鼠相比，NASH小鼠调控肝线粒体融合的线粒体融合蛋白1/2和视神经萎缩蛋白1水平显著降低，提示NASH 小鼠肝线粒体融合缺陷［27］。而肝线粒体过度分裂，加剧NASH的肝脏炎症和纤维化［28］。

2.3.6 肝线粒体自噬受抑 NASH 患者肝线粒体自噬调节基因缺失，线粒体自噬受抑制，且抑制的程度与NASH 严重程度呈正相关，导致受损线粒体蓄积、细胞坏死和释放线粒体中的细菌残余（低甲基化的CpG 基序和甲酰肽），进一步促进肝脏炎症和NASH［5］。

2.3.7 肝线粒体生物合成下降 NASH患者调节肝线粒体生物合成的转录因子AMP活化蛋白激酶、过氧化物酶体增生物激活受体γ 共激活因子-1α、线粒体转录因子A和核呼吸因子1/2表达下降，线粒体生物合成下降，肝线粒体氧化能力受损，加重肝脂肪变性［14］。

2.3.8 肝线粒体膜磷脂成分的改变 研究［29］表明，NASH

患者肝线粒体膜磷脂成分改变，影响肝线粒体功能，包括线粒体动力学、ETC 活性和线粒体自噬等。已有研究［27］发现，NASH患者肝细胞磷脂合成有关的酶CDP-二酰基甘油合酶2缺乏，肝细胞磷脂合成减少，损害肝线粒体的形态和功能，同时加重肝脂肪变性和纤维化。

2.3.9 NASH 患者血浆脂质的改变 NASH 患者的严重程度与一些血浆脂质含量改变有关。肝内甘油二酯和神经鞘脂类物质在NASH 中增加，且与肝脏氧化应激和炎症反应呈正相关［30-31］。有研究［32］发现将血脂变量三酰甘油、二酰甘油和鞘脂等添加到常规标志物中，显著提高了NASH 的诊断准确性。虽然没有达到指导临床诊断的区分水平，但这些结果显示了脂质组学作为NAFLD特别是NASH的非侵入性生物标志物的潜力。

另外，最新研究［33］证实，线粒体丙酮酸载体蛋白1的表达与NAFLD 肝脂质沉积呈正相关，其在小鼠肝细胞中的表达被敲减后可以改善肝细胞脂肪变性。存在于线粒体和细胞核中的双细胞器蛋白，可以通过激活Notch 通路和增强骨桥蛋白的产生促进NASH 肝纤维化［34］。

3 小结与展望

NAFLD的发生发展与肝线粒体功能障碍密不可分［35］。早期评估线粒体功能障碍对NAFLD 的诊断并控制其进展具有重要意义，但评估肝线粒体形态、数量和质量仍具有挑战性［36］。目前，评价线粒体含量的金标准是透射电镜，但成本高、耗时长的缺点限制了其应用［37］。因此，研发更易检测、准确性高的无创诊断生物标志物极为重要。最近，肝线粒体无创性生物标志物如细胞外囊泡［38］和循环无细胞线粒体［39］的研究取得了新进展，这些标志物持续反映肝脏的变化和肝细胞的损伤，具有广阔的应用前景。

NAFLD发病机制复杂，许多新药还处于临床研究阶段，安全性和有效性还需进一步验证。已有大量研究从线粒体动力学、mtDNA、线粒体ROS 的产生及其抗氧化防御机制角度，阐述线粒体与NAFLD 的密切关系，提示线粒体靶向治疗是一个有前景的治疗领域，希望未来通过深入、系统的研究为NAFLD 的预防和治疗开辟新途径。

利益冲突声明：本文不存在任何利益冲突。

作者贡献声明：杨冰清负责参考文献查阅及撰写论文；尹静亚参与论文修改；王琦负责综述构架制订，论文审校及最后定稿。