線粒體與肝細胞損傷的關系

魏海梁， 司明明， 郭 輝， 李京濤， 李 倩， 閆曙光， 鞠 迪

1 陜西中醫藥大學附屬醫院 a.普外一科； b.肝病科， 陜西 咸陽 712000；2 陜西中醫藥大學基礎醫學院， 陜西 咸陽 712046

肝臟具有攝取、代謝、生物轉化、貯存、合成和分泌等多種功能，是人體內體積最大、物質代謝最活躍的器官，參與了糖、脂肪、蛋白質、激素、維生素等的代謝，將多種營養物質輸送到其他器官組織，是人體能量代謝的中心；同時肝臟又是人體免疫功能的“排頭兵”，既負責清除外源性抗原、病原體，又要防止這些抗原誘發的免疫反應被擴大化，造成“自我損傷”。肝內細胞是肝臟發揮其生理功能的核心，主要由肝實質細胞(肝細胞)和非實質細胞(內皮細胞、星狀細胞、巨噬細胞和淋巴細胞等)構成，其中肝實質細胞約構成肝內細胞總數的65%，占肝體積的80%，其數量和體積的絕對優勢表明其既是肝臟發揮生理功能的主體又是肝臟受到“攻擊”時受損的核心，各種有害因子和物質(病毒、藥物、乙醇、缺氧、免疫等)導致線粒體功能障礙、ATP生成減少、能量代謝障礙，活性氧簇(reactive oxygen species，ROS)釋放后誘發氧化應激反應和脂質過氧化反應,進而加重線粒體損傷，加劇肝細胞的氧化應激反應,導致肝細胞短暫或持續性損傷，甚至凋亡，引起炎癥、纖維化等病理改變，是導致多種肝臟疾病發生發展的關鍵，因此，肝細胞線粒體的正常運轉，對于維持肝細胞及肝臟生理功能具有舉足輕重的意義。本文就肝細胞線粒體與肝細胞損傷間的關系進行綜述。

1 線粒體膜通透性的改變在肝細胞損傷過程中發揮重要作用

正常肝細胞的細胞質中有1000～2000個線粒體，他們除了參與肝細胞的能量代謝外，還參與了脂肪酸的氧化、尿素合成和轉氨基等作用。線粒體為肝細胞內極為敏感的細胞器，廣泛的參與了肝細胞損傷的病理過程[1]。因此，正常的線粒體功能是肝細胞維持機體正常運轉的關鍵。

線粒體膜通透性的改變在肝細胞凋亡或損傷中具有重要作用。線粒體膜通透性轉換孔(mitochondrial permeability transition pore，PTP)是40多年前發現的一種生理現象，但至今仍未被完全了解。PTP是位于線粒體內外膜之間的非特異性高導電性通道，由多種蛋白相關聯而形成(包括腺嘌呤核苷轉運體、電壓依賴性陰離子通道及轉運蛋白等[2-3])，對環孢素A敏感，正常情況下，PTP只允許水及質量小于1500 Da的溶質通過。目有研究表明，PTP存在兩種開放狀態：一種是正常生理狀態下的短暫開放，這種開放允許溶質(如Ca2+、自由基等)在線粒體基質與胞質之間快速交換，另一種是持久的開放，這種持久的開放狀態導致線粒體去極化，ATP消耗過大，ROS釋放，損害Ca2+的內外環境平衡穩態，導致線粒體腫脹，誘發預凋亡因子釋放，導致細胞凋亡，因此，這種持續性開放狀態被認為是有害的，也被學者認為是細胞損傷及不可逆性凋亡的關鍵點[4-6]。

PTP“不合時宜”的激活是人體多種疾病發生的關鍵環節[7]。作用于PTP的藥物也越來越多地被研究，褪黑素可通過作用于肝細胞線粒體膜通透性，抑制肝細胞線粒體凋亡，改善脂質導致的肝細胞損傷[8]。在動物模型及臨床治療中，適當補充鋅鹽可以通過作用于PTP來改善手術后缺血/再灌注損傷導致的肝功能下降或肝功能異常[9-10]。比如，小劑量的免疫抑制劑環孢素A可發揮其特異性抑制PTP的開放、凋亡通路的激活及細胞色素C、凋亡誘導因子等的釋放，從而抑制線粒體損傷、細胞凋亡[11]。在大鼠的缺血/再灌注損傷模型中，肽基脯氨酰異構酶F(recombinant peptidylprolyl isomerase F，PPIF)或小分子的親環素D(Cyclophilin D)能夠通過調節異常的PTP開放，減少鈣離子誘導的肝細胞線粒體腫脹、凋亡，改善肝臟手術后肝細胞的缺血/再灌注損傷[12]。

在未來，線粒體膜通透性會成為肝臟疾病及藥物作用靶點的研究熱點之一，有望改變保肝藥物藥理作用途徑較為單一的局面，而對于基礎研究而言，線粒體膜通透性的改變也將成為預測細胞死亡最有價值的指標[13]。

2 ATP合成障礙及消耗加速肝細胞損傷

線粒體的主要功能是提供細胞內各種物質代謝所需要的能量，肝臟是人體內重要的代謝器官，對以物質代謝為主要功能的肝細胞來說線粒體的作用尤為重要[14]。

生理狀態下，線粒體電子經呼吸鏈傳遞時，將質子由內膜基質側轉至內膜外，形成跨膜電位，作為能量儲備供給ATP合成所需，同時線粒體通過氧化磷酸化和三羧酸循環生成大量的ATP，而線粒體膜電位和ATP在細胞凋亡的過程中發揮了重要的作用[15]。ATP是細胞維持正常功能的基本能量單位，只有將ATP控制在一定的水平上，細胞才能免除凋亡的命運，當ATP水平下降限定值以下，細胞凋亡就會發生，當細胞內ATP水平耗竭，細胞就不可避免的發生死亡。而抗氧化劑之所以能抑制細胞凋亡其主要機制就是能拮抗線粒體的極性化和ATP水平的下降[16]。選擇性的充分給予線粒體外的ATP可以阻止細胞發生壞死，恢復細胞自主進行凋亡的能力。

而截至目前，多項研究[17-18]證實，手術、脂肪肝、病毒感染、酒精暴露、先天性疾病、藥物毒性和代謝紊亂性疾病等因素，可減少肝細胞線粒體ATP合成，或增加ATP消耗，導致肝細胞損傷，例如，對于多數終末期肝病患者，手術治療是較為行之有效的治療方法，然而，手術造成的缺血/再灌注損傷在術中是不可避免的。肝切除過程中，肝動脈阻斷常被用來減少術中失血，但當使用這項技術時，肝臟不可避免地處于缺血狀態，導致供給肝的氧和營養物質減少，肝細胞線粒體ATP消耗，進而導致肝細胞損傷。通過激光共聚焦顯微在穩定表達HBV X蛋白的HL-7702細胞中發現，HBx蛋白能夠與環氧合酶-Ⅲ(cyclooxygenase-Ⅲ,COX-Ⅲ)共定位于線粒體，且HBx蛋白能夠上調COX-Ⅲ的表達并增強COX活性，導致質子傳遞功能障礙，多余的質子及電子不斷累積，進而減少了ATP的合成，最終造成線粒體跨膜電位改變，誘發線粒體功能障礙，內源性ROS水平升高，ATP合成障礙，導致肝細胞損傷[19]；酒精也可通過損傷甘油醛-3-磷酸及糖酵解途徑，繼發線粒體合成ATP障礙，損傷肝細胞[20]。因此，細胞內ATP水平又決定了其功能異常與否，也成為通過調節ATP來治療疾病的有效途徑之一。例如，在動物肝癌SMMC-7721、HepG-2移植瘤模型中，α-常春藤皂苷能夠通過降低谷胱甘肽和ATP水平，誘導ROS釋放，激活含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶、凋亡誘導因子和細胞色素C蛋白誘導的細胞凋亡途徑，導致肝癌細胞凋亡，或是治療人類肝細胞癌的一種有效方法[21]。因此，可將改善多因素所致的肝細胞能量供應障礙和減少氧化應激，作為減輕或改善肝細胞損傷甚至是防治慢性肝臟疾病的研究熱點。

3 肝細胞線粒體Ca2+穩態異常是肝細胞損傷的重要機制

目前已知，鈣離子是肝細胞活動所需的重要二級信使，肝臟正常的代謝、合成、解毒功能有賴于鈣信號通路的正常運轉。

生理狀態下，細胞內鈣離子濃度低于細胞外鈣離子濃度，巨大的濃度差造成鈣離子不斷流向細胞內，此時需要通過線粒體、內質網等將細胞內的鈣離子不斷排出，以保持鈣離子在細胞內的內環境穩定，其中線粒體是穩定鈣離子平衡的主要細胞器，一旦線粒體的排鈣機制受損，鈣離子在細胞內大量滯留，就會激活磷脂酶類、蛋白水解酶類、核酸內切酶類，破壞細胞質膜和細胞骨架，促使蛋白質和核酸裂解，最終導致細胞死亡[22-23]。因此，線粒體和細胞質鈣信號被認為是肝細胞再生的調節因子。

線粒體鈣攝入蛋白1(mitochondrial calcium uptake 1，MICU1)是目前已知的肝細胞損傷修復中的關鍵蛋白，在肝部分切除術小鼠模型中，MICU1可控制Ca2+從胞質轉運到線粒體基質的轉運速率，調節肝細胞線粒體Ca2+超載，幫助維持肝細胞線粒體Ca2+穩態，修復受損的肝細胞，促進肝細胞再生[24]。另一項研究[25]也證實，線粒體鈣緩沖可促進肝臟再生，可能是通過抑制細胞凋亡來實現的。相反，MICU1的缺失，會導致生理應激條件下的線粒體鈣超載，損傷細胞能量代謝及細胞功能，導致肝細胞損傷[26]。

因此，Ca2+在肝細胞信號轉導、線粒體Ca2+穩態、線粒體能量代謝以及肝細胞凋亡方面的參與機制不容忽視。

4 討論

現今，流行病學資料顯示，由多因素引起肝細胞損傷導致的慢性肝臟疾病已成全球致死性病因之一[27]，我國是人口大國，慢性肝臟疾病發病率持續增長，加重了社會經濟負擔及醫療負擔，嚴重影響患者的身心健康。

研究證實，線粒體功能障礙或損傷，繼發機體內環境穩態改變，與人類多種腫瘤的發生發展關系密切[28]，包括肝癌[29]。同樣，病毒、藥物、酒精及脂肪浸潤導致的肝細胞線粒體損傷、結構異常和功能障礙，是肝細胞死亡、病毒性肝炎、肝硬化及脂肪性肝炎等慢性肝臟疾病的始動因素[30]，而持續性肝細胞死亡又是導致慢性肝病惡性進展的主要原因，因此，在治療慢性肝臟疾病的同時，針對肝細胞線粒體功能障礙，肝細胞損傷、壞死和凋亡加以早期有效干預，促進肝細胞及肝功能修復，延緩慢性肝臟疾病自然病程，是改善甚至是阻斷慢性肝病惡性進展的重要方法與治療關鍵，具有重要的科研價值和臨床意義。