肝線粒體在非酒精性脂肪性肝病臨床進程中的代謝功能變化

張明明 汪艷

非酒精性脂肪肝(NAFLD)包括從單純脂肪變(NAFL)到非酒精性脂肪性肝炎(NASH)的一系列疾病進展過程,可發(fā)展為肝硬化和肝癌[1]。目前NAFLD的全球患病率達到30%,是慢性肝病的最常見原因,與肥胖和2型糖尿病流行趨勢并行,晚期肝病和代謝疾病死亡的風險增加,嚴重影響患者生活質(zhì)量和社會衛(wèi)生健康水平[2]。

NAFLD的治療研發(fā)中有很多針對該類疾病的異常代謝特點,涉及致病機制有高熱量營養(yǎng)長期過量攝入、遺傳變異、脂肪組織功能障礙、線粒體功能異常、氧化應激等;腸道微生態(tài)失調(diào)似乎也有顯著作用[3]。在高熱量超負荷攝入、線粒體應激、基因差異等因素影響下,人體內(nèi)熱量主要消耗器官(骨骼肌)和儲存器官(脂肪組織)可出現(xiàn)胰島素抵抗,脂肪分解增加,大量非酯化的游離脂肪酸(FFA)進入肝臟;同時,因胰島素抵抗出現(xiàn)的高胰島素血癥也促進肝臟脂肪生成[4]。

對于大量代謝負荷,肝組織通過提高線粒體FFA氧化(mtFAO)反應,防止甘油三酯(TG)和脂毒素積累。但這種適應性調(diào)整在長期代謝異常的情況下,不足以減少肝臟脂肪堆積,且mtFAO上調(diào)與線粒體呼吸鏈(MRC)工作能力往往不協(xié)調(diào),氧化應激會隨之而起,該反應變化在NASH發(fā)生及發(fā)展中產(chǎn)生重要作用[4]。因此,線粒體功能異常,如脂肪酸氧化受損以及氧化磷酸化(OXPHOS)驅(qū)動氧化應激,是NASH病理生理機制的重要特征。為評估NAFLD患者中肝線粒體的功能狀況,最近臨床研究通過高分辨率呼吸測定,分析肝線粒體的呼吸功能水平[5-7]; 通過位置同位素核磁共振示蹤劑分析(PINTA)計算肝線粒體氧化率[8-9]。對線粒體功能狀態(tài)的準確檢測,在技術層面目前還存在有創(chuàng)性和檢測操作復雜等特點,影響了大規(guī)模研究的廣泛實施。但這些并未妨礙肝線粒體相關代謝過程已成為NAFLD治療靶點研究的重點內(nèi)容[10]。本文將從肝線粒體功能角度探討其中影響NAFLD病理生理的分子機制,了解潛在治療靶點。

一、肝臟生理狀態(tài)下的線粒體功能與脂肪代謝

線粒體是雙層膜細胞器,源自十多億年前被前真核細胞吞噬的a-變形菌[11]。線粒體含有自己的小型環(huán)狀基因組(mtDNA),編碼線粒體基質(zhì)中與OXPHOS作用有關的13種蛋白及其輔助RNA[12]。線粒體中的蛋白約有1200種,由胞核中基因組編碼,在胞質(zhì)中合成,再靶向運送到線粒體[13-14]。線粒體是細胞能量的主要提供者,是三羧酸循環(huán)(TCA)的場所[15]。線粒體還參與其他重要的基礎代謝,包括氨基酸和核苷酸合成、鐵硫簇生物合成、代謝中間產(chǎn)物生物合成以及鈣離子穩(wěn)態(tài)等[16]。此外,細胞凋亡和天然免疫的調(diào)控也與線粒體的信號系統(tǒng)有密切關系[17]。

肝臟是機體物質(zhì)與能量代謝的首要器官。肝線粒體通過OXPHOS,即包括氨基酸、丙酮酸和脂肪酸等的底物氧化作用與ATP合成作用之間的電子轉移鏈(ETC)與化學滲透作用的緊密耦合過程,將酶促氧化反應產(chǎn)生的化學能轉化為高能磷酸鍵[18]。呼吸控制率(RCR),即腺苷二磷酸(ADP)刺激下的呼吸作用與靜息呼吸作用之比,是反映OXPHOS耦合的靈敏指標,可以檢測線粒體中氧化反應釋放能量轉換為ATP的效率,即OXPHOS效率[19]。生理狀態(tài)下,在線粒體氧化代謝與ETC電子傳遞過程會產(chǎn)生少量的活性氧(ROS),后者由錳超氧化物歧化酶分解為過氧化氫,然后再被谷胱甘肽過氧化物酶和還原型谷胱甘肽分解成水[20]。

肝細胞中FFA的主要來源包括,白色脂肪組織釋放入循環(huán)血的非酯化脂肪酸、腸道吸收合成的乳糜微粒的水解,以及肝細胞內(nèi)的脂質(zhì)新生。FFA進入線粒體進行β-氧化,或被酯化成TG,再以極低密度脂蛋白的形式分泌到血漿中[21]。短鏈FFA和中鏈FFA進入線粒體不需要特殊輔助分子,而長鏈FFA進入線粒體時,需要在外膜與輔酶 A(CoA)結合,再被肉堿棕櫚酰轉移酶1(CPT1)轉化為酰基肉堿;?；鈮A由肉堿-?；鈮A轉位酶(CACT)轉位到線粒體內(nèi)膜上;內(nèi)膜上的CPT2將酰基肉堿上的乙?；€給CoA,乙酰輔酶A硫酯在線粒體基質(zhì)發(fā)生β-氧化反應,產(chǎn)生NADH和FADH2,NADH和FADH2再通過ETC的四種酶分子復合物和ATP合成酶復合物V,逐級進行氧化還原反應電子穿梭,以及最后將ADP合成ATP;此外還生成酮體,主要是乙酰乙酸和β-羥基丁酸,可在禁食期間被肝外組織用于產(chǎn)能[22-23]。β-氧化增多,會通過產(chǎn)生CPT1抑制劑--丙二?；o酶A,減少線粒體對FFA的攝入[24]。細胞內(nèi)存在過量FFA,會引發(fā)ROS大量生成,引起脂毒性及其相關的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應激、鈣離子失調(diào)、線粒體失功和細胞死亡[25]。禁食期間糖異生的第一步由線粒體中的丙酮酸羧化酶和蘋果酸脫氫酶催化,進食后TCA代謝物檸檬酸鹽可離開線粒體,作為肝臟新生脂肪的碳源[26]。

生成ATP需要線粒體ETC蓄積電化學勢能,組成ETC的部分多肽鏈需要由mtDNA編碼[12]。mtDNA的穩(wěn)定復制是決定線粒體生物發(fā)生的重要事件,核呼吸因子NRF1和NRF2、過氧化物酶體增殖物活化受體g共激活因子PGC1α和PGC1β,以及腺苷酸活化蛋白激酶等參與調(diào)控該過程[27]。線粒體生物發(fā)生、線粒體動力學,即線粒體融合和線粒體裂變,以及線粒體自噬等都會直接影響線粒體的數(shù)量和質(zhì)量控制[28]。

線粒體功能異常會激活線粒體未折疊蛋白反應(UPRmt),該反應由線粒體-胞核通訊調(diào)控的保守的轉錄反應,可以通過代謝適應和精準線粒體生物發(fā)生程序,促進細胞生存和線粒體恢復;但UPRmt持續(xù)活化會引起線粒體基因組損壞的擴大和線粒體受損,參與衰老相關的機體衰退[29]。

二、NAFLD進展病程中的線粒體變化與能量代謝紊亂

(一)非脂肪肝性肥胖 無脂肪肝的肥胖人群與胰島素敏感的瘦者人群之間的線粒體功能差別,也許可以體現(xiàn)NAFLD潛伏階段的變化。Koliaki等[5]在一項納入53名成年人(20歲至70歲)的單中心臨床研究中,通過離體高分辨率呼吸測定法量化肝線粒體呼吸作用,與線粒體數(shù)量測量相結合,評估不同階段NAFLD的肝線粒體變化。結果顯示,肥胖組與瘦人群組相比,肝臟中與β-氧化和TCA活性相關的最大非偶聯(lián)呼吸升高了85%,而RCR有所下降[5]。肥胖但尚未出現(xiàn)肝TG過度蓄積時,OXPHOS能力升高體現(xiàn)了肝線粒體對脂質(zhì)負荷升高的適應性變化,而RCR下降則表明線粒體可能同時存在解偶聯(lián)。這些變化也許有助于保護肝臟免受脂毒性、脂肪變,以及氧化應激等的不良影響。另外一項有14名正常體質(zhì)量的健康成年人(20～40歲)參與的單中心臨床研究顯示, 在急性高脂攝入后,肝胰島素抵抗、糖異生和 ATP 濃度都增加,骨骼肌和脂肪組織也同時出現(xiàn)了胰島素抵抗[30]。近年來臨床提出了“代謝健康的肥胖癥”概念,對此目前暫無正式診斷標準,一般指沒有表現(xiàn)出明顯的心血管系統(tǒng)異常的肥胖癥患者,主要發(fā)生在下肢而非肝臟的脂肪累積等情況,但胰島素敏感指標基本正常[31]。然而這種代謝功能增強的適應性狀態(tài)并不穩(wěn)定,隨著年齡增長可逐漸出現(xiàn)代謝綜合征,發(fā)生2型糖尿病與心血管疾病的風險也較健康瘦人群高[31]。因此,在無脂肪肝的肥胖階段,肝線粒體OXPHOS可適應性升高,并通過解偶聯(lián)或其他調(diào)節(jié)抗氧化應激,減免脂質(zhì)蓄積與脂毒性,但該階段并非處于穩(wěn)定可持續(xù)的正常代謝狀態(tài)。

(二)非酒精性脂肪肝 探索NAFL中肝線粒體變化或許可進一步了解NAFLD疾病始發(fā)的重要因素。Koliaki等[5]比較了無脂肪肝的肥胖癥人群與肥胖的NAFL人群,發(fā)現(xiàn)兩者肝組織都有脂質(zhì)過氧化顯著增加和RCR顯著下降,但ROS水平和DNA氧化損傷均無顯著改變;其中僅NAFL組的ETC復合物、線粒體生物發(fā)生關鍵調(diào)節(jié)因子出現(xiàn)了顯著下調(diào)。另一項單中心臨床研究將30例無肥胖、無過量飲酒史、肝功能正常的青年男性志愿者,以肝TG含量≥4%為標準分為健康對照組和NAFL組,通過PINTA方法檢測肝線粒體氧化率,發(fā)現(xiàn)兩組間無明顯差異[8]。而早期一項研究納入30例超重或肥胖的成年受試者(20～67歲),同樣采用PINTA方法,發(fā)現(xiàn)有NAFLD肥胖者相對無NAFLD肥胖者,其線粒體氧化代謝水平高出約2倍,并且肝TG含量與線粒體氧化通量和無氧通量均呈正相關[32]。最近,研究者在一項包括62例接受減肥手術的嚴重肥胖者和9例接受其他腹部手術的正常體質(zhì)量者的臨床研究中, 通過肝組織活檢以及高分辨率呼吸測量法分析肝線粒體呼吸水平,發(fā)現(xiàn)與非NAFL正常體質(zhì)量者相比,NAFL肥胖者的肝臟OXPHOS水平高,mtDNA/nDNA含量也顯著增加,但這種變化似乎與體質(zhì)量水平而非NAFLD嚴重程度相關;并且該研究結合其中21例減重手術患者術后12個月再次肝活檢組織的分析結果,比較發(fā)現(xiàn)肝氧化能力指標、肝TG、血FFA和分離線粒體的胰島素抵抗等指標得以改善[7]。這些數(shù)據(jù)表明,肥胖者中肝線粒體氧化能力的上調(diào)與是否發(fā)生NAFL無關,但NAFL早期可能出現(xiàn)線粒體代謝相關變化,包括肝臟RCR降低,ETC復合物以及線粒體生物合成相關基因的表達降低[5]。此類線粒體相關改變可能是后續(xù)出現(xiàn)氧化應激加重和脂質(zhì)過氧化產(chǎn)生脂毒性的重要原因。

(三)NASH及纖維化 研究發(fā)現(xiàn),NASH肝組織會出現(xiàn)果糖誘導的ATP耗竭后肝臟ATP再利用受損[33]、ETC復合物活性降低[34]、線粒體解偶聯(lián)蛋白UCP2表達增加[35]。這些指標都意味著肝線粒體功能異常,提示從NAFL到NASH進程中,肝線粒體呼吸能力會發(fā)生進行性下降。另一些人類和齲齒動物的研究數(shù)據(jù)又發(fā)現(xiàn),其mtFAO能力仍可以保存,甚至在局部輕度炎癥時因線粒體適應性調(diào)整得到增強;到了以廣泛氧化應激和脂質(zhì)過氧化為特征的NASH嚴重階段或者肝硬化階段,mtFAO水平會顯著降低。NASH肝組織線粒體膜電位降低、ATP含量降低等變化同樣提示,隨著NAFLD進展,肝能量代謝狀態(tài)總體出現(xiàn)惡化[4]。Koliaki等[5]通過對離體肝組織采用高分辨率呼吸測量法,發(fā)現(xiàn)NASH肝臟OXPHOS能力比NAFL組低40%～51%,比非NAFL廋者組低10%;另外還發(fā)現(xiàn)NASH、NAFL與單純肥胖組的RCR均下降,但NASH組中肝線粒體質(zhì)子漏、H2O2產(chǎn)生和DNA氧化損傷增加,提示抗氧化防御功能下降[5]。近期另一項研究發(fā)現(xiàn), 與臨界NASH組相比,明確NASH組肝組織具有較低的不完全的mtFAO,線粒體H2O2釋放增加,并且隨著炎癥和氣球樣變程度增加而增加[36]。mtFAO降低可以解釋FFA、甘油二酯和神經(jīng)酰胺等脂毒素在細胞內(nèi)的積累,同時還可能與肝臟氧化能力、氧化應激和炎癥相關,但線粒體功能障礙、脂毒素積聚與NAFLD病程進展之間因果順序,以及脂毒素是否可以作為NASH病機標志物,仍未有明確結論[37]。

肝線粒體的功能變化貫穿NAFLD的發(fā)生和發(fā)展過程,與病程中肝脂異常積累相關。而線粒體氧化應激是NAFLD進展期的關鍵因素。在NAFLD早期或者尚未完全符合診斷標準時,肝線粒體OXPHOS出現(xiàn)適應性增強,但同時出現(xiàn)線粒體解偶聯(lián)、呼吸鏈復合物及線粒體生物發(fā)生相關基因表達下調(diào)。最后在NASH期或肝硬化等終末肝病期,線粒體能量代謝惡化,抗氧化機制失衡?？梢姼纳芆XPHOS過程中能量物質(zhì)氧化效率,使底物氧化與呼吸鏈相互協(xié)調(diào),減少ROS產(chǎn)生及氧化應激,可能是減緩NAFLD病理生理進程的重要元素。因此,需要更詳細地了解NAFLD各階段肝線粒體的動態(tài)變化及其通路機制,這將有助于產(chǎn)生更新型有效的干預方式。

利益沖突聲明:所有作者均聲明不存在利益沖突。