引用本文
肖滢,吴治念,鲁洁,王亚东. 代谢重编程介导的肝星状细胞活化在肝纤维化发生机制中的作用[J].中华肝脏病杂志,2024,32(11)：1053-1056.DOI:10.3760/cma.j.cn501113-20240223-00088
通信作者：王亚东，河北医科大学第三医院感染科
正文
慢性肝病存在三大营养物质代谢紊乱，表现为脂肪氧化增加、碳水化合物氧化降低和蛋白质过度消耗，这种能量代谢改变导致营养不良发生，更是影响肝病患者预后的独立危险因素 ［ 1 ］ 。肝纤维化作为慢性肝炎向肝硬化进展的关键环节，以肌成纤维细胞（myofibroblast cells，MFB）形成及伴随的胶原和其他细胞外基质过度沉积、纤维形成和肝脏结构与功能改变为特点 ［ 2 ］ 。针对肝纤维化的早期识别和治疗是延缓肝病进展和改善不良结局的关键。肝星状细胞（hepatic stellate cells，HSCs）作为目前公认MFB的主要来源，终止HSCs活化或诱导MFB凋亡等方法可能成为抑制或逆转肝纤维化的重要策略。值得关注的是，HSCs活化及MFB增殖、迁移和致纤维化过程依赖糖酵解、谷氨酰胺分解、脂肪生成等途径供能，因此在HSCs活化过程中营养物质和能量代谢状态会发生显著改变，即HSCs为了应对各种刺激通过改变代谢机制以满足不同的能量需求，亦被称为能量代谢重编程，其涉及碳水化合物、脂肪和氨基酸代谢等，而有效控制代谢重编程紊乱也将为控制肝纤维化发生另辟蹊径。
近年来，代谢组学技术被逐渐证实可识别基因和蛋白质下游产物，后者作为生物标志物用于疾病发生预测、分子诊断及指导治疗。在肝纤维化形成过程中，同样发生着代谢重编程以及由此导致的能量代谢组学产物改变 ［ 3 ］ ，以满足HSCs活化与功能发挥所需的能量需求。现通过分析肝纤维化过程中代谢组学变化与能量代谢重编程特点，归纳总结能量代谢变化与其相关代谢物介导的HSCs活化在肝纤维化发生机制中的作用，以期为寻找肝纤维化防治靶位提供新的思路和策略。
1.碳水化合物代谢重编程：糖酵解是葡萄糖分解代谢所必须的共同阶段，HSCs活化过程存在碳水化合物代谢重编程。Xu等 ［ 4 ］ 应用超高效液相色谱-质谱法检测四氯化碳诱导肝纤维化小鼠肝组织和原代HSCs代谢变化，发现糖酵解代谢物1，6-二磷酸果糖浓度升高，而发挥抑制糖酵解作用的α-酮戊二酸（alpha-ketoglutarate，α-KG）和α-KG生成关键酶异柠檬酸脱氢酶1浓度显著降低。脑和肌肉芳香烃受体核转运样蛋白1通过靶向异柠檬酸脱氢酶1/α-KG抑制HSCs的糖酵解，减少HSCs活化及向纤维化表型转化，证实了脑和肌肉芳香烃受体核转运样蛋白1抗纤维化作用的可能机制。Mejias等 ［ 5 ］ 体外诱导小鼠原代HSCs和人LX2细胞向MFB转化，发现6-磷酸果糖-2-激酶/果糖-2，6-二磷酸酶3（glycolysis is 6-phosphofructo-2-kinase/fructose-2，6-bisphosphatase-3，PFKFB3）表达明显增多，通过分析PFKFB3和纤维化标志物α-平滑肌肌动蛋白（alpha smooth muscle actin，α-SMA）关系证实随α-SMA表达增加，PFKFB3蛋白持续上调，抑制PFKFB3酶活性导致果糖-2，6-二磷酸（糖酵解速率的替代标志物）降低51%，说明HSCs活化过程中存在PFKFB3调节的糖酵解重编程 ［ 5 , 6 ］ 。上述研究结果提示在肝纤维化形成过程中存在碳水化合物代谢重编程，靶向PFKFB3等代谢重编程产物有望成为抑制HSCs活化与纤维化形成的重要方式。转化生长因子-β（transforming growth factor β，TGF-β）1被证实可通过Smad途径诱导葡萄糖转运蛋白1表达和促进糖酵解刺激HSCs活化 ［ 7 ］ ，是代谢重编程的主要驱动因子之一。将TGF-β1诱导的LX2细胞暴露于含有糖酵解竞争性抑制剂2-脱氧-D-葡萄糖（2-deoxy-D-glucose，2-DG）的培养基上，2-DG下调活化LX2细胞中乳酸和糖酵解关键酶丙酮酸激酶、己糖激酶的水平，且将TGF-β1诱导的LX2细胞周期阻滞于G 0/G 1期；2-DG还通过降低α-SMA和I型胶原（collagen type 1 alpha1，COL1α1）表达减轻纤维化程度 ［ 4 ］ 。因此，干扰糖酵解有望成为阻止HSCs表型转化的重要方式。
三羧酸循环同样参与肝纤维化形成过程中的代谢重编程。Nguyen等 ［ 8 ］ 利用瞬时弹性成像和血清代谢组学技术检测从免疫耐受到免疫清除期慢性HBV感染者的独特代谢组学变化，证实柠檬酸、丙酮酸、琥珀酸以及包括多种氨基酸在内的10余种代谢物的差异表达有望成为纤维化程度判定的“指纹”，为代谢组学用于HBV感染者的精准诊断和治疗决策提供证据支持。Salgüero等 ［ 9 ］ 分析不同肝纤维化程度HCV感染患者血清代谢组学变化，发现晚期肝硬化患者琥珀酸水平随Child-Turcotte-Pugh（CTP）评分升高而不断降低，证实HCV感染患者也存在碳水化合物代谢重编程，且CTP评分越高葡萄糖代谢受损越严重。肝胰岛素抵抗（hepatic insulin resistance，HIR）是导致代谢相关脂肪性肝病（metabolic-associated fatty liver disease，MAFLD）高血糖和高胰岛素水平的关键机制，而高血糖状态可激活TGF-β信号传导，胰岛素和胰岛素样生长因子1则促进磷脂酰肌醇3-激酶和细胞外信号调节激酶信号，共同导致HSCs活化与纤维化发生 ［ 10 ］ 。综上所述，调控碳水化合物代谢重编程对于控制肝纤维化形成与发展具有重要价值。
2.脂质代谢重编程：脂肪酸β-氧化是脂肪酸氧化供能的最主要方式，也是HSCs活化的重要能量来源。在正常肝脏，静止型HSCs呈现脂肪细胞样特征，细胞质内富含甘油三酯脂滴。HSCs激活过程中甘油三酯代谢生成脂肪酸类物质，并被进一步氧化分解，为HSCs向肌纤维母细胞表型MFB转化供应能量，促纤维化形成 ［ 11 ］ 。在HSCs活化的早期阶段，棕榈酸、油酸和硬脂酸达到峰值浓度，后期游离脂肪酸总量下降，但花生四烯酸和二十二碳六烯酸相对富集。上述变化提示在HSCs活化过程中存在脂质代谢组学的改变，佐证了脂质能量代谢重编程介导的脂质代谢组学变化在肝纤维化发生和发展过程中具有重要意义 ［ 12 ］ 。以乙酸、丙酸和丁酸等为主要组成的短链脂肪酸通过促进胰岛β细胞增殖、肠道糖异生等方式逆转HIR ［ 13 ］ ，以及通过抑制炎症等机制阻止肝纤维化的发生和发展。针对肝硬化患者临床检测发现，血清丁酸水平与炎症标志物和血清内毒素水平呈负相关 ［ 14 ］ ，且在MAFLD小鼠模型，补充丁酸可显著抑制肝脏白细胞介素-1β、白细胞介素-6和单核细胞趋化蛋白-1表达，减轻肝脏和脂肪组织炎症反应，抑制库普弗细胞激活启动的促纤维化反应 ［ 15 ］ 。众所周知，肉碱可通过将长链脂肪酸转移至线粒体基质，继而激活脂肪酸β-氧化参与调节脂质代谢和能量产生。尽管有研究者发现，肝硬化患者由于骨骼肌质量和肝细胞损失导致细胞/组织内肉碱流出至血液致使血液肉碱水平升高 ［ 16 ］ ，但真正食量减少、生物合成障碍、伴有肌肉减少症的肝硬化患者更易出现肉碱缺乏，肉碱替代治疗可通过调控脂质代谢重编程，改善肝硬化患者的预后和生活质量 ［ 17 ］ 。
肝脏乙酰辅酶A羧化酶（acetyl-CoA carboxylase，ACC）、硬脂酰辅酶A去饱和酶1（stearoyl-CoA desaturase 1，SCD1）等脂肪酸合成关键酶参与调节肝组织能量代谢。持续激活ACC可导致肝脂肪生成和HIR增强，后者贯穿于单纯性脂肪肝向肝纤维化进展的全过程，而通过抑制ACC活性可逆转这一病理生理过程。Bates等 ［ 18 ］ 通过高脂饮食或二乙基亚硝胺诱导小鼠肝纤维化模型发现，选择性抑制ACC通过降低再生脂肪和促进脂肪酸氧化减少肝细胞内脂毒性物质，进而阻断TGF-β诱导的COL1α1和α-SMA表达，阻止肝纤维化进展。进一步通过TGF-β处理LX2细胞的体外研究证实，抑制ACC可完全阻断TGF-β诱导的糖酵解和氧化磷酸化增强，减少HSCs活化、抑制肝纤维化。Loomba等 ［ 19 ］ 应用ACC抑制剂GS-0976干预92例MAFLD患者，发现应用12周GS-0976的MAFLD患者较安慰剂对照组呈现更低水平的基质金属蛋白酶抑制剂1和增强型肝纤维化评分，机制研究证实GS-0976可通过改善线粒体脂肪酸β-氧化缓解肝纤维化程度。SCD1作为另一个关键的脂肪酸合成酶，在活化HSCs中过表达，破坏SCD1基因或应用SCD1抑制剂可显著抑制小鼠HSCs活化，下调COL1α1和α-SMA生成及释放，致使肝纤维化程度降低40%～50% ［ 20 ］ 。因此，靶向脂肪合成酶ACC、SCD1调控脂质能量代谢有望成为抑制肝纤维化发生的干预靶点。
3.蛋白质代谢重编程：蛋白质也为HSCs活化和细胞外基质沉积提供能量支持。一项比较原代小鼠活化和静息HSCs的基因组研究结果显示，大约38%的差异富集在蛋白质代谢调控基因上。肝脏通过表达氨基酸转运蛋白将门静脉系统来源的特定氨基酸转化为葡萄糖和脂肪酸等生成能量，调控氨基酸循环浓度，在氨基酸动态平衡中发挥至关重要的作用 ［ 21 ］ 。谷氨酰胺（glutamine，Gln）在限速酶谷氨酰胺酶作用下分解为谷氨酸，并代谢成α-KG为三羧酸循环提供能量，抑制Gln代谢可降低COL1α1表达，说明Gln分解代谢为HSCs活化提供重要能量支持 ［ 12 ， 22 ］ 。Hedgehog信号通路是肝脏修复过程中参与细胞增殖与分化的重要机制。Du等 ［ 23 ］ 通过条件性删除小鼠活化HSCs上Smo受体抑制Hedgehog信号通路活化，发现谷氨酰胺酶mRNA水平显著降低，并明显抑制HSCs向MFB表型转化和增殖、迁移，以及细胞内促细胞外基质形成基因Col1α1、基质金属蛋白酶抑制剂1的表达，抑制纤维化形成。因此，调控Gln分解代谢可能通过影响HSCs活化过程中的能量生成和调节MFB活性干扰肝纤维化形成。此外，Castro-Portuguez等 ［ 24 ］ 证实干预色氨酸代谢可通过调节参与线粒体能量生成和许多酶促氧化还原反应所需的关键辅因子-烟酰胺腺嘌呤二核苷酸/NADH与ADP/ATP的电子传递链过程干扰ATP生成，进而影响MAFLD纤维化过程中HSCs活化和MFB产生，但其机制尚有待进一步研究。
支链氨基酸（branched-chain amino acids，BCAAs）不仅通过一系列生物转化生成酰基-CoA衍生物进入三羧酸循环，还可通过上调葡萄糖转运蛋白和激活胰岛素分泌，或者激活哺乳动物雷帕霉素靶蛋白信号通路诱导HIR，参与维持机体能量稳态 ［ 25 ］ 。Khedr等 ［ 26 ］ 证实予以四氯化碳诱导肝纤维化大鼠模型补充BCAAs可显著降低肝组织中的纤维组织和HSCs数量，且伴随α-SMA蛋白表达受抑和肝纤维化敏感标志物羟脯氨酸、TGF-β1等降低，从组织病理和分子生物学层面证明BCAAs对肝纤维化的保护作用。为了确定不同BCAAs作用，Yu等 ［ 27 ］ 设计比较了在等热量、等脂肪水平状态下喂食低亮氨酸、低异亮氨酸或低缬氨酸饲料小鼠的代谢状况，发现与喂食正常氨基酸饲料的小鼠相比，喂食3周低异亮氨酸饲料的小鼠葡萄糖耐量、丙酮酸耐量显著改善，这与成纤维细胞生长因子21介导小鼠代谢重编程相关；相比之下，喂食低缬氨酸饲料的小鼠虽也表现出葡萄糖耐量改善的趋势，但食用低亮氨酸饮食对葡萄糖耐量没有影响。基于此，越来越多学者开始设计通过干预BCAAs代谢阻止肝纤维化的形成与发展。Daou等 ［ 28 ］ 开发了一种由亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、精氨酸、Gln和N-乙酰半胱氨酸组成的内源性代谢调节剂LIVRQNac，并证实LIVRQNac以剂量依赖方式有效抑制TGF-β驱动的原代人HSCs中α-SMA表达，降低COL1α1和COL1α3水平。证实靶向BCAAs和Gln在内的多种氨基酸组合可能通过限制HSCs活化，抑制肝纤维化发生和发展。
4.讨论与展望：肝脏作为机体碳水化合物、蛋白质和脂质合成、代谢、储存和再分配的主要场所，在维持能量代谢稳态过程中发挥重要作用，而三大营养物质代谢异常变化及其交互影响参与HSCs介导的肝纤维化发病机制。作为肝纤维化发生的核心机制，HSCs活化以及细胞外基质、蛋白酶和细胞因子的形成、排泌和转运均需要能量支持。因此，研究HSCs活化过程中碳水化合物、脂质、蛋白质代谢重编程导致的能量组学失衡对深入探索肝纤维化发生机制、寻找理想的干预靶点具有重要意义。不仅如此，通过代谢组学方法检测肝纤维化患者能量代谢产物也可能成为临床肝纤维化无创诊断策略的重要组成，而且通过调控营养代谢可能为临床肝纤维化防治提供一种新的策略。当然，目前HSCs活化相关能量代谢变化的具体调节机制及其对肝纤维化进程干扰效能等研究尚有待深入，而且正常细胞也依赖许多至关重要的代谢通路，导致调节代谢药物的治疗窗口较窄，限制其临床安全应用。此外，目前针对HSCs活化能量代谢的研究大多集中在体外细胞水平，未来仍需进一步在动物体内水平验证。随着整合多组学、空间代谢组学、单细胞和空间检测等先进技术在能量代谢领域应用的深入，未来有望成为肝纤维化分子诊断的重要组分，并通过调控能量代谢相关HSCs活化突破临床肝纤维化治疗的瓶颈。
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