果糖代谢与非酒精性脂肪性肝病的机制关系

王泳而 汪艳

近40年来，加工饮食中大量使用蔗糖和高果糖玉米糖浆。与此同时，肥胖和非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)在全球的发生率也逐年上升。多项临床研究显示，果糖而非葡萄糖可以显著促进肝脏的脂质原发合成(DNL)、发生胰岛素耐受，以及增加内脏脂肪含量[1-3]。在多种方式诱导的NAFLD动物模型中，高果糖高脂饮食模型有最接近人类NAFLD的病变特征。目前比较普遍的观点认为，果糖摄入过多与代谢综合征和NAFLD的发生之间存在着重要的相关性。

果糖在自然界中以果糖单糖或与葡萄糖结合的蔗糖双糖的形式存在。果糖还作为聚糖组分，存在于硫酸软骨素、角质素、硫酸皮肤素、透明质酸、硫酸乙酰肝素和肝素等人体组织的细胞外间质。人体摄入果糖的自然来源，一部分来自果蔬，更多则来自摄入淀粉的水解转化[4]。纯果糖单糖与纯葡萄糖相比被人体口服正常吸收的量相对有限。目前关于果糖代谢的基础研究数据多是基于对果糖单糖的实验性观察。果糖特异性的细胞膜转运蛋白 GLUT-5(SLC2A5)在十二指肠和小肠、肾脏组织存在高水平表达。骨髓、脑和肝脏组织也有GLUT-5表达但水平比较低。近期一项采用同位素示踪和代谢组学技术观察正常小鼠的研究发现，正常饮食中的低浓度水平的果糖大部分会先在小肠组织进行代谢，之后进入门静脉的是果糖经过代谢转化的多种衍生物和中间产物；一旦进食高浓度果糖(大于1 g/kg)超出小肠的代谢能力，未经代谢的果糖会直达肝脏和结肠微生物群[5]。

果糖代谢通路的重要限速酶果糖激酶C在肝脏高度表达。肝细胞摄入大量果糖可出现异常代谢反应。果糖与葡萄糖虽然有相同热量值，但果糖在肝细胞的代谢途径不同于葡萄糖，其最大特征是不受胰岛素调节影响，即为非胰岛素依赖性代谢，果糖摄入可迅速提高肝细胞DNL速度。事实上，果糖分解代谢过程的影响涉及到了代谢综合征相关的主要通路。果糖代谢可以诱发底物依赖性的三磷酸腺苷和磷酸盐损耗，使单磷酸腺苷生成增多，进而增加尿酸合成，尿酸水平增加又可以抑制内皮性一氧化氮合成酶，使得一氧化氮合成减少、促进血压升高；果糖代谢可以生成过多的柠檬酸盐，后者从线粒体转运到细胞质中，激活DNL；由此过度生成的丙二酸辅酶A还会抑制β-氧化反应，进一步增加肝细胞内的脂质蓄积。果糖代谢中间产物对于调控DNL的两条重要通路，ChREBP和SREBP-1c通路都有活化作用，可以加速提高肝细胞DNL。此外，果糖代谢中间产物本身可以激活肝细胞中的胰岛素耐受信号通路的关键激酶分子，与脂质合成中间产物(如甘油二酯)一起，引起肝脏出现胰岛素耐受。与此同时，果糖作为糖异生的前体分子，其水平升高可以诱导FOXO1转录因子的表达，进一步增加肝葡萄糖异生作用水平和葡萄糖输出，升高血糖水平。如同其他乙醛活性有机物(如乙醇)，果糖化学活性对处在过氧化敏感状态的肝细胞具有细胞毒性。总之，通过影响肝细胞中DNL和β-脂肪酸氧化反应等过程，果糖可对代谢综合征和NAFLD发生有一定促进作用[6-7]。

果糖可以与肠道及肠道微生物发生作用，这些作用可能也会促进NAFLD发生、发展。过量摄入果糖可引起肠道细菌过度生长，增加肠道通透性。肠道通透性增加与外周循环血中内毒素和炎性因子浓度升高有一定联系。从肠道管壁渗漏出的细菌内毒素可以经过门静脉系统到达肝脏，大量内毒素则可能引发肝脏炎症损伤。Bergheim等[8]发现，果糖喂养8周的小鼠会出现肝内脂肪显著聚积以及门静脉血内毒素水平显著增加；如果喂养果糖的同时给这些小鼠口服抗生素，则可以显著改善肝内脂肪聚积。Spruss等[9]同样喂食小鼠果糖8周，发现了类似的肝脏变化；但如同时口服二甲双胍则可以减轻这些异常；还发现果糖喂养小鼠的十二指肠样本中紧密连接蛋白occludin和ZO-1等表达降低，而二甲双胍同时喂养时，这些情况则不明显。一般认为二甲双胍的作用机制在于改善主要代谢器官组织的胰岛素耐受。服用果糖的同时使用二甲双胍如何能阻止与单用果糖相关的肠道通透性增加，其作用机制仍未知。一些研究认为，果糖介导肠道上皮细胞紧密连接蛋白表达降低导致肠道通透性增加，肠道通透性增加又导致内毒素进入门静脉系统，可能是NAFLD/NASH进展的一个触发因素[10-11]。然而，一项经典的单中心横断面观察性研究发现，较健康对照者，确有较多NAFLD患者存在肠道通透性增加和小肠细菌过度生长的现象；这两种表现都与肝脏脂肪变程度成正相关，但均与是否NASH(包括小叶间炎症、肝细胞气球样变、纤维化)无关；NAFLD患者中的小肠细菌过度生长又与肠道通透性增加以及存在代谢综合征呈显著正相关[12]。近期，一项采用随机对照双盲设计的II期临床试验(NCT02442687)观察到，使用TLR-4抑制剂对NASH并无改善作用。因此，除了增加肠道通透性这一作用途径，果糖本身对于肝组织炎症发生或许另有机制影响，而且肠道通透性增加、小肠细菌过度生长、肝脂肪变三者之间的机制关系目前也尚未探明。

至今比较明确的是，果糖大量摄入可以增加肠道通透性。一些研究认为其机制可能与肠上皮细胞中果糖激酶C的作用有关。果糖激酶C是果糖在细胞内代谢的主要限速酶，也是引起细胞内磷酸盐和ATP耗竭等系列反应的关键酶。果糖激酶C在肝细胞、肾上皮细胞、小肠上皮细胞都有表达，可以发生类似的细胞内反应，即磷酸盐和ATP耗竭。与野生型对照小鼠相比，果糖激酶C缺陷小鼠在经过果糖长期喂食后，小肠上皮组织中occludin和ZO-1基因表达水平没有显著减少[13]。另一些研究认为，果糖改变肠道通透性的机制还可能与肠上皮细胞中细胞色素P450酶2E1(CYP2E1)有关。Cho等[14]利用大、小鼠模型发现，饮用果糖会引起肠上皮细胞间紧密连接和粘附连接相关蛋白分子表达水平降低，并且这些蛋白的硝基化修饰程度升高；同时，作为硝基化反应的特征酶CYP2E1水平也升高；敲除CYP2E1后，这些不良变化的程度会减轻，肝脏损伤的表现也较轻。值得一提的是，这些研究中的关键分子敲除涉及了所有器官组织，因此其直接因果机制尚需进一步分析判断。

果糖还可以直接与肠道微生态发生相互作用。一方面，果糖可以改变结肠菌群谱和丰度。Volynets等通过观察喂食西方饮食与同时补充喂食果糖饮料12周的小鼠模型发现，仅联合喂食小鼠的肠道微生物谱发生了显著变化，同时肠道通透性指标发生了显著改变[15]。该研究组近期通过分析20名健康成人的粪便菌群发现，经大量果糖糖浆补充饮食(>100 g 果糖/d)1周后，人体肠道菌群中的厚壁菌门丰度显著减低，同时拟杆菌门丰度增高，后者变化程度又与血胆固醇和低密度脂蛋白水平成正相关[16]。以上前后研究中菌群变化的趋势基本一致。反过来，肠道微生物可以直接显著影响果糖代谢。服用抗生素可以减轻果糖饮食诱导的小鼠肝脏脂肪累积[8]。近期，Zhao等[17]使用同位素示踪技术在小鼠模型发现，肠道微生物可将果糖代谢为醋酸盐，醋酸盐通过门静脉到达肝脏，然后由酰基辅酶A合成酶短链家族成员2(ACSS2)将其合成乙酰辅酶A，为肝脏DNL提供合成原料；果糖摄入后，ACSS2的表达受到ChREBP和SREBP双方面调控通路的影响，这提示来自肠道的果糖分解物醋酸盐应是肝脏DNL的固有重要通路。与此同时，在肝脏仅敲除DNL通路的重要代谢酶，三磷酸腺苷-柠檬酸裂解酶，对果糖诱导的肝脏DNL水平则并无显著影响。这一发现为果糖诱导NAFLD形成的多通路机制补充了新内容。随着分析测试技术不断进步，如Han等[18]应用全新方法绘制肠道微生物代谢谱，可以在单一微生物水平对多种微生物代谢谱进行分析，更多的与NAFLD相关的肠道微生物代谢新线索将很快会出现。此外，肠道菌群可能还介导了果糖饮食相关的慢性肠道炎症[19]，由此肠道损伤又会对果糖相关NAFLD形成和进展产生影响[20]。

总之，果糖长期过量摄入以及其伴随的各种因素可能是造成NAFLD/NASH发病率不断上升的一个重要原因。肝肠之间的复杂作用通路及其成分是果糖参与NAFLD病生作用机制研究中的难点，也是新线索、新靶点不断涌现的热点。但目前，其中确切可控、有显著临床效果的诊疗靶点尚未出现，减少果糖以及总热量的摄入仍然是预防和控制NAFLD疾病进展的最重要手段。