线粒体与肝细胞损伤的关系

魏海梁， 司明明， 郭 辉， 李京涛， 李 倩， 闫曙光， 鞠 迪

1 陕西中医药大学附属医院 a.普外一科； b.肝病科， 陕西 咸阳 712000；2 陕西中医药大学基础医学院， 陕西 咸阳 712046

肝脏具有摄取、代谢、生物转化、贮存、合成和分泌等多种功能，是人体内体积最大、物质代谢最活跃的器官，参与了糖、脂肪、蛋白质、激素、维生素等的代谢，将多种营养物质输送到其他器官组织，是人体能量代谢的中心；同时肝脏又是人体免疫功能的“排头兵”，既负责清除外源性抗原、病原体，又要防止这些抗原诱发的免疫反应被扩大化，造成“自我损伤”。肝内细胞是肝脏发挥其生理功能的核心，主要由肝实质细胞(肝细胞)和非实质细胞(内皮细胞、星状细胞、巨噬细胞和淋巴细胞等)构成，其中肝实质细胞约构成肝内细胞总数的65%，占肝体积的80%，其数量和体积的绝对优势表明其既是肝脏发挥生理功能的主体又是肝脏受到“攻击”时受损的核心，各种有害因子和物质(病毒、药物、乙醇、缺氧、免疫等)导致线粒体功能障碍、ATP生成减少、能量代谢障碍，活性氧簇(reactive oxygen species，ROS)释放后诱发氧化应激反应和脂质过氧化反应,进而加重线粒体损伤，加剧肝细胞的氧化应激反应,导致肝细胞短暂或持续性损伤，甚至凋亡，引起炎症、纤维化等病理改变，是导致多种肝脏疾病发生发展的关键，因此，肝细胞线粒体的正常运转，对于维持肝细胞及肝脏生理功能具有举足轻重的意义。本文就肝细胞线粒体与肝细胞损伤间的关系进行综述。

1 线粒体膜通透性的改变在肝细胞损伤过程中发挥重要作用

正常肝细胞的细胞质中有1000～2000个线粒体，他们除了参与肝细胞的能量代谢外，还参与了脂肪酸的氧化、尿素合成和转氨基等作用。线粒体为肝细胞内极为敏感的细胞器，广泛的参与了肝细胞损伤的病理过程[1]。因此，正常的线粒体功能是肝细胞维持机体正常运转的关键。

线粒体膜通透性的改变在肝细胞凋亡或损伤中具有重要作用。线粒体膜通透性转换孔(mitochondrial permeability transition pore，PTP)是40多年前发现的一种生理现象，但至今仍未被完全了解。PTP是位于线粒体内外膜之间的非特异性高导电性通道，由多种蛋白相关联而形成(包括腺嘌呤核苷转运体、电压依赖性阴离子通道及转运蛋白等[2-3])，对环孢素A敏感，正常情况下，PTP只允许水及质量小于1500 Da的溶质通过。目有研究表明，PTP存在两种开放状态：一种是正常生理状态下的短暂开放，这种开放允许溶质(如Ca2+、自由基等)在线粒体基质与胞质之间快速交换，另一种是持久的开放，这种持久的开放状态导致线粒体去极化，ATP消耗过大，ROS释放，损害Ca2+的内外环境平衡稳态，导致线粒体肿胀，诱发预凋亡因子释放，导致细胞凋亡，因此，这种持续性开放状态被认为是有害的，也被学者认为是细胞损伤及不可逆性凋亡的关键点[4-6]。

PTP“不合时宜”的激活是人体多种疾病发生的关键环节[7]。作用于PTP的药物也越来越多地被研究，褪黑素可通过作用于肝细胞线粒体膜通透性，抑制肝细胞线粒体凋亡，改善脂质导致的肝细胞损伤[8]。在动物模型及临床治疗中，适当补充锌盐可以通过作用于PTP来改善手术后缺血/再灌注损伤导致的肝功能下降或肝功能异常[9-10]。比如，小剂量的免疫抑制剂环孢素A可发挥其特异性抑制PTP的开放、凋亡通路的激活及细胞色素C、凋亡诱导因子等的释放，从而抑制线粒体损伤、细胞凋亡[11]。在大鼠的缺血/再灌注损伤模型中，肽基脯氨酰异构酶F(recombinant peptidylprolyl isomerase F，PPIF)或小分子的亲环素D(Cyclophilin D)能够通过调节异常的PTP开放，减少钙离子诱导的肝细胞线粒体肿胀、凋亡，改善肝脏手术后肝细胞的缺血/再灌注损伤[12]。

在未来，线粒体膜通透性会成为肝脏疾病及药物作用靶点的研究热点之一，有望改变保肝药物药理作用途径较为单一的局面，而对于基础研究而言，线粒体膜通透性的改变也将成为预测细胞死亡最有价值的指标[13]。

2 ATP合成障碍及消耗加速肝细胞损伤

线粒体的主要功能是提供细胞内各种物质代谢所需要的能量，肝脏是人体内重要的代谢器官，对以物质代谢为主要功能的肝细胞来说线粒体的作用尤为重要[14]。

生理状态下，线粒体电子经呼吸链传递时，将质子由内膜基质侧转至内膜外，形成跨膜电位，作为能量储备供给ATP合成所需，同时线粒体通过氧化磷酸化和三羧酸循环生成大量的ATP，而线粒体膜电位和ATP在细胞凋亡的过程中发挥了重要的作用[15]。ATP是细胞维持正常功能的基本能量单位，只有将ATP控制在一定的水平上，细胞才能免除凋亡的命运，当ATP水平下降限定值以下，细胞凋亡就会发生，当细胞内ATP水平耗竭，细胞就不可避免的发生死亡。而抗氧化剂之所以能抑制细胞凋亡其主要机制就是能拮抗线粒体的极性化和ATP水平的下降[16]。选择性的充分给予线粒体外的ATP可以阻止细胞发生坏死，恢复细胞自主进行凋亡的能力。

而截至目前，多项研究[17-18]证实，手术、脂肪肝、病毒感染、酒精暴露、先天性疾病、药物毒性和代谢紊乱性疾病等因素，可减少肝细胞线粒体ATP合成，或增加ATP消耗，导致肝细胞损伤，例如，对于多数终末期肝病患者，手术治疗是较为行之有效的治疗方法，然而，手术造成的缺血/再灌注损伤在术中是不可避免的。肝切除过程中，肝动脉阻断常被用来减少术中失血，但当使用这项技术时，肝脏不可避免地处于缺血状态，导致供给肝的氧和营养物质减少，肝细胞线粒体ATP消耗，进而导致肝细胞损伤。通过激光共聚焦显微在稳定表达HBV X蛋白的HL-7702细胞中发现，HBx蛋白能够与环氧合酶-Ⅲ(cyclooxygenase-Ⅲ,COX-Ⅲ)共定位于线粒体，且HBx蛋白能够上调COX-Ⅲ的表达并增强COX活性，导致质子传递功能障碍，多余的质子及电子不断累积，进而减少了ATP的合成，最终造成线粒体跨膜电位改变，诱发线粒体功能障碍，内源性ROS水平升高，ATP合成障碍，导致肝细胞损伤[19]；酒精也可通过损伤甘油醛-3-磷酸及糖酵解途径，继发线粒体合成ATP障碍，损伤肝细胞[20]。因此，细胞内ATP水平又决定了其功能异常与否，也成为通过调节ATP来治疗疾病的有效途径之一。例如，在动物肝癌SMMC-7721、HepG-2移植瘤模型中，α-常春藤皂苷能够通过降低谷胱甘肽和ATP水平，诱导ROS释放，激活含半胱氨酸的天冬氨酸蛋白水解酶、凋亡诱导因子和细胞色素C蛋白诱导的细胞凋亡途径，导致肝癌细胞凋亡，或是治疗人类肝细胞癌的一种有效方法[21]。因此，可将改善多因素所致的肝细胞能量供应障碍和减少氧化应激，作为减轻或改善肝细胞损伤甚至是防治慢性肝脏疾病的研究热点。

3 肝细胞线粒体Ca2+稳态异常是肝细胞损伤的重要机制

目前已知，钙离子是肝细胞活动所需的重要二级信使，肝脏正常的代谢、合成、解毒功能有赖于钙信号通路的正常运转。

生理状态下，细胞内钙离子浓度低于细胞外钙离子浓度，巨大的浓度差造成钙离子不断流向细胞内，此时需要通过线粒体、内质网等将细胞内的钙离子不断排出，以保持钙离子在细胞内的内环境稳定，其中线粒体是稳定钙离子平衡的主要细胞器，一旦线粒体的排钙机制受损，钙离子在细胞内大量滞留，就会激活磷脂酶类、蛋白水解酶类、核酸内切酶类，破坏细胞质膜和细胞骨架，促使蛋白质和核酸裂解，最终导致细胞死亡[22-23]。因此，线粒体和细胞质钙信号被认为是肝细胞再生的调节因子。

线粒体钙摄入蛋白1(mitochondrial calcium uptake 1，MICU1)是目前已知的肝细胞损伤修复中的关键蛋白，在肝部分切除术小鼠模型中，MICU1可控制Ca2+从胞质转运到线粒体基质的转运速率，调节肝细胞线粒体Ca2+超载，帮助维持肝细胞线粒体Ca2+稳态，修复受损的肝细胞，促进肝细胞再生[24]。另一项研究[25]也证实，线粒体钙缓冲可促进肝脏再生，可能是通过抑制细胞凋亡来实现的。相反，MICU1的缺失，会导致生理应激条件下的线粒体钙超载，损伤细胞能量代谢及细胞功能，导致肝细胞损伤[26]。

因此，Ca2+在肝细胞信号转导、线粒体Ca2+稳态、线粒体能量代谢以及肝细胞凋亡方面的参与机制不容忽视。

4 讨论

现今，流行病学资料显示，由多因素引起肝细胞损伤导致的慢性肝脏疾病已成全球致死性病因之一[27]，我国是人口大国，慢性肝脏疾病发病率持续增长，加重了社会经济负担及医疗负担，严重影响患者的身心健康。

研究证实，线粒体功能障碍或损伤，继发机体内环境稳态改变，与人类多种肿瘤的发生发展关系密切[28]，包括肝癌[29]。同样，病毒、药物、酒精及脂肪浸润导致的肝细胞线粒体损伤、结构异常和功能障碍，是肝细胞死亡、病毒性肝炎、肝硬化及脂肪性肝炎等慢性肝脏疾病的始动因素[30]，而持续性肝细胞死亡又是导致慢性肝病恶性进展的主要原因，因此，在治疗慢性肝脏疾病的同时，针对肝细胞线粒体功能障碍，肝细胞损伤、坏死和凋亡加以早期有效干预，促进肝细胞及肝功能修复，延缓慢性肝脏疾病自然病程，是改善甚至是阻断慢性肝病恶性进展的重要方法与治疗关键，具有重要的科研价值和临床意义。