细胞衰老在非酒精性脂肪性肝病中的作用与机制

董琳菲 王艳

非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)是一组累及全球约25%人口的连续疾病谱,包括非酒精性脂肪肝( NAFL)、非酒精性脂肪性肝炎(NASH)、肝纤维化以及肝硬化。目前其发病率在我国已超越慢性肝炎,跃居第一大慢性肝病。NAFLD不仅发病率高,而且还会增加肝脏相关并发症及死亡率,同时与心血管疾病、2型糖尿病、肾脏疾病等发生也密切相关。然而除减重外,NAFLD目前缺乏有效的治疗方法。因此,找到有效、针对性的治疗手段势在必行。

有研究表明,慢性肝损伤与衰老肝细胞的堆积有关,且衰老细胞堆积与肝纤维化进展相平行。NASH时,肝细胞持续衰老与不恰当修复和旁分泌途径介导的组织损伤有关。衰老细胞转化为分泌表型,分泌高水平炎性细胞因子、免疫调节剂、生长因子和蛋白酶,进一步诱导旁分泌介导的组织损伤。体内实验已证实,去除衰老细胞可改善肝内脂肪变性,可作为一种有效治疗策略。同时,NASH时肝窦内皮细胞衰老加速肝窦毛细血管化,通过抑制中央周围内皮衍生的C-kit活性,重新编程肝窦内皮细胞,促进脂肪变性。而肝星状细胞HSC的细胞衰老则控制肝纤维化的程度,在NASH发病中发挥保护性抗肝纤维化机制。因此,调控细胞衰老及其相关信号通路可为今后靶向治疗的进一步研发提供思路。

有研究显示,在NALFD发病过程中,衰老肝细胞上调表达血栓调节蛋白(THBD)-蛋白酶激活受体(PAR-1)信号。THBD是一种在内皮细胞上表达的膜结合糖蛋白,具有与凝血酶结合的高亲和力,可把凝血酶从促凝剂转为抗凝剂。凝血酶可以通过其特异性细胞膜受体(PAR-1、PAR-3和PAR-4)、炎症和细胞死亡被激活。而平滑肌细胞过表达THBD可下调增殖,提示THBD可以通过PAR-1调控细胞增殖。此外,在NAFLD、NASH等动物模型中进行的相关研究结果显示,受损组织中可见衰老细胞堆积以及THBD和PAR-1阳性细胞。THBD信号通路作为一种对衰老很重要的促生存通路,为治疗NAFLD提供了新的机制研究理论依据,或可引领未来研发。

细胞衰老的相关研究已开展近60年。上世纪60年代,美国科学家Hayflick及其同事首先描述了细胞衰老现象。细胞衰老是指持续性不可逆的细胞周期停滞状态,主要包括两种机制:一种是端粒缩短导致的复制性衰老,另一种是应激诱导的过早衰老,应激因素可以包括老龄化、癌基因表达、氧化应激、放疗和化疗等[1]。

细胞衰老是一个十分复杂的动态过程,目前发现p16INK4a/Rb和p53/p21信号通路持续激活可促使细胞周期停滞趋于稳定,早期衰老细胞进一步下调核纤层蛋白B1,引发衰老相关异染色质灶(SAHFs)的形成,这是衰老相关分泌表型(SASP)出现的基础[2]。此外,衰老细胞还具有扁平形态、分泌衰老相关β-半乳糖苷酶(SA-β-GAL)的特征。SASP是衰老细胞分泌的物质的混合物,通常由炎症因子、趋化因子、生长因子和蛋白酶等物质组成,其确切成分会随着刺激因素的不同而有所差别,这也预示着受不同种类衰老细胞影响的生物过程的多样性。这些分泌因子通过诱导炎症、吸引免疫细胞去除衰老细胞并以旁分泌方式诱导邻近细胞衰老而改变组织微环境。其中,已发现SASP中的炎症因子和趋化因子在细胞类型和衰老诱导刺激中能够保持高度保守,这也表明吸引免疫细胞和诱导局部炎症是衰老细胞的共同特性[3]。

细胞衰老对于生物个体的影响是利害并存的。一方面,细胞衰老可通过SASP分泌趋化因子吸引免疫细胞,导致衰老细胞的免疫清除,起到抑制肿瘤和组织修复的作用;另一方面,持续的细胞损伤导致衰老细胞的连续产生,由于免疫衰老导致免疫介导的清除失败,最终与衰老相关慢性疾病的发生产生直接因果关系[4]。

一、肝细胞衰老与NAFLD

NAFLD疾病组中最典型的病理特征为肝细胞脂肪变性。脂肪酸代谢异常及线粒体能量代谢功能障碍可导致氧化应激的增加及肝细胞衰老的发生[5]。而衰老细胞的积累又促进了肝细胞脂肪的积累和变性,已证实NAFLD患者中衰老肝细胞的数量增加与疾病预后相关[6]。衰老的肝细胞可引起肝脏葡萄糖、脂质和蛋白质代谢相关基因的改变,导致代谢失调[7]。另一方面,线粒体因酶学改变而失去有效代谢脂肪酸的能力,可导致细胞自主脂肪变性,活性氧(ROS)产生增加,超出抗氧化系统去除能力,导致更严重的脂质沉积[8]。为了确定细胞衰老和NAFLD的因果关系,Ogrodnik等[8]实施了两种不同的实验策略:在INK-ATTAC转基因小鼠中诱导消除表达p16的衰老细胞,使用Senolytics药物达沙替尼(dasatinib)和一种天然类黄酮槲皮素(quercetin)(D+Q)的组合在体外和体内消除衰老细胞,在这两种实验条件下得出相同的结论,衰老细胞数量减少能够伴随着肝脏脂质积累的改善;相反,诱导肝细胞衰老会促进体内和体外脂肪的堆积。

肝细胞衰老也参与NAFLD向NASH的进展过程,目前已证实多种信号通路或蛋白在此过程中发挥作用。DNA甲基化是其中的途径之一。Murphy等[9]收集了NAFLD患者的冷冻肝活检组织,并根据纤维化的组织学严重程度将样本分组,相较于轻度NAFLD样本,在晚期NAFLD样本中,许多组织修复基因低甲基化和过表达,而某些代谢途径中的基因如1-碳代谢呈现出高甲基化和低表达。一项研究在NASH患者的肝脏活检中以及NASH小鼠模型中均检测到线粒体蛋白mitofusin 2(Mfn2)表达降低,小鼠肝脏特异性消融Mfn2可引起甘油三酯积累、炎症、纤维化和肝癌,肝脏Mfn2缺乏减少磷脂酰丝氨酸(PS)传递和磷脂合成,导致内质网(ER)应激和NASH样表型的发展。因此证明ER-线粒体PS转移的破坏参与NAFLD发展[10]。此外,还有转录因子 NF-κB、JAK2/STAT3 信号转导途径,炎性信号转导通路 TRAF6/TAK1,蛋白激酶 mTOR等参与SASP促炎性组分表达,参与NAFLD向NASH的进展过程[11]。

二、非实质性肝细胞衰老与NAFLD

(一)肝窦内皮细胞(LSECs) 人们除了关注肝细胞在NAFLD发病机制中的作用,也越来越认识到非实质性肝细胞同样参与疾病发展的调控。LSECs属于非实质性肝细胞,参与形成肝血窦,其上有很多窗口且无基底膜,这种特殊结构保证了营养物质及代谢产物可实现在血液和肝实质之间的双向运输,从而调节脂质代谢和肝脏微环境。有研究发现,LSECs衰老通过重新编程肝内皮区带和使中心周区内皮来源的C-kit失活来加速肝窦毛细血管化[12]。这种病理状态下,LSECs的窗口数量减少直接影响肝细胞与血液的脂质交换,导致肝脏脂质堆积,LSECs窗口数量和直径与升高的游离脂肪酸含量呈现负相关[13]。LSECs衰老除了参与肝脏脂肪变性,还可影响肝脏炎症反应。例如,衰老的 LSECs 功能障碍可增加细胞粘附分子(例如 ICAM-1)的表达,从而在肝脏中积累中性粒细胞和 CD68 巨噬细胞,形成炎性病灶;同时还可导致抗氧化分子HO-1表达下调,使氧化应激反应增加,其中ROS能够进一步导致LSECs老化[14]。

二、肝星状细胞(HSCs) HSCs位于肝血窦和肝细胞之间的窦周隙,在正常健康的肝脏中处于静止状态,但在肝损伤后可被激活。代谢相关的肝纤维化往往是由于活化HSCs引起的细胞外基质(ECM)沉积导致的。在肝纤维化的发展过程中,活化HSCs会因持续慢性损伤而自发衰老。一方面,衰老活化的HSCs分泌ECM减少而分泌细胞外基质降解酶增加,可阻断进展中的纤维化过程;另一方面,衰老活化的HSCs也可增强免疫监视,使免疫细胞优先杀伤衰老活化的HSCs,这也反映了细胞衰老在肿瘤抑制中的作用[15]。持续肝细胞衰老可通过诱导HSCs活化参与调节肝纤维化,Yu等[16]证实,核转录相关因子2(Nrf2)-抗氧化反应通路参与这一过程。LSECs衰老也可参与调节肝纤维化, LSECs毛细血管化后,通过分泌TGF-β1、血小板衍生生长因子、内皮素等促进HSCs活化,加重肝纤维化的形成[17]。目前诱导活化的HSCs衰老的途径多样。例如,姜黄素可通过激活过氧化物酶体增殖物激活受体γ(PPAR-γ)/p53信号促进HSCs衰老[18];多沙唑嗪通过拮抗α-1肾上腺素能受体促进HSCs衰老[19]。最近,Pan等[20]的研究又发现了一个药理学上可利用的衰老靶点,他们发现在衰老的哺乳动物组织和衰老细胞模型中,血栓调节蛋白(TM)可通过稳定并启动早期内体中蛋白酶激活受体(PAR)-1信号复合物的不可逆激活,引发一个前馈循环来确保衰老细胞的存活,证实了使用vorapaxar(PAR-1受体拮抗剂)可减少HSCs活化及抑制肝纤维化进展。

三、针对细胞衰老的药物治疗

目前针对衰老细胞的靶向药物大致可以区分为senomorphics和senolytics两大类。前者为SASP阻滞剂,从机制上讲,可以通过拮抗或中和SASP成分而阻滞 SASP 的发生、发展或靶向其信号转导过程;而后者则从根本上清除释放病理性 SASP 组分的衰老细胞,因此是目前研究的一大热点。senolytics 这类药物最初被报道于 2015 年,当时Kirkland 实验室注意到衰老细胞中促凋亡通路的活性显著上调,在此基础上,他们提出了衰老细胞依赖于自身的抗凋亡通路(SCAPs)拮抗凋亡,从而得以存活[21]。研究人员进一步揭示了衰老细胞 SCAP 网络中的一些潜在的靶点,并成功研发出了第一个 senolytics 药物,即 D+Q组合。之后随着越来越多的拮抗细胞凋亡的靶点被发现,相应的药物被研发出来,例如fisetin(类黄酮)、UBX0101(BCL-2 家族抑制剂)等。但是至今大多数被报道的 senolytics 只能特异性清除某种或某几种特定类型的衰老细胞,这也导致目前尚无专门批准用于治疗NAFLD的药物,预防和治疗NAFLD的首要原则仍然是健康的生活方式。

综上所述,不同肝脏细胞的衰老在脂肪变性、炎症、纤维化等NAFLD疾病进程中均扮演着不同的角色。近年来针对细胞衰老的分子机制的研究成果层出不穷,这也为针对细胞衰老的靶向药物治疗提供了基础,但大多数小分子药物还是具有缺乏效力、普遍性或表现出明显的脱靶效应的缺点,同时用药安全性、有效性等问题都需得到重视[22]。因此我们需要更深入研究细胞衰老如何诱导获得这些特定表型的确切机制,使相关药物治疗将来成为可能。

利益冲突声明：所有作者均声明不存在利益冲突。