【学术园地】肠源性高血氨在非酒精性脂肪性肝炎发病中的作用

2020
12/29

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上海交通大学医学院附属新华医院消化内科 潘 勤,

范建高非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)是与遗传易感和代谢功能障碍密切相关的脂肪性肝病,疾病谱包括单纯性脂肪肝(NAFL)、非酒精性脂肪性肝炎(NASH)及其相关肝纤维化和肝硬化[1]。随着全球肥胖和代谢综合征的流行,NAFLD已成为包括我国在内的全球第一大慢性肝病。与欧美人种不同,亚洲人在相同体质指数(BMI)的情况下,有更多的体内脂肪含量和相对较少的骨骼肌含量。即使采取种族特异性BMI标准诊断肥胖,非肥胖人群NAFLD患病率在亚洲可能仍高于欧美人群,而NAFLD相关肝纤维化发病率却无种族差异[1-3]。在肝活检证实的NAFLD患者中,非肥胖组NASH和肝纤维化检出率并不显著低于肥胖组[3]。近来研究发现,同样与老龄化和久坐少动密切相关的肌肉衰减综合征(肌少症)在NAFLD患者中并不少见,并可部分解释非肥胖患者胰岛素抵抗和NAFLD高发的原因。来自韩国的系列研究发现,肌少症独立于肥胖、胰岛素抵抗、代谢紊乱,与NASH和肝纤维化密切相关[4-8]。流行病学调查表明,肌少症与NAFLD拥有许多共同的危险因素,两者之间还可能互相影响并形成恶性循环。

NAFLD,特别是其严重类型NASH,不仅是肝硬化、肝细胞癌、肝功能衰竭的重要原因,还与2型糖尿病和心脑血管疾病的高发密切相关[6,7]。肝硬化患者肌少症非常常见,并存的肌少症是导致肝硬化和肝移植患者预后不良的重要因素[8]。然而,至今国内外尚无治疗NASH和肌少症的特效药物。基于减肥和应用抗炎保肝抗纤维化药物治疗NASH的效果并不理想,在随访过程中尽管部分患者体质量在下降,但其胰岛素抵抗、代谢紊乱和脂肪性肝炎等诸多指标并未改善,究其原因可能为肠道菌群紊乱和肌少症在加重有关,提示NASH及其相关的代谢或心血管并发症的有效防治必须兼顾防治肥胖和肌少症,加强肠道微生态平衡及其与肝脏、骨骼肌对话的研究,找出导致肌少症和NASH发病的共同机制,可望为合并肌少症的NASH肝纤维化患者的防治提供更为精准和有效的干预靶点。

近来有研究发现,以“肠道菌群-肝脏对话”为基础的“肠-肝轴”在肝脏尿素代谢和尿素的肝肠循环过程中发挥着关键性的调控作用。NAFLD患者“肠-肝轴”功能紊乱引起氨在肝脏积聚并加重肝脏损伤和纤维化,后者进一步导致肝细胞对氨的处理能力下降并诱发高氨血症。NAFLD患者肝脏释放的某些因子与高血氨通过肌细胞蛋白质稳态失衡诱发肌少症[9],肌少症又可通过加剧胰岛素抵抗和糖脂代谢紊乱,或肌肉与肝脏之间的丙氨酸-葡萄糖循环受损,导致氨的转运障碍,促进NASH进展并加剧高氨血症。由此可见,高血氨干扰“肠道-肝脏-骨骼肌”对话可能是肌少症和NASH共同的重要的病理生理学发生机制,而靶向肠道菌群及其代谢产物则可能兼顾防治NASH和肌少症。

1  NAFLD伴随的肠肝循环紊乱导致肠源性高血氨

肠道来源的氨是机体血氨的主要来源。在正常情况下,肝脏有强大的能力将氨通过鸟氨酸-三羧酸循环转变为尿素分泌入血,以维持血氨处于低浓度状态。15%以上血氨经肠粘膜分泌入肠腔,细菌的尿素酶将其分解为氨,重新吸收入血。在肠道菌群紊乱和短链脂肪酸生成减少(肠道内容物pH值增高)、肠粘膜通透性增加(“肠漏”)或食物腐败分解产氨增多时,大量的氨经门静脉进入肝脏重新合成尿素,从而导致尿素肠肝循环负担加重[10-12]。给实验动物长期高脂饮食会导致结肠粘膜通透性增加和肠道细菌总量增多或菌群结构改变[10,13-15],表现为变形杆菌、嗜热链球菌等尿素酶阳性菌占比升高,而丁酸梭菌等合成短链脂肪酸的益生菌比例下降[13,14],结果导致肠道氨的产生和吸收增多,从而诱发肠源性高氨血症。采用长/短/婴儿双歧杆菌、嗜酸/植物/干酪/保加利亚乳杆菌等益生菌干预,或给予混合菌群(ASF)移植,则能降低模型动物肠道菌群尿素酶的活性并减少肠道氨的形成[15]。近来研究发现,无论是NASH患者还是高脂饮食诱发的NASH大鼠,肝脏鸟氨酸转氨甲酰酶(OTC)和氨基甲酰磷酸合成酶(CPS)的表达都较对照组显著下降,可能的原因为肝细胞脂肪变和长链脂肪酸增多及其线粒体功能受损,导致OTC等基因启动子区甲基化修饰增强和mRNA转录受抑[16,17]。肥胖和NAFLD时结肠菌群紊乱和粘膜通透性增加导致肠源性氨产生增多,而NASH时肝细胞参与尿素循环的关键酶活性不足导致肠源性血氨清除率降低,结果引起肝脏和血液氨浓度显著增高[10,16-18]。上述研究结果表明,高脂饮食引起的NAFLD及其相关肠菌紊乱,一方面导致肠源性血氨产生增多,另一方面又影响肝脏尿素合成,从而导致尿素的肠肝循环受阻和肠源性高血氨。最近我们的预试验发现高氨血症有可能是NASH肝纤维化和肌少症的特征性病理生理表现,进一步阐明肠源性高氨血症的作用机制和干预方法具有重要的临床意义。

2  高血氨通过干扰肠道-肝脏-骨骼肌对话诱发肌少症

肌少症是指进行性和全身性骨骼肌质量减少和/或强度下降或生理功能减退。诸多研究证实,肠道菌群的代谢产物短链脂肪酸入血可以增强骨骼肌功能[19-22]。乙酸、丙酸促进骨骼肌细胞对葡萄糖的摄取利用,激活过氧化物酶增殖体活化受体δ,并增强线粒体的生物合成[19,20]。丙酸还能促进线粒体脂肪酸的β氧化[19,20],丁酸及其衍生物(β-羟基-β-甲基丁酸)则通过抑制骨骼肌细胞的组蛋白去乙酰化酶活性、提高胰岛素敏感性、减轻炎症反应等机制,改善老年小鼠骨骼肌的质量[21,22]。在肠道菌群紊乱和NAFLD时,一方面短链脂肪酸生成减少,另一方面肠源性血氨生成增多[10-12]。肠源性高血氨通过抑制α-酮戊二酸干扰三羧酸循环,引起骨骼肌细胞能量代谢障碍以及线粒体功能和蛋白质稳态受损,伴肌细胞肌抑素的表达和细胞自噬增强,从而诱发和加剧肌少症[23,24]。采用乳果糖、利福昔明、L-鸟氨酸L-天冬氨酸(LOLA)等药物降低血氨,则有助于逆转肠源性高血氨所致的骨骼肌质量减少[25.26]。体外试验研究发现,氨呈时间依赖性的抑制肌管细胞蛋白质的合成[23,24]。C2C12肌管细胞经历氨暴露3 h后,通过激活一般性调控阻遏蛋白激酶2(GCN2),上调其下游eIF2α磷酸化水平,降低胞内eIF2-GTP-Met-tRNAi三元复合物浓度,进而借助全局蛋白翻译速率的降低,减少肌细胞蛋白质的合成[23,24-27]。此时,对肌蛋白合成发挥正向调控作用的雷帕霉素靶蛋白C1(mTOR C1)及P70S6K和S6Ribo等下游激酶的磷酸化水平则显著降低,从而进一步加剧肌细胞的蛋白合成障碍[23,24,27,28]。这些研究的结果表明,肠道菌群紊乱时血液中肠菌代谢产物失调,例如短链脂肪酸减少和氨增多,通过影响肌细胞能量代谢和肌细胞蛋白质稳态以及肌细胞因子表达紊乱,从而在结构和功能两方面诱发或加剧肌少症。肌少症时骨骼肌与肝脏之间丙氨酸-葡萄糖循环受损影响氨的转运,从而导致高血氨与肌少症之间形成恶性循环。

3  高血氨通过肝脏-骨骼肌对话参与肌少症和NASH的发病

现已明确,骨骼肌是肝脏来源的胰岛素样生长因子-1(IGF-1)的靶器官。IGF-1通过激活骨骼肌的生长激素/IGF-1轴,促进肌球蛋白重链等蛋白合成,从而维持骨骼肌的质量和力量[29]。随着年龄的老化和体力活动的减少,肝细胞脂质从头合成能力逐渐增强,而肝细胞功能则缓慢下降,骨骼肌质量和肌力进行性减少,而肝细胞脂肪沉积增加,结果导致NAFLD和肌少症发病率增高 [4,5,30]。韩国成人健康营养调查显示,骨骼肌质量处于下四分位者NAFLD患病风险较上四分位者增高5.2倍。反映机体骨骼肌减少程度的骨骼肌质量指数(SMI)还与血清甘油三酯水平呈正相关,而与胰岛素抵抗指数呈负相关[4,5,31-33]。有为期7年的随访研究显示,1年内SMI增加0%~1%可使包括NAFLD在内的代谢综合征组分的发病风险降低13%,增加1%以上者发病风险降低33%[34],提示正常的肝细胞功能有助于延缓肌少症的发病,而维持骨骼肌的质量也有助于维持肝脏糖脂代谢稳态和防治NAFLD。

晚近研究发现,鸢尾素、白介素13(IL-13)、IL-15、脑源性神经营养因子(BDNF)等肌细胞因子(myokine)介导“骨骼肌-肝脏对话”,增强肌肉和肝脏的糖脂代谢,从而改善胰岛素抵抗和血脂紊乱,并可减轻肝脂肪变程度[35-40]。在肠源性高血氨诱发肌少症的状态下,骨骼肌中对肝脏糖脂代谢有保护作用的鸢尾素、IL-13、IL-15、BDNF表达显著降低,而有抑制作用的肌抑素水平则显著提高[42,43],结果导致肝脏胰岛素抵抗和脂肪性肝病[38-40]。通过LOLA等药物降低血氨则可使实验动物肌源性因子表达失调恢复正常,伴肝脂肪变程度减轻[39-41]。然而,氨对肝细胞脂肪变和炎症损伤的直接作用,以及肌少症与NAFLD患者肝脏炎症损伤和肝纤维化相互关联的机制至今仍鲜见有研究报道。

除“骨骼肌-肝脏对话”异常引起机体糖脂代谢紊乱和NAFLD以外,“肠道-肝脏-骨骼肌轴”功能紊乱所致的高血氨具有显著肝脏毒性和促肝纤维化作用[44,45]。体外试验显示,氨呈浓度依赖性诱导肝星状细胞(HSC)活化和增殖,从而诱发肝纤维化。高浓度氨还可引起HSC收缩导致门静脉高压和肝病进展加速,而通过苯乙酸鸟氨酸酯降低血氨则可减轻胆管结扎小鼠肝纤维化及门静脉高压的程度[44,45]。在高脂饮食饲养小鼠NAFLD发生发展过程中,体循环血氨水平随着肝脏尿素循环关键酶表达失活而逐渐增高,进而出现HSC活化和进行性肝纤维化。给予苯乙酸鸟氨酸酯干预则可以上调尿素循环关键酶的表达,减少肝组织氨的含量,伴肝脏炎症和纤维化程度减轻[45]。这些研究提示高血氨与肌少症相互作用共同参与肝脏代谢紊乱、炎症损伤和肝纤维化的发生及发展。

总之,既往NASH的研究主要聚焦遗传、表观遗传、生活方式、肠道微生态和肥胖等因素对肝脏的影响,鲜见从肠道-肝脏-骨骼肌三者之间内在联系和互相影响的角度探讨肌少症与NASH发生发展的共同机制及其防治对策。“肠道-肝脏-骨骼肌对话”对维持肝脏和骨骼肌的生理功能具有重要作用,“肠-肝轴”功能紊乱引起的高血氨破坏“肠道-肝脏-骨骼肌对话”,可能是糖脂代谢紊乱、肌少症及其相关NAFLD(目前更名为代谢相关脂肪性肝病[46])发生发展的共同病理生理机制,而靶向干预肠道菌群和血氨则可能兼顾防治肌少症和NASH肝纤维化。

原文及参考文献参见:潘勤,范建高.肠源性高血氨在非酒精性脂肪性肝炎发病中的作用. 实用肝脏病杂志, 2020;23(6):761-764.

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关键词:
肠源性高血氨,胰岛素抵抗,肝纤维化,骨骼肌,肌少症

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