肝星状细胞的生物学特性及活化调控机制

摘要

激活的肝星状细胞(hepatic stellate cells, HSC)是肝纤维化发生发展过程中的关键环节. 正常情况下HSC参与Vit A的代谢和贮存, 参与细胞外基质的合成和降解, 表达细胞因子及受体. 肝脏损伤后, HSC发生激活. HSC的激活是多种细胞因子的旁分泌和自分泌协同作用的结果. 其中PDGF以及TGF-β是两个最重要的因子. PDGF能促使HSC大量分裂增生并向肝损伤部位迁徙, TGF-β能促进HSC合成α-SMA以及合成胶原、纤维连接蛋白和蛋白多糖等细胞外基质. ET-1 的收缩功能是HSC的重要生物学特性之一. 肝损伤过程中, 细胞与细胞间, 基质与HSC间存在多种细胞因子及非肽类递质构成的复杂HSC激活调节网络.

关键词: 无

N/A

N/A

Correspondence to: N/A

Received: December 31, 2004
Revised: January 10, 2005
Accepted: January 20, 2005
Published online: March 1, 2005

Abstract

N/A

Key Words: N/A

0 引言

现已明确, 激活的HSC是肝纤维化发生发展过程中的关键环节. 目前关于HSC的生物学特性及与肝纤维化关系的研究已经成为肝硬化研究的热点. 本文就HSC的研究历史、活化通路进行了总结.

1 肝星状细胞的研究历史和生物学特性

关于肝星状细胞的研究已经有100多年的历史. 早在1876年, Kupffer使用氯化金染色法发现肝脏中有一种呈星状形态的细胞, 命名为星状细胞(stellate cells).1898年, Kupffer向兔肝内灌注印度墨水, 观察到能吞噬墨水颗粒的、同样为星状形态的肝巨噬细胞(人们后来将肝巨噬细胞命名为Kupffer细胞). 然而, 他混淆了肝巨噬细胞和星状细胞, 他误认为星状细胞位于肝窦中, 星状细胞就是肝巨噬细胞. 当时Kupffer的观点得到了广泛的认同.1951年, Ito发现肝窦外有一种富含脂肪的细胞, 称之为伊东细胞(Ito cells)或贮脂细胞(fat-storing cells).1958年, Suzuki用银染法确定Kupffer用氯化金染色法发现的星状细胞是位于肝窦外的肝间质中, 并不是肝巨噬细胞(Kupffer细胞), 因此, 把他重命名为间质细胞(interstitial cells).1966年, Bronfenmajor证实了伊东细胞的发现, 又给该细胞起个新名叫脂细胞(lipocytes)[1].1971年, Wake[2]同时用氯化金染色法和苏丹红染色法发现Ito所描述的伊东细胞和Kupffer所发现的星状细胞原来是同一类型的细胞.100多年来, 许多研究者对这种细胞进行了研究, 同时也给他起了多个不同的名字. 为了避免名称上的混乱, 同时也为了纪念Kupffer的发现, 1996年国际上将该细胞统一命名为HSC[3].

HSC位于Disse间隙, 紧贴着肝窦内皮细胞(sinusoidal endothelial cells, SEC)和肝细胞, 并伸出大量星状分布的长胞突包绕着肝血窦. 此外, HSC还伸出胞突与肝细胞、邻近的星状细胞相接触. 正常肝脏中HSC的数目很少, 只占肝细胞总体数目的5%-8%, 但HSC的立体分布和伸展足以覆盖整个肝窦微循环[4].

正常情况下HSC表现为富含Vit A脂滴的静止型, 其功能有: (1)参与Vit A的代谢和贮存: 肝脏在Vit A的代谢和贮存方面起着重要的作用. 视黄醛在小肠内酯化后由乳糜微粒经过淋巴管运输到肝脏. 肝细胞可以摄取乳糜微粒的视黄醛酯, 与特异的视黄醛结合蛋白结合后, 转运到邻近的HSC. 在这过程中, 视黄醛的摄取、储存和转运受到细胞内视黄醛结合蛋白含量的调节[5-6]. (2)参与细胞外基质的合成和降解: 在正常的肝脏中, 细胞外基质(extracellular matrix, ECM)约占肝脏总体重量的5%[7]. 目前的研究认为, HSC是正常及纤维化肝脏中ECM的主要来源细胞. 正常肝脏中HSC合成的胶原以IV型为主, I型和III型较少. HSC还能合成板层素(LM)、纤维连接蛋白(FN)、层连蛋白(LN)、腱蛋白(tenascin)、nidogen和粗纤维调理素(undulin)等糖蛋白成分, 以及硫酸皮素、硫酸软骨素和透明质酸等蛋白多糖[8]. 正常情况下, 肝脏ECM的合成和分解是处在一个动态平衡中. HSC能分泌多种胶原酶和基质降解蛋白酶如基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase, MMP)-1、MMP-2等以降解各种细胞外基质, 同时分泌组织金属蛋白酶抑制剂(tissue inhibitor of metalloproteinase, TIMP-1)防止胶原过度降解. (3)表达细胞因子及受体. 正常情况下, HSC可以分泌一些细胞因子. 在正常大鼠, HSC能表达肝细胞生长因子(HGF), 参与肝细胞再生的调控[9]. 此外, HSC还能表达很少量的转化生长因子(transforming growth factor-β, TGF-β)、血小板衍生的生长因子(platelet derived growth factor, PDGF)和胰岛素样生长因子(IGF)等, 同时HSC能表达TGF-β1的Ⅱ、Ⅲ型受体和PDGF受体的α亚单位等. (4)参与肝窦血流调节: HSC具有收缩功能. 从正常肝脏中分离出来的HSC可以在多种血管活性物质的作用下产生反应. HSC伸出胞突包绕着肝窦, 因而他的舒缩可以直接调节肝血窦的微循环, 从而影响着肝脏的血流分布和门静脉压力.

肝脏损伤后, 星状细胞则激活成为肌成纤维样细胞(myofibroblast-like cell)-活化型[10]. 此时HSC大量增生、胞体增大、Vit A脂滴消失、胶原纤维等细胞外基质分泌增多、表达具有收缩功能的α-平滑肌肌动蛋白(α-smooth muscle actin, α-SMA), 其中α-SMA的表达为HSC激活的标志[11]. 研究表明, HSC的持续激活是肝纤维化发生发展过程中的关键环节. 激活的HSC一方面通过增生和分泌细胞外基质参与肝纤维化的形成和肝内结构的重建, 另一方面通过细胞收缩使肝窦内压升高, 这两类变化最终奠定了肝纤维化、门静脉高压症发病的病理学基础. HSC的激活过程十分复杂, 是枯否氏细胞(Kupffer Cells, KC)、肝细胞、肝窦内皮细胞以及HSC自身分泌的多种细胞因子的旁分泌和自分泌协同作用的结果. 在众多的细胞因子中, TGF-β和PDGF起着关键性的作用.

肝脏损伤后, HSC发生激活. 激活的HSC特点为: (1)胞体增大, 胞突伸展, 星状外观. 胞质中脂滴消失, VitA含量减少. 胞质内粗面内织网、高尔基体发达, 具有旺盛的蛋白质合成能力. (2)细胞大量增生, 并且向肝损伤部位迁徙. (3)表达α-SMA, 成为肌纤维样母细胞, 为活化型HSC的标志. (4)具有收缩功能. (5)细胞外基质产生增多. (6)分泌多种细胞因子, 表达多种受体: 如TGF-β1及其Ⅰ型受体; PDGF及其受体β亚单位; 内皮素(ET)及其受体; IGF-1; FGF等.

现已明确, 激活的HSC在肝硬化、门静脉高压症的发生发展中起了关键性的作用. HSC的激活分三个阶段: (1)前炎症阶段: 肝细胞损伤, 分泌多种细胞因子, 促使HSC大量增生. (2)炎症阶段: Kupffer细胞、窦内皮细胞、炎症细胞和血小板等, 分泌多种细胞因子, 尤其是PDGF和TGF-β, 促使HSC活化. (3)后炎症阶段: 活化的HSC分泌细胞因子PDGF和TGF-β, 以自分泌和旁分泌方式, 促使HSC进一步活化.

2 肝星状细胞的活化通路

HSC的激活过程十分复杂, 是与KC、肝细胞、肝窦内皮细胞相互作用的结果. HSC和这些细胞间的相互作用对HSC的激活过程和肝纤维化的发生发展具有决定性的作用, 而KC作为一种炎症细胞在其中扮演了重要的角色. 在实验型肝纤维化模型中, KC的浸润总是先于HSC的激活; 无论从正常大鼠还是从肝纤维化大鼠中分离出来的KC的条件培养液, 都能促进HSC的激活. HSC与KC的相互作用是通过一些体液递质实现的, 包括趋化因子、细胞因子、细胞间黏附分子(intracellular adhesion molecule, ICAM)等[12]. KC可以产生细胞因子、氧化反应产物以及花生四烯酸影响HSC的增生, 细胞外基质的生成, 和收缩等功能. 如KC产生的PDGF能促使HSC大量分裂增生并向肝损伤部位迁徙, TGF-β能促进HSC合成α-SMA以及合成胶原、纤维连接蛋白和蛋白多糖等细胞外基质. 正如KC对HSC的功能具有重要的影响一样, HSC也对KC的生物学活性产生影响. HSC可以产生趋化因子巨噬细胞集落刺激因子(macrophage colony-stimulating factor, M-CSF)和ICAM, 促进KC等炎性细胞的浸润[13]. 此外, HSC还可产生细胞因子PDGF、TGF-β等促进KC的激活以及自分泌和旁分泌作用促进自身的进一步激活[7].

HSC的激活是多种细胞因子的旁分泌和自分泌协同作用的结果.

2.1 PDGF

PDGF是一种重要的促有丝分裂因子. 肝脏损伤时, PDGF能刺激HSC大量分裂增生并聚集于炎症受损区, 他是已知最强大的促进HSC分裂和增生的细胞因子. PDGF由A、B两条肽链组成, 有PDGF-AA、AB、BB三种异构体. PDGF受体由α、β两亚单位组成, 有αα、αβ、ββ三种. PDGF的B链可与α、β两种亚单位结合, 而A链只能与α亚单位结合. 静止的HSC只表达α亚单位, 激活的HSC才表达β亚单位[14-15]. 在肝纤维化时, HSC表面的PDGF受体以β受体为主, β受体与PDGF-BB具有较强的亲和力, 因此认为PDGF-BB以及PDGF的β受体在肝纤维化过程中的作用尤为突出. PDGF受体含src同源二聚体-2(SH-2)和磷酸化酪氨酸结合(phosphotyrosine-binding, PTB)两个结构域, 与接头蛋白Grb2结合后可聚集交换因子mSOS, 从而激活Ras, 进一步促使细胞外信号调节的激酶(extracellular signal regulated kinase, ERK)、Raf-1激活, 在转录因子E1K-1和SAP磷酸化作用下ERK转位至细胞核, 使C-fos表达增加, 启动HSC的增生. 干扰ERK的激活可以阻断PDGF引起的HSC活化. 另外PDGF与受体结合后还可引起磷脂酰肌醇-3激酶(PI-3K)聚集, 使酪氨酸磷酸化, 这一通路足以传递PDGF的有丝分裂信号, 且在产生趋化作用中是必不可少的, 转录信号传递激活因子(signal transducers and activators of transcription, STAT)与PDGF受体SH-2结构域结合后, 通过蛋白酪氨酸磷酸激酶JAK或酪氨酸激酶受体介导而磷酸化, 发生核转位, 对细胞因子启动的有丝分裂起调节作用. cAMP激活STAT后可抑制DNA的合成. 细胞外Ca⁺⁺经T型通道内流, Na⁺/H⁺交换泵对细胞内pH的调节亦是PDGF作用通路的必要环节. PDGF的三种异构体均可激活PI-3K, 以-BB作用最强, -BB可促进HSC增生和移行, -AA只能促进增生, 这可能是由于PDGF受体α、β两亚单位的信号传导途径存在某些差异. 此外, PDGF还能诱导HSC合成TGF-β等细胞因子促进HSC分泌细胞外基质和表达α-SMA. 因此, PDGF在HSC激活中起着重要的作用. 正常的肝组织仅表达很少量的PDGF, 肝损伤后可以观察到PDGF及其受体的表达升高. 肝损伤是触发PDGF表达的因素. 同TGF-β一样, PDGF也以正反馈的方式作用于HSC, 形成放大效应, 进一步促进HSC的激活.

2.2 TGF-β

TGF-β为一种高二聚体多肽, 在细胞生长负调节中起核心作用, 他存在于体内多种细胞, 在肝内除了HSC可以分泌TGF-β外, KC、肝窦内皮细胞以及肝纤维化附近的炎性细胞均可分泌. TGF-β是目前已知最强大的促进HSC激活和分泌细胞外基质的细胞因子, 他能促进HSC合成α-SMA以及合成胶原、纤维连接蛋白和蛋白多糖等细胞外基质, 同时抑制MMPs合成、促进TIMPs合成, 使细胞外基质的降解减少. 此外, TGF-β还间接通过增强PDGF的作用促进HSC的增生. 将TGF-β基因转移入小鼠, 使其在肝中过表达, 即可诱发肝纤维化[16]. TGF-β有3种亚型, 即TGF-β1、TGF-β2、TGF-β3, 其中TGF-β1与肝纤维化关系最密切. TGF-β通过细胞膜上的受体发挥作用, 其受体也有I、II、III型, 静止的 HSC只表达II、III型受体, 激活的HSC三型受体均表达[17-18]. TGF-β信息传递是通过其受体依次结合、磷酸化而实现的. TGF-β与II型TGF-β受体(TβR-II)结合并使之磷酸化而具有激酶活性, 后者再结合I型TGF-β受体(TβR-I)并使之磷酸化具有激酶活性, 而Ⅲ型受体即穿膜蛋白聚糖无信号传导功能. Smad家族中Smad2、Smad3能结合上述TGF-β-受体复合物中的TβR-I并发生磷酸化, 继而与Smad4形成异源寡糖聚合物, 并且向细胞核内转移, 随后发生转录反应, 靶细胞出现生物应答效应. TGF-β受体I亦经Ras/ERK通路促进胶原合成, 而TGF-β受体II的激活则抑制增生. Smad7却抑制TGF-β1的信息传递, 从而阻断TGF-β1所诱导的合成ECM以及阻断HSC的激活[19]. 正常肝脏中, TGF-β的表达很少. TGF-β的大量合成和分泌是在肝损伤后触发的. 肝内多种细胞包括HSC、KC、肝窦内皮细胞和肝细胞都可以合成TGF-β. 而HSC则既是这两种细胞因子的主要分泌细胞之一, 又是他们作用的主要靶细胞. 更引人注目的是, HSC分泌的TGF-β能以正反馈的方式促进自身及周围的HSC合成和分泌更多的TGF-β, 从而形成放大效应, 促进了HSC的进一步激活.

2.3 ET-1

ET-1在HSC激活早期与ET受体A(ET-RA)结合经Ras/ERK通路促使C-fos表达产生增生效应, 活化后ET-RB表达占优势, 使前列腺素水平增加, 导致cAMP增加, 使ERK、c-Jun氨基末端蛋白激酶(c-Jun NH2-terminal protein kinase, JNK)受到抑制, 从而使增生受抑. TNF-α则通过NFkB、Ap-1、c-Jun激酶等转录因子的调节激活HSC. 另外, c-myb可介导脂质过氧化反应产物对HSC的激活, 灶黏附激酶(focal adhesion kinase, FAK)则为整合素信号传递的中心环节. 收缩功能是HSC的重要生物学特性之一. 激活的HSC不但表达α-SMA和desmin等收缩性蛋白, 而且还表达多种血管活性物质的受体, 并能对ET-1、一氧化氮(nitric oxide, NO)等多种血管活性物质产生收缩和舒张反应[20]. 位于Disse间隙的HSC紧贴着肝窦内皮细胞, 伸出大量长胞突, 包绕着肝血窦. 因此, HSC的舒缩可以直接调节肝血窦的微循环, 从而影响着肝脏的血流分布和门静脉压力. 此外, HSC活化增生后合成大量的细胞外基质沉积于门脉周围、肝小叶内和Disse腔内, 形成"肝窦毛细血管化", 导致门脉循环压力不可逆升高.

激活的HSC收缩的机制为: (1)细胞膜上Ca⁺⁺通道表达增加, 同时Ca⁺⁺通道大量开放, 细胞内Ca⁺⁺浓度增加, 导致细胞收缩. (2)细胞中出现了大量的参与收缩的结构改变, 如表达α-SMA、desmin等, 这些细胞骨架蛋白能直接引起细胞收缩. (3)近年来研究发现, Rho激酶(属于ras家族的一种GTP结合蛋白)也参与HSC的收缩. HSC的收缩状态受到肝窦微循环中的血管活性物质的调节. 目前认为与HSC的关系最为密切的血管活性物质是ET-1和NO[21]. 但是Goto et al[22]研究发现在门静脉高压的早期, 由于门脉血流增多星状细胞机械拉伸引起MMP-l生成增多以及TIMP-1和TIMP-2生成减少.

肝损伤过程中, 细胞与细胞间如激活的KC、损伤的肝细胞、内皮细胞、血小板等与HSC之间; 基质与HSC间存在多种细胞因子及非肽类递质如活性氧、二十烷、乙醛等构成的复杂HSC激活调节网络. 例如, 活性氧激活KC, 使之分泌 TGF-β1、PDGF等细胞因子, 通过旁分泌激活HSC; 而HSC激活后转化为肌成纤维样细胞, 也可分泌TGF-β1等细胞因子通过自分泌进一步维持自身的活化状态并激活邻近HSC. 在肝损伤过程中肝细胞可吞饮潜在型的TGF-β1入胞, 在胞内活化, 随损伤时膜通透性增加而释放, 以旁分泌方式激活HSC. 细胞因子间也可发生相互作用, 或协同或拮抗, 一种生长因子可促进另一种生长因子或其受体的表达, 亦可促进自身表达的增加. 如TGF-β1除直接作用于HSC外, 还可诱导PDGF受体的表达. 肝内的实际情况则涉及更加复杂的多细胞、多因子的参与.

肝纤维化是继发于肝脏炎症或损伤后修复过程中的炎症反应, 以ECM在肝内过量沉积为病理特征, 最终可以导致肝硬化和肝功能衰竭. HSC作为肝硬化发病的关键环节正在受到广泛的关注. 深入开展HSC生物学特性以及信号转导通路的研究, 将有助于阐明肝硬化的发病机制, 并为临床治疗提供新思路和新方法.

备注

编辑: 张海宁

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