尿酸參與代謝相關性脂肪性肝病發生、發展的分子機制研究進展

侯淑惠 鄧曉玲 次白 徐可樹

代謝相關性脂肪性肝病(metabolic associated fatty liver disease, MAFLD)是常見的慢性肝損傷,近年來MAFLD患病率呈上升趨勢[1]。MAFLD疾病譜包括多個階段的病理變化,其發生、發展機制與遺傳易感和胰島素抵抗等密切相關[2]。此外,也有報道發現MAFLD涉及個體生物鐘紊亂和腸道微生物因素等多方面[3, 4]。然而,MAFLD發生、發展的具體分子機制目前仍不完全清楚。

有研究表明血清尿酸的改變與MAFLD的進展密切相關[5]。尿酸是嘌呤代謝的最終氧化產物。高尿酸血癥由嘌呤代謝紊亂和尿酸排泄異常所導致。高尿酸血癥被認為是代謝綜合征、慢性腎病和心血管疾病發展的獨立危險因素[6]。MAFLD患者普遍存在高尿酸血癥,高尿酸血癥與MAFLD相互影響,互為因果,形成不良循環[7, 8]。目前雖有文章闡述高尿酸血癥與MAFLD的相互關系,但報道高尿酸能促進MAFLD發生、發展的分子機制的相關綜述較少。因此,本文著重歸納高尿酸影響MAFLD發生、發展的分子機制,以期為阻止MAFLD發生、發展提供理論依據。

尿酸是嘌呤代謝的終產物,主要通過腎臟和腸道排泄,正常值<420 μmol/L。正常情況下,尿酸具有維持血壓、清除自由基抗氧化、保護DNA等作用[9]。當嘌呤攝入過多、嘌呤代謝障礙或腎臟尿酸排泄減少時,均可誘發高尿酸血癥,尿酸升高常見的后果是尿酸鹽結晶沉積于骨關節、腎臟、皮下軟組織等部位,引起痛風性關節炎、尿酸性腎結石、痛風性腎病甚至慢性腎功能衰竭。此外,長期尿酸高水平會使心血管疾病、肥胖等發病率升高[10]。有研究將高尿酸人群依據尿酸水平進行分級:<420 μmol/L 為正常;420～480 μmol/L為輕度高尿酸血癥;480～540 μmol/L為中度高尿酸血癥;>540 μmol/L為重度高尿酸血癥。隨訪觀察不同水平高尿酸人群的MAFLD患病率,尿酸水平由低到高MAFLD患病率依次為:輕度MAFLD患病率10.33%、18.39%、23.11%和25.93%;重度MAFLD患病率1.06%、2.82%、5.05%和7.27%[11]。得出結論認為:MAFLD患病率會隨著尿酸水平的升高而升高,高尿酸血癥是MAFLD的危險因素。一項韓國的關于2058名患者的橫斷面研究也支持這一結論[12]。MAFLD的病理特征是肝細胞脂肪變性,伴有肝細胞壞死和炎癥,非酒精性脂肪性肝炎(nonalcoholic steatohepatitis, NASH)是MAFLD的一種嚴重類型,胰島素抵抗和脂質蓄積是其發病基礎,氧化應激和炎癥反應誘導疾病進展乃至纖維化,其中,氧化應激起重要作用[13]。氧化應激反應通常指反應性氧化物(reactive oxygen species, ROS)的產生超過對其清除或防御能力,線粒體是產生ROS的主要場所[14]。多項研究表明,高尿酸參與MAFLD的發生、發展與上述過程相關。

一、尿酸與胰島素抵抗

胰島素抵抗(insulin resistance, IR)是MAFLD發生、發展的基礎[15]。正常情況下,胰島素與胰島素受體結合,通過激活其受體酪氨酸激酶啟動級聯信號,參與葡萄糖代謝及促進脂肪合成、抑制脂肪分解。當機體出現IR時,胰島素作用不足,糖代謝受阻,脂肪代謝相應增加,大量游離脂肪酸入血,最終在肝臟中聚積,大量堆積的甘油三酯誘導脂肪肝的形成[15]。

有文獻報道高尿酸血癥能促進MAFLD進展與IR相關,通過降低尿酸水平可改善IR。一項關于110例糖尿病前期受試者的橫斷面研究為該觀點提供了依據,該研究分為非MAFLD組(n=62)和MAFLD組(n=48),比較HOMA-IR和尿酸之間的關聯性。結果顯示尿酸水平升高與MAFLD發病顯著相關,這種相關性可能由糖尿病前期受試者的IR介導[16]。較多動物研究探討高尿酸血癥小鼠表現出糖耐量受損和IR,認為高水平尿酸可以誘導氧化應激,使胰島素信號傳導通路受損,引發IR。有多項研究顯示高濃度尿酸可誘導氧化應激,ROS增加,激活胰島素受體底物-1(insulin receptor substrate-1, IRS-1)的絲氨酸(Ser307)磷酸化,進一步抑制下游胰島素信號蛋白激酶B(Akt)Ser473位點磷酸化,引起小鼠胰島素抵抗,參與MAFLD的形成[17, 18]。

黃嘌呤氧化酶(xanthine oxidase, XO)是尿酸生成的關鍵酶,有研究提示XO抑制劑(非布索坦)顯著降低了NASH模型小鼠的肝臟XO活性和尿酸水平, 伴隨著胰島素抵抗、脂質過氧化和肝臟中激活的M1樣巨噬細胞積聚的減少,認為XO抑制劑可能具有改善IR的作用[19]。尿酸轉運體1(uric acid transporter1, URAT1)是一種參與尿酸重吸收的主要蛋白質(約90%),URAT1抑制劑被認為可以有效降低尿酸水平[20]。URAT1抑制劑通過激活解偶聯蛋白-1減少ROS,顯著改善高脂飲食(high-fat diet, HFD)誘導肥胖小鼠的糖耐量和胰島素敏感性,減輕HFD小鼠的肝脂肪變性[21]。這從側面證明,尿酸通過影響IR促進了MAFLD的進展。

二、尿酸與內質網應激

內質網是真核細胞中蛋白質折疊和分泌、Ca2+儲存和脂質合成的場所。內質網應激(endoplasmic reticulum stress, ERS)表現為內質網腔內錯誤折疊或未折疊蛋白質累積,ERS發生時,未折疊蛋白質反應(unfolded protein response, URP)激活以恢復蛋白質穩態,常通過激活肌醇需要酶1(inositol-requiring enzyme 1, IRE1)、蛋白激酶RNA樣內質網激酶(protein kinase RNA-like ER kinase, PERK) 和激活轉錄因子6(activating transcription factor 6, ATF6)三種內質網膜蛋白啟動整合轉錄程序緩解ERS[22]。研究者將人肝癌細胞株(human hepatoellular carcinomas, HepG2)細胞置于高尿酸環境下,可見其誘導的ERS導致PERK和真核細胞起始因子-2a(eukaryotic initiation factor-2a, eIF-2a)的磷酸化和ATF6的表達增加,肝細胞脂肪生成增加,相反阻斷ERS, 尿酸誘導的HepG2細胞甘油三酯累積減少,認為尿酸通過誘導ERS誘導肝臟發生脂肪變[23]。該研究者進一步發現,尿酸可刺激膽固醇調節元件結合蛋白-1c(SREBP-1c)裂解和核易位,SREBP可以調控產脂基因表達[24]。因此,有研究者認為尿酸進入肝細胞,刺激內質網URP,增強的URP誘導SREBP-1c裂解為成熟形式,其成熟形式易位到細胞核激活產脂基因的轉錄,促使肝細胞脂質積累[23]。ERS阻滯劑和SREBP-1c抑制劑均可阻止肝臟脂肪的積聚[23]。

三、尿酸與氧化應激

氧化應激反應是ROS的產生和抗氧化系統的清除能力之間出現了不平衡,與MAFLD的發生、發展密切相關。一般認為尿酸具體抗氧化和促氧化雙重作用[25]。一項關于尿酸對于過氧化氫誘導的雞胚心肌細胞氧化損傷的作用研究顯示,正常濃度尿酸可抑制ROS的形成,高濃度尿酸通過抑制核因子-紅系2相關因子2(nuclear factor-erythroid 2 related factor 2, Nrf2)抗氧化通路加重氧化應激,促進心肌細胞氧化損傷[26]。有學者通過小鼠實驗證實敲除Nrf2會加劇NASH[27]。由此我們推斷,高濃度尿酸可能通過抑制Nrf2抗氧化通路加重肝臟氧化應激,促進NASH進展。

ROS的產生有多種來源,如線粒體、內質網和還原煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶(reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase, NADPH氧化酶)[28]。尿酸促進ROS產生主要通過NADPH氧化酶介導[29],為闡明尿酸誘導ROS產生后促進MAFLD進展的作用機制,國外學者設計了尿酸氧化酶敲除小鼠模型[30]。研究發現尿酸通過產生ROS誘導c-Jun N末端激酶(c-jun n-terminal kinase, JNK)激活,JNK是絲裂原活化蛋白激酶(mitogen activated protein kinase, MAPK)的組成成分,在肝臟中參與葡萄糖和脂質代謝[31]。活化的JNK可以使脂質基因激活蛋白-1(activator protein-1, AP-1)轉錄因子的亞單位c-Jun磷酸化,從而提高其轉錄活性,引起脂肪酸合成酶和乙酰輔酶A羧化酶1的過度表達,誘導脂質代謝變化[30]。研究者進一步使用JNK特異性抑制劑SP600125和抗氧化劑處理實驗小鼠,發現二者均可抑制JNK激活和肝脂肪變性[30]。由此得出結論:尿酸可能通過ROS/JNK/AP-1信號通路誘導肝脂肪聚集。

除尿酸本身外,尿酸代謝相關酶也參與氧化應激過程。黃嘌呤氧化還原酶(xanthine oxidoreductase, XOR)在人體主要定位于肝臟和腸道,病理條件下或釋放入循環中轉化為黃嘌呤脫氫酶(xanthine dehydrogenase, XDH)[32]。研究發現高脂飲食喂養家兔誘導MAFLD模型,其肝組織中顯示XOR向XDH亞型轉化增加,ROS濃度增加,認為尿酸代謝相關酶通過刺激氧化應激參與MAFLD的發生和進展[33]。

四、尿酸與線粒體功能障礙

肝細胞的能量代謝主要由線粒體介導,尿酸可以誘發線粒體形態改變和氧化應激,促進MAFLD發展。在高濃度尿酸環境下,肝細胞線粒體形態發生改變:顯微鏡下HepG2細胞顯示出更短更小的線粒體,高倍顯微鏡下細胞線粒體中嵴數量顯著減少,線粒體雙膜破壞[34]。長時間暴露于高濃度尿酸,可以激活NADPH氧化酶亞基NOX4, 促使NOX4轉移到線粒體內,NOX4的線粒體易位增強增加了線粒體產生的超氧化物,誘導線粒體氧化應激。 Krebs循環中烏頭酸酶催化活性被氧化劑抑制[35],導致檸檬酸鹽積累,刺激ATP檸檬酸酶裂解酶和脂肪酸合酶,導致脂肪酸從頭合成增加[34]。由此認為尿酸通過影響線粒體形態及功能促使線粒體氧化應激增加,進而影響Krebs循環,增加脂肪合成,加速MAFLD疾病進展。

五、尿酸與NLRP3炎癥小體

NOD樣受體家族含pyrin結構域3(the nod like receptor family contains pyrin domain 3, NLRP3)炎癥小體是天然免疫的重要組成部分,由NOD樣受體(NOD-like receptor, NLR)家族蛋白、銜接蛋白凋亡相關微粒蛋白(apoptosis-associated speck-like protein containing CARD, ASC)和半胱天冬酶-1組成,其中半胱天冬酶是細胞凋亡的關鍵蛋白酶[36]。NLRP3炎癥小體參與的炎癥反應可由多種因素觸發,如感染、代謝失調、細胞損傷和尿酸晶體等[36, 37]。國外學者研究發現,高尿酸血癥可激活NLRP3炎癥小體,而該小體的激活與NASH的進展呈正相關[38]。在高濃度尿酸環境下,NLRP3炎癥小體一方面能觸發促炎細胞因子前體(如Pro-白介素-1β)成熟和分泌,參與天然免疫防御,另一方面通過激活NOD樣受體招募ASC和前半胱天冬酶-1,誘導前半胱天冬酶-1自身切割并活化,活化的半胱天冬酶-1可以切割并促使炎癥細胞因子(如白介素-1β和前體白介素-18)成熟和釋放,誘導細胞炎癥反應和凋亡[36, 39, 40]。進一步通過體內外實驗證實尿酸可通過激活NLRP3炎癥小體誘導肝臟脂肪積累、促進炎癥反應。在高尿酸血癥誘導飲食喂養實驗小鼠體內NLPR3炎癥小體表達顯著上調,血清IL-1β和IL-18升高;敲除NLRP3后,血清IL-1β和IL-18下降,脂肪累積顯著降低。在體外人肝癌細胞株(HepG2細胞)和人正常肝細胞(L02細胞)中也觀察到相同現象[40]。然而尿酸如何激活NLRP3小體的分子機制尚不十分明確,是否通過AMPK/ROS信號通路尚有爭議[40], 推測與參與尿酸形成的黃嘌呤氧化酶(xanthine oxidase, XO)激活有關[41]。基于此,有研究發現芹菜素可以逆轉HFD飲食誘導的MAFLD小鼠體內NLRP3炎性體激活,減少炎性細胞因子IL-1β和IL-18的釋放,同時抑制XO活性,減少尿酸和ROS的產生,使肝脂肪變性恢復[42]。

六、其他

既往研究表明,微小RNA(microRNA, miRNA)的異常表達參與MAFLD的發病,miRNA在MAFLD發病機制中的潛在作用包括脂肪毒性、氧化應激、代謝炎癥和纖維形成[43]。尿酸對肝細胞脂質積聚的影響可能與miRNA有關。研究者發現尿酸可以刺激肝細胞MiR-149-5p表達上調,促進甘油三酯累積,而抑制miR-149-5p則減少甘油三酯沉積[44]。成纖維細胞生長因子21(fibroblast growth factor-21, FGF21)被認為是miR-149-5p的下游靶點,在脂質代謝中起關鍵作用,可改善脂毒性,減少纖維化和炎癥,改善脂肪肝[44]。尿酸刺激抑制 FGF21的蛋白質水平,而miR-149-5p抑制劑可以恢復被抑制的FGF21水平,改善脂質累積。因此,研究者認為,尿酸通過調節MiR-149-5p/FGF21軸誘導甘油三酯聚集[44]。

除上述觀點外,還有研究發現尿酸通過加速果糖代謝誘導脂質積聚。葡萄糖可以通過多元醇(AR-SDH)途徑轉化為果糖,醛糖還原酶(aldose reductase, AR)是AR-SDH途徑關鍵酶[45]。HepG2細胞暴露于尿酸環境,一方面AR及AR-SDH途徑中間產物隨時間推移顯著上調;另一方面,活化T細胞核因子5(nuclear factor of activated T cells 5, NFAT5)增加。NFAT5是調節AR表達和合成的轉錄因子[46],而放線菌素D則阻斷所有轉錄活性,可以顯著減弱尿酸對HepG2細胞AR的上調。因此認為尿酸通過NFAT5激活了體內AR和多元醇通路使內源性果糖產生增加[47]。既往研究認為內源性果糖生產和代謝的增加是脂肪肝發展過程中的重要步驟[48],實驗HepG2細胞內甘油三酯顯著升高,AR敲除細胞則沒有甘油三酯升高,因此認為尿酸通過加速果糖代謝加速了MAFLD進展[47]。

綜上所述,大量研究闡明尿酸升高參與了MAFLD的發生和發展:尿酸可以誘導胰島素抵抗和內質網應激加重肝細胞脂肪酸堆積,還可以刺激氧化應激、線粒體功能障礙、激活NLRP3小體誘發肝細胞炎癥等誘導肝細胞壞死;此外,尿酸還可間接通過加速果糖代謝間接誘導肝細胞甘油三酯聚集。其發揮促MAFLD作用與ROS/JNK/AP-1、MiR-149-5p/FGF21、Nrf2等多種信號通路相關。尿酸作用于MAFLD的分子機制為MAFLD的防治提供了新靶點和新思路,但高尿酸血癥參與MAFLD發生和發展的機制尚有許多不明之處,仍有待進一步研究闡明。

利益沖突聲明：所有作者均聲明不存在利益沖突。