肝線粒體功能障礙在非酒精性脂肪性肝病發病中的作用機制

楊冰清，尹靜亞，王 琦

首都醫科大學附屬北京地壇醫院肝病中心，北京 100015

非酒精性脂肪性肝病（NAFLD）是指除外酒精和其他明確的肝損傷因素所致的肝細胞內脂肪過度沉積為主要特征的臨床病理綜合征，包括單純性脂肪肝（NAFL）、非酒精性脂肪性肝炎（NASH）、NASH 相關性肝纖維化、肝硬化和肝細胞癌等［1-2］。NAFLD已成為最常見的慢性肝病，全世界總患病率為32.4%［3］。當前針對NAFLD的治療策略有效性不佳，深入研究發病機制具有重大意義。目前廣為認可的發病機制是“多重打擊”學說，即胰島素抵抗、線粒體功能障礙、炎癥激活、飲食因素和遺傳因素等均參與NAFLD 的疾病進展［4］。其中肝線粒體功能障礙發揮重要作用，包括線粒體形態學改變、線粒體DNA損傷、脂肪酸代謝紊亂和能量代謝異常、氧化應激、脂質過氧化和線粒體自噬異常等［5］。因此，針對肝線粒體的研究已經成為NAFLD防治一個新的、重要的突破口。

1 肝線粒體的生理功能

1.1 肝線粒體參與能量代謝

線粒體最重要的作用是通過氧化磷酸化產生ATP向細胞提供能量，細胞生命活動95%的能量來自線粒體。三大能源物質糖、脂肪和氨基酸在線粒體氧化釋放能量，其共同途徑是三羧酸循環（TCA）和呼吸鏈的氧化磷酸化（OXPHOS）［6］。

1.1.1 脂肪酸的氧化 線粒體中，長鏈脂肪酸通過脂酰CoA 合成酶催化為脂酰CoA，在肉堿酯酰轉移酶-1 和肉堿-脂酰肉堿轉位酶的作用下進入線粒體基質，脂酰CoA經β-氧化生成乙酰CoA，再經過TCA被徹底氧化［7］。

1.1.2 TCA 乙酰CoA 和草酰乙酸合成檸檬酸，經一系列反應和多次氧化脫羧，最終降解成草酰乙酸。此過程伴隨著CO2的生成，并釋放大量的能量。

1.1.3 OXPHOS TCA 中產生的H+與遞H 體結合，形成還原型輔酶Ⅰ和還原型黃素二核苷酸，電子在電子傳遞鏈（electron transfer chain，ETC）最終傳給基質中的O2，生成H2O。線粒體基質泵出H+，產生跨膜電化學勢能，這種勢能又驅使H+通過ATP合酶重新回到線粒體基質，伴隨ETC的氧化同時合成ATP。

1.2 肝線粒體調節細胞程序性死亡 線粒體在調節細胞程序性死亡中扮演著重要作用，參與細胞凋亡、細胞焦亡、細胞自噬、壞死性凋亡、鐵死亡和銅死亡等［8］。

1.3 肝線粒體的可塑性/適應性

線粒體是高度動態化的細胞器，細胞能量需求增加時，其結構和功能都會產生適應性的變化以滿足細胞的能量需求。

1.3.1 線粒體分裂/融合的動態平衡 線粒體通過分裂、融合的動態平衡控制自身的形態，形成獨特的網狀結構來維持細胞正常生理功能和調控能量代謝［9］。線粒體的融合過程主要由動力蛋白超家族介導；分裂由動力相關蛋白介導［10］。

1.3.2 線粒體的生物合成 線粒體的生物合成包括增殖和分化。增殖引起數量改變，分化引起功能性與結構性的改變［11］。

1.3.3 線粒體自噬 線粒體自噬是指自噬小體包裹線粒體并融合溶酶體，降解清除老化、損傷的線粒體，以維持細胞平衡和抑制活性氧（ROS）的產生［12-13］。線粒體質量受線粒體生物合成與自噬共同調節控制。

2 肝線粒體功能障礙與代謝相關肝臟疾病

2.1 單純性肥胖中肝線粒體的改變 研究［14］表明，單純性肥胖者和健康者肝線粒體含量相似，但肥胖者肝線粒體最大呼吸速率比健康者高4～5倍，提示肥胖者線粒體ETC 復合物的活性更高、呼吸能力更強。另一項研究［15］分別對肥胖有抗性的A/J 小鼠和敏感性的C57BL/6小鼠進行基因富集分析發現，相比C57BL/6 小鼠，A/J 小鼠肝線粒體ETC 復合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ的13 個OXPHOS基因顯著增加。高脂飲食喂養后，兩類小鼠肝線粒體產生同樣的ATP，但A/J 小鼠線粒體的最大呼吸速率更高，表明A/J 小鼠肝線粒體解偶聯呼吸增加。研究［12］證明當肝脂肪超載和能量需求增加時，肝線粒體能夠調節自身來適應能量改變，阻止肥胖向NAFLD的進展。

2.2 NAFL 中肝線粒體的改變 Petersen 等［16］研究表明，NAFL 患者和健康者的肝線粒體脂肪酸氧化速率沒有差異。但也有研究［17］發現，NAFL 患者比健康者肝線粒體TCA 速率更高，且增加的倍數與肝內甘油三酯含量呈正相關，表明伴隨肝脂質堆積，線粒體氧化活性增強。Pedersen 等［18］發現，NAFL 患者比健康者肝線粒體的最大呼吸速率增加。總之，NAFL 患者肝臟慢性脂質過載進一步增強了肝線粒體的氧化代謝，導致氧化應激，損害線粒體，并從良性脂肪變性進展為NASH［19］。

2.3 NASH中肝線粒體的改變

NAFL 進展為NASH 時，肝線粒體進一步受損，包括肝線粒體結構改變、mtDNA 損傷、呼吸代謝下降和解偶聯呼吸增強、脂肪酸氧化異常、ROS 過度生成、肝線粒體適應性下降和磷脂成分改變等。這些病理變化互相影響，加重肝脂肪變性，引發炎癥及肝細胞死亡，促進NASH發展。

2.3.1 肝線粒體結構的改變 研究［20］發現，NASH 患者肝線粒體形態高度異常，包括肝線粒體腫脹變圓、多層、嵴斷裂消失、含有堆疊的晶狀包涵體以及巨線粒體等。

2.3.2 mtDNA 損傷和復制受抑 NASH 患者mtDNA 出現損傷，損傷的mtDNA 激活TNFα 上游的Toll 樣受體9引發炎癥，加重NASH［21］。研究［22］發現，NASH 患者的死亡相關凋亡誘導蛋白激酶2-絲氨酸/精氨酸富集剪接因子6 信號通路被抑制，引起編碼mtDNA 復制機制酶的DNA 聚合酶γ2基因病理性剪接，抑制mtDNA 復制，導致肝線粒體數量減少和ETC 蛋白缺失，破壞線粒體介導的呼吸作用。

2.3.3 肝線粒體呼吸代謝下降和解偶聯呼吸增加 研究［14］發現，NASH 患者肝線粒體的最大呼吸速率低于健康者，ETC復合物Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ表達降低，導致ETC活性下降。解偶聯蛋白-2（uncoupling protein-2，UCP-2）是線粒體UCP家族成員，UCP介導H+不通過ATP合酶從線粒體內膜滲漏到線粒體基質（質子滲漏），降低內外膜的勢能差但不產生ATP，直接將勢能轉化為熱能釋放。生理狀態，肝細胞不表達UCP-2，但NASH患者過表達UCP-2，線粒體質子泄漏率增加，減輕氧化還原壓力，但能量合成效率也降低，使肝細胞合成的ATP 不滿足細胞活動所需［23］。ATP耗竭實驗［24］表明，NASH 患者肝臟ATP耗竭后的恢復效率顯著降低，線粒體無法為細胞活動提供足夠的能量，加劇NASH。

2.3.4 肝線粒體氧化損傷和產生大量ROS NASH 患者肝線粒體中，參與抗氧化防御的H2O2酶活性下降，而DNA 氧化損傷的標志物8-羥基-脫氧鳥苷表達增加。動物研究［14］發現，NASH 小鼠肝線粒體氧化應激和炎性途徑如c-Jun氨基端蛋白激酶/核因子κB 信號通路被激活，也提示NASH 肝臟存在氧化損傷。同時，線粒體抗氧化能力的下降又使線粒體更容易氧化損傷，導致線粒體功能障礙并生成大量ROS［25］。生理狀態下，肝線粒體ETC產生的少量ROS 可被抗氧化防御系統解毒，但NASH 患者肝線粒體脂肪酸氧化增加（還原型輔酶Ⅰ生成增加）和ETC 損傷（ETC 內的電子流部分被阻斷），產生過量ROS 損害OXPHOS 蛋白和mtDNA，這種氧化損傷加重了線粒體功能障礙，進一步增加電子泄漏和ROS 形成，導致惡性循環［26］。

2.3.5 肝線粒體分裂/融合的動態平衡失調 與健康小鼠相比，NASH小鼠調控肝線粒體融合的線粒體融合蛋白1/2和視神經萎縮蛋白1水平顯著降低，提示NASH 小鼠肝線粒體融合缺陷［27］。而肝線粒體過度分裂，加劇NASH的肝臟炎癥和纖維化［28］。

2.3.6 肝線粒體自噬受抑 NASH 患者肝線粒體自噬調節基因缺失，線粒體自噬受抑制，且抑制的程度與NASH 嚴重程度呈正相關，導致受損線粒體蓄積、細胞壞死和釋放線粒體中的細菌殘余（低甲基化的CpG 基序和甲酰肽），進一步促進肝臟炎癥和NASH［5］。

2.3.7 肝線粒體生物合成下降 NASH患者調節肝線粒體生物合成的轉錄因子AMP活化蛋白激酶、過氧化物酶體增生物激活受體γ 共激活因子-1α、線粒體轉錄因子A和核呼吸因子1/2表達下降，線粒體生物合成下降，肝線粒體氧化能力受損，加重肝脂肪變性［14］。

2.3.8 肝線粒體膜磷脂成分的改變 研究［29］表明，NASH

患者肝線粒體膜磷脂成分改變，影響肝線粒體功能，包括線粒體動力學、ETC 活性和線粒體自噬等。已有研究［27］發現，NASH患者肝細胞磷脂合成有關的酶CDP-二酰基甘油合酶2缺乏，肝細胞磷脂合成減少，損害肝線粒體的形態和功能，同時加重肝脂肪變性和纖維化。

2.3.9 NASH 患者血漿脂質的改變 NASH 患者的嚴重程度與一些血漿脂質含量改變有關。肝內甘油二酯和神經鞘脂類物質在NASH 中增加，且與肝臟氧化應激和炎癥反應呈正相關［30-31］。有研究［32］發現將血脂變量三酰甘油、二酰甘油和鞘脂等添加到常規標志物中，顯著提高了NASH 的診斷準確性。雖然沒有達到指導臨床診斷的區分水平，但這些結果顯示了脂質組學作為NAFLD特別是NASH的非侵入性生物標志物的潛力。

另外，最新研究［33］證實，線粒體丙酮酸載體蛋白1的表達與NAFLD 肝脂質沉積呈正相關，其在小鼠肝細胞中的表達被敲減后可以改善肝細胞脂肪變性。存在于線粒體和細胞核中的雙細胞器蛋白，可以通過激活Notch 通路和增強骨橋蛋白的產生促進NASH 肝纖維化［34］。

3 小結與展望

NAFLD的發生發展與肝線粒體功能障礙密不可分［35］。早期評估線粒體功能障礙對NAFLD 的診斷并控制其進展具有重要意義，但評估肝線粒體形態、數量和質量仍具有挑戰性［36］。目前，評價線粒體含量的金標準是透射電鏡，但成本高、耗時長的缺點限制了其應用［37］。因此，研發更易檢測、準確性高的無創診斷生物標志物極為重要。最近，肝線粒體無創性生物標志物如細胞外囊泡［38］和循環無細胞線粒體［39］的研究取得了新進展，這些標志物持續反映肝臟的變化和肝細胞的損傷，具有廣闊的應用前景。

NAFLD發病機制復雜，許多新藥還處于臨床研究階段，安全性和有效性還需進一步驗證。已有大量研究從線粒體動力學、mtDNA、線粒體ROS 的產生及其抗氧化防御機制角度，闡述線粒體與NAFLD 的密切關系，提示線粒體靶向治療是一個有前景的治療領域，希望未來通過深入、系統的研究為NAFLD 的預防和治療開辟新途徑。

利益沖突聲明：本文不存在任何利益沖突。

作者貢獻聲明：楊冰清負責參考文獻查閱及撰寫論文；尹靜亞參與論文修改；王琦負責綜述構架制訂，論文審校及最后定稿。