非酒精性脂肪肝细胞损伤敏感性的机制

摘要

非酒精性脂肪性肝病(non-alcoholic fatty liver disease, NAFLD)是遗传-环境-代谢应激相关性肝病. NAFLD肝细胞对损伤因素如毒性化学物质(四氯化碳)、酒精、胆汁淤积的敏感性增加. 线粒体功能障碍、游离脂肪酸、氧应激、炎症因子、肝细胞钙超载等在NAFLD肝细胞损伤敏感性的机制中起重要作用. 对NAFLD肝细胞损伤敏感性的机制探索将成为研制防治肝病药物重要的新途径.

关键词: 非酒精性脂肪肝; 肝细胞; 敏感性; 机制

Pathogenesis of increased sensitivity of hepatocytes to injury in non-alcoholic fatty liver disease

Hong Shen, Tao Liu, Li Zhang, Pei-Yong Zheng, Guang Ji, Lian-Jun Xing

Hong Shen, Tao Liu, Li Zhang, Pei-Yong Zheng, Guang Ji, Lian-Jun Xing, Institute of Digestive Diseases, Longhua Hospital, Shanghai University of Traditional Chinese Medicine, Shanghai 200032, China

Supported by: the Program for New Century Excellent Talents in University, No. NCET07-0563; the National Natural Science Foundation of China, No. 30772802, 30873260; and the Leading Academic Discipline Project of Shanghai Municipal Education Commission, No. J50305.

Correspondence to: Lian-Jun Xing, Liver Section, Longhua Hospital, Shanghai University of Traditional Chinese Medicine, Shanghai 200032, China. xingdoctor@163.com

Received: November 26, 2009
Revised: January 20, 2010
Accepted: January 26, 2010
Published online: March 8, 2010

Abstract

Non-alcoholic fatty liver disease (NAFLD) is closely associated with genetic, environmental, and metabolic stress. Elevated sensitivity of hepatocytes to injury is found in NAFLD in some circumstances, such as exposure to hepatotoxic substances (carbon tetrachloride, alcohol) and cholestasis. Mitochondrial dysfunction, free fatty acids, oxidative stress, inflammatory factor and calcium overload in hepatocytes play an important role in the pathogenesis of increased sensitivity of hepatocytes to injury in NAFLD. Further elucidation of the pathogenesis of hepatocyte sensitivity to injury may provide a new strategy for prevention and treatment of NAFLD.

Key Words: Non-alcoholic fatty liver disease; Hepatocyte; Sensitivity; Pathogenesis

0 引言

非酒精性脂肪性肝病(non-alcoholic fatty liver disease, NAFLD)是指除乙醇和其他明确的肝损伤因素外所致的, 以弥漫性肝大泡性脂肪变、伴或不伴炎症为主要特征的临床病理综合征, 包括单纯性脂肪肝、脂肪性肝炎、肝纤维化以及肝硬化[1]. 在西方国家, NAFLD是最常见的肝脏疾病之一, 占总肝病的17%-33%[2,3].

目前在NAFLD发展过程中, 胰岛素抵抗被认为是最主要的病理生理因素[4,5]. NAFLD肝细胞对损伤因素如毒性化学物质(四氯化碳)、酒精、胆汁淤积的敏感性增加. 但是NAFLD肝细胞损伤敏感性的机制是什么呢? 本文主要围绕NAFLD肝细胞损伤敏感性的机制展开, 对NAFLD肝细胞损伤敏感性的机制探索将成为研制防治肝病药物重要的新途径.

1 肝细胞损伤的相关因素

肝细胞损伤是遗传、环境、体内多因素改变介导的生物学过程, 是肝脏疾病的共有表现. 肝脏可受外来侵害因素或内在循环紊乱、代谢障碍、免疫反应等因素的影响, 通过适应性防御反应和破坏性反应过程, 发生变性、凋亡、坏死、免疫-炎症反应、纤维化、缺血、基因表达异常、再生等多种形式的肝损伤改变. 各种损害因子可分别或先后以肝细胞、库普弗细胞、肝星状细胞、内皮细胞和胆管细胞等为靶细胞, 激发细胞损伤及其伴同的组织结构和功能改变, 导致肝细胞损伤.

2 肝细胞损伤的类别

关于细胞死亡过程的研究, 近年来已成为生物学、医学研究的一个热点. 肝细胞损伤可分为两种: 一种是肝细胞变性: 也称为亚致死性损伤; 另一种是致死性细胞损伤: 又可分为凋亡和坏死两种类型[6,7]. 在凋亡的级联反应中, 一类重要的物质就是胱冬肽酶(caspase). 在不同的细胞类型中, 凋亡有两条不同的信号传播途径[8]: (1)启动caspase被激活后, 产生一强的信号反应, 然后直接活化效应caspase; (2)当启动caspase活化的程序不够充分时, 通常需要线粒体的参与放大这一过程.

3 NAFLD肝细胞损伤敏感的机制

3.1 线粒体与肝损伤

近年来关于线粒体的研究表明, 线粒体在NAFLD肝细胞死亡中起着关键的作用. 线粒体功能障碍已成为肝脏损伤的一个机制, 他在细胞凋亡以及坏死的过程中都起着重要的作用[9].

3.1.1 细胞色素C的释放: 细胞色素C是线粒体释放的前凋亡因素. 在细胞质, 细胞色素C与凋亡激活因子Ⅰ结合后, 再与ATP结合, 激活caspase-9, 然后激活caspase-3, caspase-3刺激凋亡的效应途径, 导致ADP-核糖聚合酶断裂, 核小体间DNA水解, 细胞皱缩, 染色体边缘化, 核小叶形成. caspase也参与线粒体释放细胞色素C的上游过程, TNF-α和FasL与其受体的结合激活caspase-8, caspase-8断裂Bid, 然后定位至线粒体, 诱导细胞色素C的释放.

3.1.2 线粒体瞬时通透性孔道: 线粒体的主要功能为通过氧化磷酸化合成ATP, 在线粒体内膜经呼吸链电子传递转化还原等价物以利用能量. 线粒体瞬时通透性孔(mitochondria permeability transition pore, MPT)[10-12]是线粒体内膜一种可由铜离子诱导的可逆性通道, 他在跨膜线粒体蛋白释放至胞液的过程中起到重要作用. 氧化磷酸化障碍及MPT改变均可以引起细胞损伤. PT孔开放可诱致线粒体去极化、解偶联、肿胀、使内膜对相对分子质量小于1.5 kDa的溶质分子自由通透, 如果PT孔开放, 导致外膜破裂, 则可释放出细胞色素C引起凋亡.

3.1.3 Bcl-2家族的作用: 与死亡程序相关的另一重要成分是Bcl-2家族[13]. 这一家族的不同成员对凋亡或坏死可能具有促进或抑制两种不同的作用, 其主要作用靶点是线粒体. 近年来, 有关bcl-2基因蛋白家族作用机制方面进行了大量研究, 对其已有了一定了解, 并提出了几种作用模式, 但确切的机制尚未确定. Harris等[14]指出, bcl-2基因蛋白家族对于PT孔的开放和关闭起关键的调节作用, 促凋亡蛋白Bax等可以通过与内膜的腺苷转位因子(adenine nucleotide trans2locator, ANT)或电压依赖性阴离子通道(voltage dependent anion channel, VDAC)的结合介导PT孔的开放, 而抗凋亡类蛋白如Bcl-2、Bcl-xL等则可通过与Bax竞争性地与ANT结合, 或者直接阻止Bax与ANT、VDAC的结合来发挥其抗凋亡效应. Mikhailov等[15]研究发现, 发生膜转位Bax在线粒体膜上形成了由四聚体到十聚体组成的低聚复合物, 从而在线粒体外膜上形成通道介导细胞色素C的释放, 此复合物的形成可被Bcl-2抑制. 由上可见, Bax对于细胞色素C的释放起着关键的作用, 在凋亡信号的刺激下Bax可从胞质转位到线粒体膜上, 从而启动线粒体介导的细胞凋亡. 抗凋亡类Bcl-2蛋白可以通过阻止促凋亡蛋白在线粒体膜上形成低聚体来发挥其抗凋亡作用[16].

3.2 胆汁淤积与肝细胞损伤

在NAFLD胆汁淤积中, 升高的疏水性胆汁酸加速了肝细胞坏死, 最终导致肝损伤和肝硬化[17]. 其机制为: 疏水性胆汁酸通过激活Fas和TRALL死亡受体, 线粒体功能障碍, 氧化应激, JNK/AP-1信号通路诱导肝细胞凋亡[18-22]. 也有文章报道疏水性胆汁酸也通过内质网应激诱导的肝细胞凋亡[23].

3.3 氧应激与肝损伤

3.3.1 细胞自由基的直接损害与脂质过氧化作用: 为反应性氧化物(ROS)及其代谢产物的产生超过对其去毒或防御的能力. 氧化物和抗氧化物之间的动态失衡导致氧化应激. ROS通过传递1个或2个电子对细胞成分和生物物质起直接损害作用. OH^-主要与细胞脂质、蛋白质、DNA起反应; O^2-与和H₂O₂主要与细胞蛋白质而不是脂质或DNA起反应. ROS损害的重要靶位是线粒体. 由于mtDNA缺失及修复障碍, 导致MPT开放、呼吸链电子传递受阻、NF-κB核内移位等改变, 促进继发性氧应激, 使ROS生成增多及抗氧化物缺失. 在应激的驱动下, ROS进一步通过脂质过氧化介导生化性和结构性破坏, ROS氧化细胞及细胞器的生物膜, 从磷脂膜的多不饱和脂肪酸提取H⁺进行链反应形成脂质过氧化物, 可诱致细胞死亡.

3.3.2 ROS与细胞内信号级联反应: ROS为细胞信号传递分子及细胞信号传导刺激因子. 细胞信号受氧化还原的调节, 效应细胞对ROS反应可使其自身的信号分子产生信号变异, 引发一系列信号级联反应影响其生物功能. ROS通过调节和活化细胞内信号分子的表达, 扩增与级联反应相关的细胞损害. ROS内信号级联反应包括诱致应激活化的蛋白激酶、转录因子(激活物蛋白-1、缺氧诱致因子-1、NF-κB等)、凋亡信号调节物(caspase、Bad、Bcl-2等)以及琉基在细胞内翻译水平的信号传导改变等表达异常. 肝脏缺血再灌注损伤反应后期(>24 h)则表现为炎症介导的坏死、凋亡.

3.4 肿瘤坏死因子与肝损伤

TNF-α是一种大多由巨噬细胞产生的细胞因子. TNF-α是凋亡的重要介质之一. TNF-α介导肝细胞损伤的机制尚不十分明了, 大量研究证明, TNF大多数生物学效应由TNF-R1介导[24,25]. TNF-R1胞内区含死亡结构域, 其引起细胞凋亡或通过激活核转录因子NF-κB使某些细胞增殖、分化; 也可触发信号传导级联而导致细胞凋亡. TNF与TNF-R1结合, 可通过以下3条途径触发细胞死亡. 第一条途径: TNF与TNF-R1结合并使TNF-R1在胞内形成三聚体, 后者与TNF受体相关死亡结构域蛋白(TNF-receptor-associatedeath domain, TRADD)连接[26], 引起不同的生物学效应. 第二条途径: TNF与TNF-R1结合, 通过TRADD聚集RIP(Receptor-interacting protein)[27]. RIP死亡区优先与TRADD死亡区结合并与TNF-R1发生较弱的连接, 引起细胞的凋亡. 第三条途径: TNF诱导细胞凋亡的另一途径是鞘磷脂酶(sphingomyelinase, SMasc), 其产生的脂质神经酰(ceramide, CM)作为死亡信号级联中重要的信号物质, 可引起细胞凋亡和NF-κB激活[28]. 同时神经酰胺可直接与线粒体内细胞色素C结合, 释放线粒体, 或者通过促进氧化应激而导致其对肝细胞的损伤.

3.5 肝细胞钙超载与肝损伤

细胞的许多重要生理代谢活动都与胞内Ca²⁺浓度有关, 且钙稳态对细胞的生存极为重要[29]. 在NAFLD中细胞毒性物质CCl₄可直接损伤肝细胞膜, 使Ca²⁺跨膜内流增加引起肝细胞受损. 大量Ca²⁺涌入细胞并主要聚集在线粒体内, 由于线粒体膜电势丧失, 呼吸链功能障碍, 电子传递链电子外漏增加, 促进了氧自由基的产生. 导致线粒体及肝细胞的脂质过氧化损伤. Ca²⁺激活Ca²⁺依赖性磷脂酶, 促进膜磷脂分解[30]; 从而促使核苷酸酶、腺核苷酸环化酶、Na⁺-Ca²⁺-ATP酶降解[31]; 激活钙依赖核苷酸内切酶, 引起DNA水解[32]阻断胞内依靠转录而进行的潜在修复过程. 这些因素都可加重肝细胞损伤, 产生恶性循环.

4 结论

总之, NAFLD肝细胞损伤敏感性是一种由多种因素介导的复杂的生物学过程, 损伤的结果是肝细胞可能发生凋亡或者坏死. 但是NAFLD肝细胞损伤敏感性的机制仍未完全阐明. 进一步研究NAFLD肝细胞损伤敏感性的机制将对于肝脏疾病的预防和治疗起到重要的作用.

评论

背景资料

目前在NAFLD发展过程中, 胰岛素抵抗被认为是最主要的病理生理因素. NAFLD肝细胞对损伤因素如毒性化学物质(四氯化碳)、酒精、胆汁淤积的敏感性增加. 但是NAFLD肝细胞损伤敏感性的机制是什么呢? 本文主要围绕NAFLD肝细胞损伤敏感性的机制展开, 对NAFLD肝细胞损伤敏感性的机制探索将成为研制防治肝病药物重要的新途径.

同行评议者

党双锁, 教授, 西安交通大学第二医院感染科.

研发前沿

关于细胞死亡过程的研究, 近年来已成为生物学、医学研究的一个热点.

相关报道

近年来关于线粒体的研究表明, 线粒体在NAFLD肝细胞死亡中起着关键的作用. 线粒体功能障碍已成为肝脏损伤的一个机制, 他在细胞凋亡以及坏死的过程中都起着重要的作用.

同行评价

本文总结了最新非酒精性脂肪肝细胞损伤敏感性的机制的研究进展, 文笔流畅, 观点明确, 对于进一步研究NAFLD肝细胞损伤敏感性的机制有一定的参考意义.

备注

编辑:李军亮 电编:吴鹏朕

参考文献

1.	中华医学会肝脏病学分会脂肪肝和酒精性肝病学组. 非酒精性脂肪性肝病诊疗指南. 中华肝脏病杂志. 2006;14:161-163.  [PubMed]  [DOI]

2.	Browning JD, Szczepaniak LS, Dobbins R, Nuremberg P, Horton JD, Cohen JC, Grundy SM, Hobbs HH. Prevalence of hepatic steatosis in an urban population in the United States: impact of ethnicity. Hepatology. 2004;40:1387-1395.  [PubMed]  [DOI]

3.	Farrell GC, Larter CZ. Nonalcoholic fatty liver disease: from steatosis to cirrhosis. Hepatology. 2006;43:S99-S112.  [PubMed]  [DOI]

4.	Marchesini G, Marzocchi R. Metabolic syndrome and NASH. Clin Liver Dis. 2007;11:105-117, ix.  [PubMed]  [DOI]

5.	Ong JP, Younossi ZM. Epidemiology and natural history of NAFLD and NASH. Clin Liver Dis. 2007;11:1-16, vii.  [PubMed]  [DOI]

6.	Kaplowitz N. Mechanisms of liver cell injury. J Hepatol. 2000;32:39-47.  [PubMed]  [DOI]

7.	Patel T, Gores GJ. Apoptosis and hepatobiliary disease. Hepatology. 1995;21:1725-1741.  [PubMed]  [DOI]

8.	Pessayre D, Mansouri A, Haouzi D, Fromenty B. Hepatotoxicity due to mitochondrial dysfunction. Cell Biol Toxicol. 1999;15:367-373.  [PubMed]  [DOI]

9.	Bradham CA, Plümpe J, Manns MP, Brenner DA, Trautwein C. Mechanisms of hepatic toxicity. I. TNF-induced liver injury. Am J Physiol. 1998;275:G387-G392.  [PubMed]  [DOI]

10.	Lemasters JJ, Nieminen AL, Qian T, Trost LC, Elmore SP, Nishimura Y, Crowe RA, Cascio WE, Bradham CA, Brenner DA. The mitochondrial permeability transition in cell death: a common mechanism in necrosis, apoptosis and autophagy. Biochim Biophys Acta. 1998;1366:177-196.  [PubMed]  [DOI]

11.	Lemasters JJ. V. Necrapoptosis and the mitochondrial permeability transition: shared pathways to necrosis and apoptosis. Am J Physiol. 1999;276:G1-G6.  [PubMed]  [DOI]

12.	Susin SA, Zamzami N, Kroemer G. Mitochondria as regulators of apoptosis: doubt no more. Biochim Biophys Acta. 1998;1366:151-165.  [PubMed]  [DOI]

13.	Adams JM, Cory S. The Bcl-2 protein family: arbiters of cell survival. Science. 1998;281:1322-1326.  [PubMed]  [DOI]

14.	Harris MH, Thompson CB. The role of the Bcl-2 family in the regulation of outer mitochondrial membrane permeability. Cell Death Differ. 2000;7:1182-1191.  [PubMed]  [DOI]

15.	Mikhailov V, Mikhailova M, Pulkrabek DJ, Dong Z, Venkatachalam MA, Saikumar P. Bcl-2 prevents Bax oligomerization in the mitochondrial outer membrane. J Biol Chem. 2001;276:18361-18374.  [PubMed]  [DOI]

16.	Wu Y, Xing D, Chen WR. Single cell FRET imaging for determination of pathway of tumor cell apoptosis induced by photofrin-PDT. Cell Cycle. 2006;5:729-734.  [PubMed]  [DOI]

17.	Hofmann AF. Cholestatic liver disease: pathophysiology and therapeutic options. Liver. 2002;22 Suppl 2:14-19.  [PubMed]  [DOI]

18.	Rodrigues CM, Fan G, Wong PY, Kren BT, Steer CJ. Ursodeoxycholic acid may inhibit deoxycholic acid-induced apoptosis by modulating mitochondrial transmembrane potential and reactive oxygen species production. Mol Med. 1998;4:165-178.  [PubMed]  [DOI]

19.	Rust C, Karnitz LM, Paya CV, Moscat J, Simari RD, Gores GJ. The bile acid taurochenodeoxycholate activates a phosphatidylinositol 3-kinase-dependent survival signaling cascade. J Biol Chem. 2000;275:20210-20216.  [PubMed]  [DOI]

20.	Sokol RJ, Straka MS, Dahl R, Devereaux MW, Yerushalmi B, Gumpricht E, Elkins N, Everson G. Role of oxidant stress in the permeability transition induced in rat hepatic mitochondria by hydrophobic bile acids. Pediatr Res. 2001;49:519-531.  [PubMed]  [DOI]

21.	Graf D, Kurz AK, Fischer R, Reinehr R, Häussinger D. Taurolithocholic acid-3 sulfate induces CD95 trafficking and apoptosis in a c-Jun N-terminal kinase-dependent manner. Gastroenterology. 2002;122:1411-1427.  [PubMed]  [DOI]

22.	Higuchi H, Yoon JH, Grambihler A, Werneburg N, Bronk SF, Gores GJ. Bile acids stimulate cFLIP phosphorylation enhancing TRAIL-mediated apoptosis. J Biol Chem. 2003;278:454-461.  [PubMed]  [DOI]

23.	Tsuchiya S, Tsuji M, Morio Y, Oguchi K. Involvement of endoplasmic reticulum in glycochenodeoxycholic acid-induced apoptosis in rat hepatocytes. Toxicol Lett. 2006;166:140-149.  [PubMed]  [DOI]

24.	Nagata S. Apoptosis by death factor. Cell. 1997;88:355-365.  [PubMed]  [DOI]

25.	Vandenabeele P, Declercq W, Beyaert R, Fiers W. Two runner necrosis factor receptors: structor and function. Trends Cell Biol. 1995;5: 392-399.  [PubMed]  [DOI]

26.	Park A, Baichwal VR. Systematic mutational analysis of the death domain of the tumor necrosis factor receptor 1-associated protein TRADD. J Biol Chem. 1996;271:9858-9862.  [PubMed]  [DOI]

27.	Hsu H, Huang J, Shu HB, Baichwal V, Goeddel DV. TNF-dependent recruitment of the protein kinase RIP to the TNF receptor-1 signaling complex. Immunity. 1996;4:387-396.  [PubMed]  [DOI]

28.	Schütze S, Machleidt T, Krönke M. The role of diacylglycerol and ceramide in tumor necrosis factor and interleukin-1 signal transduction. J Leukoc Biol. 1994;56:533-541.  [PubMed]  [DOI]

29.	崔 婕, 薛 绍白. 胞内钙的稳态调节. 细胞生物学杂志. 1995;17:97-100.  [PubMed]  [DOI]

30.	Date M, Matsuzaki K, Matsushita M, Tahashi Y, Sakitani K, Inoue K. Differential regulation of activin A for hepatocyte growth and fibronectin synthesis in rat liver injury. J Hepatol. 2000;32:251-260.  [PubMed]  [DOI]

31.	梁 浩晖, 王 成友, 倪 勇. 肝脏缺血再灌注损伤发生机制的研究进展. 肝胆外科杂志. 2002;10:478-479.  [PubMed]  [DOI]

32.	巫 协宁. 急性肝损伤的细胞学机制. 国外医学·消化系疾病分册. 1998;18:14-16.  [PubMed]  [DOI]