氣體信號分子在非酒精性脂肪性肝病中的作用機制研究進展

孔光耀 蔣鋒 劉麗萍 陳穎卿

大連大學慢性病研究中心大連市重點實驗室，遼寧大連 116622

非酒精性脂肪性肝病（non-alcoholic fatty liver disease，NAFLD）是由于胰島素抵抗和遺傳因素等導致游離脂肪酸和肝細胞內脂肪生成的增加，甘油三酯（triglyceride，TG）在肝細胞中過度堆積引起的代謝綜合征，是一種常見的肝臟疾病[1-3]。NAFLD 主要包括單純性脂肪肝、非酒精性脂肪性肝炎（nonalcoholic steatohepatitis，NASH）及相關肝硬化[4-5]。目前對NAFLD 沒有有效的治療方法，主要通過減肥、改變飲食習慣和藥物治療。

氣體信號分子是一類能夠自由穿透細胞膜、具有特定生理學功能和作用靶點、受體內代謝途徑調控的內源性氣體分子。迄今被發(fā)現(xiàn)具有生物學效應的氣體信號分子主要有一氧化氮（nitrogen monoxide，NO）、一氧化碳（carbon monoxide，CO）和硫化氫（hydrogen sulfide，H2S）[6]，有抗炎、抗氧化和抗凋亡作用，利用其有益生物學效應可有助于治療一些慢性肝病，如NAFLD、肝纖維化、肝硬化和肝癌等[7-8]。本文就不同氣體信號分子對NAFLD 治療的分子機制作一綜述。

1 NO 對NAFLD 的干預及調控作用

NO 是多數(shù)生理系統(tǒng)中的重要參與者，如神經(jīng)系統(tǒng)、心血管系統(tǒng)等，具有多種生物學功能，包括舒張平滑肌、降低血壓、抑制血管平滑肌細胞增殖、防止血小板聚集及加強非特異性免疫防御[9]。內源性NO 主要是由一氧化氮合酶（nitric oxide synthase，NOS）在細胞內產(chǎn)生。研究表明，三種不同類型的NOS 主要包括神經(jīng)元型NOS（nNOS 或NOS1）、內皮型NOS（eNOS 或NOS3）和誘導型NOS（iNOS 或NOS2）[10]。

1.1 eNOS 對NAFLD 的分子調控作用

肝竇狀內皮細胞（liver sinusoidal endothelial cell，LSEC）是一種結構和功能獨特的內皮細胞。在生理條件下，LSEC 是肝臟穩(wěn)態(tài)的“守門人”，是血液和肝實質之間雙向脂質交換的主要調節(jié)者[11]。首先，LSEC 開窗孔允許脂蛋白、乳糜微粒殘余物和其他大分子從血液有效吸收到肝血竇中，在那里他們被肝細胞吸收。LSEC 通過抑制Kupffer 細胞和肝星狀細胞（hepatic stellate cell，HSC）的活化，調節(jié)肝內血管阻力和門脈壓力，顯示出抗炎和抗纖維化的特性[11]。

研究表明，內源性NO 的耗竭與肝臟疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關。例如，NO 缺乏可導致肝臟中大量脂肪沉積，這與HSC 活化和肝纖維化形成有關[12]。近期研究發(fā)現(xiàn)，VEGF/eNOS 信號通路在肝細胞再生中起著重要作用。VEGF 促進LSEC 內高表達eNOS，產(chǎn)生大量內源性NO，并誘導LSEC 釋放肝細胞生長因子（hepatocyte growth factor，HGF）[13]。當細胞內eNOS 表達及NO 合成受抑制時，給予低劑量NO 供體可促進肝細胞增殖，減少肝細胞內脂肪堆積，并調節(jié)肝臟中的脂質和葡萄糖穩(wěn)態(tài)。由此推斷，提高細胞NO 生物利用度對防治NAFLD 具有一定的意義，見圖1。此外，有文獻報道，eNOS 可通過抑制Kupffer 細胞的炎癥反應[14]和增強線粒體功能[15]來減輕NAFLD。他汀類藥物可通過增加eNOS 活性促進肝組織血管內皮細胞中NO 的生成，從而抑制HSC 的活化[16]。

1.2 iNOS 對NAFLD 的調控作用

與eNOS 的機體保護作用相反，由iNOS 降解精氨酸產(chǎn)生的NO 及其衍生物，可促進NAFLD 的發(fā)生[17]。例如，與野生型小鼠比較，精氨酸酶2（Arginase2，Arg2）基因敲除小鼠在高脂飲食中表現(xiàn)出肝脂肪變性和組織損傷增加[18]。鑒于Arg2 與iNOS 競爭其底物（即精氨酸），缺乏Arg2 有利于iNOS 的活性增強[19]，進而導致肝細胞脂肪變性。瘦素是一種促炎性脂肪細胞因子，通過誘導iNOS 導致氧化應激，從而激活Kupffer細胞，導致NAFLD[17]。總之，eNOS 激活劑或NO 供體對NAFLD 具有治療保護作用，而iNOS 的表達增加對肝脂肪變性具有促進作用。見圖1。

圖1 一氧化氮對非酒精性脂肪性肝病的作用和調控機制

2 CO 對NAFLD 的治療作用及分子調控機制

CO 是一種內源性氣體信號分子，其是由血紅素加氧酶-1（heme oxygenase-1，HO-1）分解血紅素而內生。研究表明，CO 可減少氧化應激和炎癥反應，并保護細胞免受內質網(wǎng)應激[20]。CO 能夠通過激活肝臟內HO-1 的表達，改善對乙酰氨基酚誘導的肝損傷[21]。目前已開發(fā)出幾種被稱為一氧化碳釋放分子（carbon monoxide releasing molecule，CORM）的新化合物，其生物化學特性已被確定，其中，CORM-3 和CORM-A1是新近開發(fā)的兩種CORM，他們都是完全水溶性，在生理培養(yǎng)基中培養(yǎng)時，CORM-3 和CORM-A1 都能有效釋放CO 氣體[10]。

2.1 CO/HO-1 通路在NAFLD 中的作用機制

活性氧（reactive oxygen species，ROS）在各種肝病中起重要作用，包括NAFLD 和NASH。近期研究發(fā)現(xiàn)[22]，CORM-A1 可以預防高脂高糖飲食喂養(yǎng)的C57BL/6J小鼠（作為NASH 的模型）的肝脂肪變性。在高脂高糖喂養(yǎng)的小鼠中，CORM-A1 能夠改善脂質穩(wěn)態(tài)，促進Nrf2 核轉移，并增加抗氧化應激相關基因表達和增加線粒體內ATP 的生成。CORM-A1 能夠通過激活Nrf2，促進抗氧化相關基因表達，進而降低線粒體內ROS 的生成，并且能明顯改善高脂高糖飲食誘導的血脂異常、脂質代謝失調、肝脂肪變性和相關炎癥[22]。研究表明，Nrf2/HO-1 抗氧化途徑對內質網(wǎng)應激誘導的肝脂肪變性具有保護作用[23]。提示CORM-A1 通過Nrf2 激活介導的抗氧化應激和線粒體功能，改善NAFLD。見圖2。

2.2 CO/SESN2/AMPK 通路在NAFLD 中的作用機制

近期，Kim等[8]利用蛋氨酸/膽堿缺乏飼料（methionine-choline deficient diet，MCD）喂養(yǎng)的動物模型確定CO 對NASH 的影響。結果顯示，MCD 喂養(yǎng)可表現(xiàn)肝組織中炎癥細胞浸潤、肝臟脂肪堆積和肝臟內TG 濃度升高，CO 吸入療法可明顯減輕血漿天門冬氨酸氨基轉移酶、丙氨酸氨基轉移酶含量和肝組織TG和炎癥因子水平。CO 通過抑制線粒體細胞色素c氧化酶，導致產(chǎn)生低水平ROS 引起線粒體應激，線粒體應激產(chǎn)生的ROS 可導致適應性信號通路PERKeIF2-ATF4 的激活，進而激活應激誘導蛋白SESN2 的表達，進一步激活SESN2/AMPK/mTOR 信號通路，并由此激活自噬來保護MCD 飲食誘導的NAFLD。提示CO 激活自噬是防治NAFLD 進展的潛在治療策略。見圖2。

2.3 CO/FGF21 通路在NAFLD 中的作用機制

FGF21 亞家族又稱內分泌成纖維生長因子，為眾多成纖維生長因子家族中的一員，包括FGF19、FGF21和FGF23 等，在人體內主要參與全身代謝調控。研究表明，在高脂肪高膽固醇飲食誘導的肥胖小鼠中，CO可通過激活PERK-eIF2-ATF4 信號通路上調FGF21 的表達，調節(jié)代謝穩(wěn)態(tài)減少小鼠體重；同時CO 可通過增加FGF21 表達靶向提高線粒體功能[24]。FGF21 增高是由于葡萄糖饑餓、冷休克和自噬缺陷等多種應激誘導的代償機制，在NAFLD 和內質網(wǎng)應激中具有抗氧化和促進白色脂肪向褐色脂肪轉化等生物活性功能[25]。重組FGF21 蛋白可改善內質網(wǎng)應激引起的肝脂肪變性[26]。因此，低劑量外源性CO 可通過增加FGF21 降低內質網(wǎng)應激，并且抑制肝細胞內脂質積累和炎癥反應，從而對NAFLD 起到治療保護作用[24-27]。總而言之，CO 誘導的FGF21 可通過上調線粒體功能增強肝細胞氧化，抑制內質網(wǎng)應激或高脂肪飲食誘導的代謝功能障礙，促使白色脂肪細胞減少。見圖2。

圖2 一氧化碳對非酒精性脂肪性肝病的治療作用及其分子調控機制

3 H2S 對NAFLD 的作用及分子調控機制

H2S 是一種無色氣體，具有臭雞蛋氣味，長期以來被公認為有毒氣體和環(huán)境污染物。研究表明，H2S各種生理和病理過程中起著重要的作用[28]。H2S 參與多種肝臟功能，包括調節(jié)線粒體功能、葡萄糖和脂質代謝、氧化應激反應等。

3.1 通過抗氧化機制減緩NAFLD

H2S 在NAFLD/NASH 中發(fā)揮多種有益生物學效應，并且新型H2S 供體可用于治療NAFLD 和NASH。氧化應激和炎癥反應在NAFLD 和NASH 發(fā)展進程中起著重要作用。研究發(fā)現(xiàn)，H2S 作為一種新型的生物活性氣體，通過改善高脂飲食誘導的肥胖小鼠的脂質代謝和抗氧化能力，增強HO-1 的表達，抑制氧化應激反應，減少肝臟脂肪沉積，進而減輕NAFLD[28-29]。見圖3。

3.2 通過AMPK-mTOR 途徑激活自噬減緩NAFLD

自噬在肝臟TG 代謝中起重要作用，抑制自噬可降低肝臟中TG 的清除率，TG 在肝組織中的積累會導致NAFLD 的發(fā)生[30]。研究發(fā)現(xiàn)，H2S 可通過AMPKmTOR 途徑激活肝細胞內自噬降低血清TG 水平，并改善NAFLD[31]。同時，硫化氫鈉治療后顯著降低了高脂飲食喂養(yǎng)小鼠的血清TG 水平，緩解NAFLD。見圖3。總之，H2S 及其供體可以通過抗氧化途徑以及激活自噬來減緩NAFLD。

圖3 硫化氫對非酒精性脂肪性肝病的作用及其分子調控機制

4 小結

隨著人類進入一個基因組信息不斷深入的時代，未來對提高NAFLD 發(fā)病機制的認識是光明的，并逐漸趨于個體化治療。目前該領域的最大挑戰(zhàn)是尋找更加有效且副作用小的新型藥物。外源性及內源性氣體信號分子能有效減緩脂肪細胞變性、減少細胞內脂肪堆積，并具有抗炎癥、抗凋亡、調節(jié)代謝穩(wěn)態(tài)等多種有益生物學效應，對NAFLD 具有治療保護作用。本文對近5 年來國內外許多專家學者對3 種不同氣體信號分子對NAFLD 的干預作用機制進行了大量而深入的研究和探討，總結后發(fā)現(xiàn)不同氣體信號分子對NAFLD的調控機制不盡相同，NO 主要激活VEGF-NO 通路，并促進LSEC 產(chǎn)生NO，從而誘導LSEC 釋放肝臟生長因子進而抑制NAFLD；CO 除通過增強FGF21 的表達抑制NAFLD 外，還與H2S 一樣，通過抗氧化途徑及增加肝臟自噬來抑制NAFLD。

目前NAFLD 發(fā)病人數(shù)越來越多，但是治療方案很少，許多治療NAFLD 的藥理學方法都集中在抑制肝臟損傷、炎癥和纖維化等相對下游的治療上，且治療藥物具有一定的副作用。這些問題迫使我們需要找到毒性低、效果好的治療藥物。美國FDA 報道，外源性NO 已經(jīng)通過吸入和依賴酶活性的供體化合物進行給藥治療，美國Bellerophon Therapeutics 公司目前已將INOpulse 用于其他心肺適應證，例如與肺纖維化相關的肺動脈高壓等。這給了我們一個很大的啟示：今后可利用氣體信號分子及其供體的吸入式療法進行多種炎癥性疾病的臨床治療，并且將更新更有效的氣體信號分子供體制成氣源性噴霧劑或藥劑治療NAFLD、NASH 和肝硬化。盡管在實驗疾病模型中已經(jīng)獲得了充滿希望的研究結果，但這些化合物還沒有在臨床上進行廣泛測試，這也促使更多專家學者未來在這一領域進行更為廣泛而深入的研究。此外，可將氣體信號分子供體作為保健品中的重要成分，為預防NAFLD的惡化提供新的治療方案。