细胞色素P450家族在肝脏代谢相关疾病中的作用

陈玮钰， 舒发明， 王 涵， 曹杨港， 胡 锦， 毛德文

1 广西中医药大学 研究生院， 南宁 530001； 2 广西中医药大学第一附属医院 肝病科， 南宁 530023

1962年，日本科学家Omura和Sato在大鼠肝微粒体中发现一种色素可还原一氧化碳并与之结合，该色素的最大吸收波长为450 nm，这是细胞色素P450(cytochrome P450, CYP)家族首次被报道[1]。CYP家族与临床药物之间相互作用，联系紧密。肝脏作为CYP家族表达的主要部位，是药物的主要代谢中心，也是药物不良反应尤其是肝毒性反应主要的靶器官。患者在药物治疗期间发生的副作用应首先考虑是由于药物-药物相互作用(drug-drug interaction，DDI)所导致，其中因CYP亚型抑制造成这一结果占40%～50%[2]。药物对肝脏造成的不良反应是新药临床前安全评估的重要观察指标，可作为提前终止研发和药物撤市的主要原因。例如，主要由肝脏代谢的药物非那西汀，是临床上疗效显著的合成解热镇痛药，但因其在高剂量时具有明显的肝毒性已被停止单独使用，严重限制了治疗用药的选择。本文综述了国内外学者对CYP家族在肝脏中分布差异和肝脏代谢相关疾病病理过程中表达变化的研究，重点关注由于诱导或抑制CYP家族而导致药物代谢作用对正常肝脏功能产生的影响，以期在今后的新药研发过程中能够降低研发成本和药物不良反应的发生率，增强临床用药的安全性。

1 CYP家族概述

CYP家族是一类含血红素的结构性酶，具有可诱导性，几乎存在于所有生命形式中，肝脏是其主要表达场所，用于内源性和外源性化合物的代谢[3-4]。CYP家族参与90%以上的酶反应，是最广为人知的药物代谢酶(drug-metabolizing, DME)，可将药物代谢为更易溶于水的形式[3,5]。在57种可能具有功能的人类CYP亚型中，CYP1、CYP2和CYP3的异构体主要负责约80%临床药物的氧化代谢[6]。由于药物分子对人体而言通常是外来物质，因此药物新陈代谢的主要目的是排异。然而，CYP家族介导的药物代谢不仅能将脂溶性化合物转化为亲水性产物以促进其消除，还能通过参与活性或非活性代谢物的产生而影响药物的生物利用度并导致耐药。

肝脏和肠道中的CYP亚型在被消除之前具有双重作用，一方面可以将部分亲脂类化学物质转化为非活性代谢物以便于清除；另一方面对于为优化吸收和利用而合成的药理非活性前体药物，则可以使其转化为激活形式以提高生物利用度[5]。CYP家族在不同代谢器官和局部作用部位的代谢能够影响药效、生物利用度、安全性和耐药性，从而在决定治疗结果方面发挥关键作用。作为生物化学中已知的、最多样化的催化剂，该基因家族是药物疗效个体间差异的主要原因，这其中既有遗传多态性的原因，也有其他生理、病理或环境因素的原因，如年龄、性别、疾病状态、吸烟和饮酒行为等[7]。已有研究[8]表明，CYP亚型的表达差异可能是临床药物相互作用的最常见原因，CYP可以伴随药物和循环代谢产物被抑制或诱导，从而导致介导的小分子药物清除作用和DDI存在差异。从本质上而言，无论酶是被某些药物诱导还是抑制，由相同亚型代谢的其他联合药物的药效都有可能因为代谢活性的变化而受到影响。因此，CYP家族是DME中最丰富、最重要且种类最多的家族，在临床药物代谢中起着决定性作用。

2 CYP家族在肝脏中的分布

2.1 CYP家族的解剖学分布 CYP家族器官分布的首次研究[6]强调了其在肝脏中存在较高的生物学活性。作为药物发挥Ⅰ期代谢作用中最重要的DME[9]，CYP亚型主要存在于肝脏和肠道，这两个部位对药物的整体代谢和消除贡献最大。虽然肾脏也是药物清除的重要器官，但与肝脏和肠道相比，CYP家族在肾脏中的表达水平和代谢活性均较低，相关研究[10]已证实人类肾脏中存在CYP2B6和CYP3A5的表达，而CYP1A1、CYP1A2、CYP2A6、CYP2D6和CYP2E1等亚型无相关数据。CYP家族在成人肝脏中亦分布不均，以肝腺泡为例，CYP1A1和CYP1A2在肝小静脉周围的肝细胞中表达水平最高[11]。免疫组化研究[12]也证实CYP1A1主要存在于肝细胞中，CYP1A2在人体肝脏中的蛋白表达水平是可变的，受CYP1A2 mRNA编码区序列变化的调控。

2.2 CYP家族的遗传学分布 遗传学在调控CYP家族的表达中也起着重要作用。肝脏中蛋白质含量、mRNA水平和蛋白活性之间的差异凸显出基因的多态性，同时，CYP家族的多等位基因在CYP2D6、CYP2C19、CYP2C9、CYP2B6、CYP3A5和CYP2A6的功能上也呈现多态性[13]。Marcos-Vadillo等[14]在临床病例随访中发现，CYP2D6基因缺陷型精神障碍患者出现药物不良反应事件与其药物遗传学特征、DDI关系密切，因此可通过测试CYP2D6的活性表达以预测患者的药物反应。同样地，CYP3A5-3和CYP2A6-9等位基因虽然在微粒体水平上活性降低，但在异构体水平上活性增加；然而对于CYP2C9-3而言，微粒体水平的改变对其异构体水平活性却无任何影响[15]。

2.3 CYP家族的基因组学分布 在肝脏中，CYP基因表达的分布具有不同的模式。在肝硬化中，CYP2A和CYP2B异构体主要定位在离纤维间隔较近的肝细胞中，而CYP3A异构体编码基因则主要在肝细胞的小叶中心区表达[16]。CYP1A1、CYP1A2、CYP3A4、CYP2D6和CYP2B6的mRNA表达与酶活性和特定底物浓度相关[17]，这表明以上CYP亚型在转录、翻译前进行调节，并与其mRNA的表达和活性激活之间存在相关性，其中肝组织中mRNA表达具有显著的个体间变异性和组织特异性。一项对466例人体肝脏CYP活性的系统遗传学和基因组学分析结果[18]表明，CYP活性具有复杂的调控机制，在大多数CYP家族中既展示了顺式调控，也展示了更复杂的反式调控，这一调控机制与许多底物代谢相关的调节因子和途径有关。

2.4 CYP家族的其他分布差异 CYP家族表达谱还具有明显的性别、年龄和人种差异。研究[19]发现，在性别方面，女性肝脏样本中表现出比男性更高的CYP3A4活性；在年龄方面，儿童相比成人CYP4A14活性更低，而老年人体内的酶活性均呈较低水平；在人种方面，与高加索人相比，西班牙人的CYP2C8活性更高，而非洲裔美国人中CYP2D6的表达水平更低。在人类发育过程中，肝脏编码的CYP亚型呈现出不同的表达模式，参与独特的调控途径。Fanni等[20]在人类肝脏中观察CYP3A4和CYP3A7的免疫组化表达结果显示，不同年龄的受试者中个体间药物代谢存在高度变异性。表观遗传机制与人类肝脏中CYP家族所表达的遗传易感性调节有关，表观遗传调节因子microRNA在干扰一系列CYP亚型的表达方面发挥了积极作用。Zhang等[21]研究发现不同年龄人群均表现出较明显的miR-148a、miR-27b和miR-34a个体间变异，其中miR-27b和miR-34a可能是CYP家族直接或间接调控个体间药物代谢的关键。

3 CYP家族在肝脏代谢相关疾病中的表达变化

在肝脏代谢相关疾病中，CYP家族对异源生物的转化过程与病情的严重程度有关，并且会受到炎症过程的影响[22]。酶活性的改变会影响治疗药物的代谢，尤其是在多疗法配合的方案中，CYP亚型的多态性或其过度活跃可能引发基因突变，导致治疗药物失效甚至推动疾病发展为癌症。因此，对于不同的肝脏疾病，治疗药物在生理药代动力学上的差异使临床医生制订治疗方案时需考虑到不同疾病条件下肝脏药物代谢的具体特征。

3.1 非酒精性脂肪性肝病(NAFLD) NAFLD是具有高发病率的慢性肝病之一，其临床病理特点是在没有明显酒精摄入的患者中存在超过5%的肝细胞内脂肪蓄积[23]。肝脏负责消除外源物质和内源性化合物的功能，主要通过DME控制全身药物代谢水平，并驱动体内的药物疗效或不良反应而实现。在NAFLD病理状态下，肝脏生理学和DME蛋白丰度发生改变，负责底物蛋白代谢和清除的CYP亚型减少，底物全身性暴露的增加导致生物氧化还原反应平衡失调，进而影响药物分子酶活性的分解代谢机制，造成肝脏新陈代谢紊乱[24]。

Stephenson等[25]通过对比蛋氨酸和胆碱缺乏(methionine and choline deficient, MCD)与高热量饲养的小鼠发现，MCD组小鼠表现出与人类疾病相似的病理改变，如更高的胰岛素敏感性、显著的体质量减轻以及低血糖，但在疾病的代谢表型上却差异显著，而高热量饲养组小鼠虽然也出现脂肪变性、炎症和纤维化，但需要相当长的时间才能诱发疾病。基于生理药代动力学模型研究[26]发现，NAFLD患者肝细胞中的脂肪积累与肝门静脉血流量减少有关，体循环障碍和细胞膜修饰作用也可能中断肝细胞的氧气供应进而导致缺氧并加速脂质滴形成。在人类肝脏中，CYP家族的表达随着氧浓度的增加而降低，并在肝门静脉区域的肝细胞中表现出优先诱导。有临床研究[27]报道肥胖患者的体质量指数与体内未结合CYP3A异构体的内在性清除率、肝脏的药物代谢能力呈负相关，但在进行全基因组学研究[28]时发现，脂肪变性的肝脏组织与正常组织之间的DME在mRNA表达水平上没有显著改变，这一差异可能与蛋白质表达或酶活性相关转录及翻译后的变化有关。虽然目前对NAFLD患者中CYP亚型变化的临床研究有限，但可以明确的是，充分了解DME表达谱的改变对疾病状态下的治疗效果具有至关重要的意义。

3.2 酒精性肝病(alcoholic liver disease, ALD) 据报道[29]，我国约有50%的中年肝病患者与长期过量饮酒有关，ALD作为慢性肝病死亡的主要原因之一，已成为影响我国公众健康的重要因素。CYP家族在混合功能氧化酶系统中充当末端氧化酶的作用，与肝脏中的酒精代谢密切相关。Hartmann等[30]在动物实验中发现酒精相关的宏基因组变化会导致胆汁酸改变，肠道微生物群的靶向干预能减少酒精对小鼠肝脏的损伤，其作用机制主要是通过提高肠道中法尼醇X受体活性以促进成纤维细胞生长因子15的分泌，增强肝细胞中CYP7A1的蛋白表达，增加循环胆汁酸水平，从而降低ALD的发生发展。

酒精的大部分毒性作用与其代谢相关，由消化道吸收的酒精主要在肝脏中被氧化，主要处理途径包括乙醇脱氢酶系统和微粒体乙醇氧化系统[31]。微粒体乙醇氧化系统通过内质网中的微粒体将酒精转化为乙醛，产生的乙醛随后进入线粒体被乙醛脱氢酶代谢为乙酸-乙酰辅酶A，用于线粒体中能量的产生。CYP家族主要位于平滑内质网中，是微粒体乙醇氧化系统的主要组成部分。长期饮酒会导致平滑内质网增殖，从而诱导CYP2E1、CYP1A2和CYP3A4的生成[32]。Lu等[33-34]在动物实验研究中发现，长期酒精喂养的实验组小鼠发生了明显的ALD，但在CYP2E1缺陷型小鼠中却未观察到，且后者体内的氧化应激显著低于实验组小鼠，过氧化物酶体增殖物激活受体α作为脂肪酸氧化调节剂在CYP2E1缺陷型小鼠中表达增加，其靶基因酰基辅酶A氧化酶在实验组小鼠中表达被抑制，可见CYP2E1在酒精性肝损伤中起着重要作用。抑制CYP2E1表达可减缓ALD的进展，减轻慢性乙醇诱导的肝损伤和氧化应激，改善肝脏的坏死性炎症。此外，CYP2A5能够对抗肝脏中脂肪堆积的补偿性反应，通过调控Nrf2信号通路将细胞内胆红素浓度控制在具有氧化性而非细胞毒性的水平，其诱导剂具有改善酒精性脂肪肝的潜力。在肝脏中酒精对CYP2A5的诱导需要CYP2E1参与，与CYP2E1的调节机制相比，CYP2A5能够减轻酒精诱导的氧化性肝损伤以防止ALD的发生[35]。因此，CYP家族在ALD的预防或治疗上，应在注重阻断CYP2E1活性的同时，诱导CYP2A5的分泌。

3.3 肝纤维化 肝纤维化是肝脏内纤维结蹄组织弥漫性增生，导致肝实质瘢痕沉积的病理过程，其主要发病机制包括肝炎病毒感染、肝脂代谢异常及能量代谢紊乱，若肝纤维化不能有效控制或逆转，将进一步发展为肝硬化，甚至肝癌。肝脏CYP2E1的分泌增加，一方面会提高氧化、硝化应激反应和细胞蛋白翻译后的修饰，从而导致内质网应激、线粒体功能障碍和肝细胞凋亡；另一方面可通过促进TJ蛋白和AJ蛋白的翻译后修饰及肠道细胞凋亡，间接引发肝脏炎症而导致肠道渗漏和内毒素血症的发生，两个方面均可激活肝星状细胞转变为肌成纤维样细胞，从而形成肝纤维化[36]。美国一项对肥胖患者的尸检研究[37]报告指出，与正常人相比，肥胖人群的肝脏组织呈现更明显纤维化特征，该人群体液中的脂多糖水平升高，以及肝细胞中的CYP2E1和硝化蛋白水平升高诱导了氮氧化应激反应，使得肠道中的TJ蛋白和AJ蛋白数量明显减少，肝细胞凋亡标志物增加。

Hong等[38]在200 mg/kg剂量硫代乙酰胺诱导的肝纤维化小鼠模型中发现，CYP2A5缺陷型小鼠血清中转氨酶显著升高，肝组织呈现出更明显的慢性肝损伤和病理性坏死，表明CYP2A5可防止肝纤维化发展，并由此对CYP家族亚型在肝纤维化中的表达提出了不同的观点，认为CYP2A5而不是CYP2E1对肝星状细胞具有抑制作用且能够促使其凋亡。CYP2E1与CYP2A5均能够在线粒体中被检测到[39]，CYP2E1可通过稳定蛋白质以对抗蛋白酶体介导的降解作用来延长所表达蛋白的半衰期，而CYP2A5则可能通过增加mRNA水平以保证表达的稳定性，但二者在肝纤维化中的作用关系仍需进一步探讨。

3.4 肝硬化 肝硬化是指由于各种慢性肝病导致肝脏炎症坏死，进而引发弥漫性肝纤维化和再生结节的形成。肝脏作为参与药物代谢的主要器官，肝硬化的发生可通过多种途径改变药物的代谢，包括正常肝细胞数量减少、存活肝细胞酶活性改变以及药物进入肝细胞受阻等[40]。肝硬化不仅降低了CYP家族酶活性对药物代谢的影响，还会改变药物的吸收速率和肾脏对药物的排泄，从而影响体内药物浓度。因此，肝硬化的发生发展与涉及的特定CYP亚型和潜在基础肝脏疾病的严重程度密切相关[41]。

动物实验研究[42]表明，硫代乙酰胺诱导的肝硬化大鼠肝细胞中CYP1A2、CYP2C6、CYP2E1和CYP3A2蛋白表达显著降低。同样，在人类研究中，肝硬化患者肝脏中CYP家族的活性水平显著降低，其蛋白表达含量下降是肝硬化患者体内氧化酶功能改变的主要原因[43]。由于肝硬化的病理学性质，肝细胞中影响CYP家族活性降低的机制可能主要与血红素加氧酶-1催化诱导的血红素分解代谢、mRNA转录和翻译前后的调控机制、炎症介质的积累、内源性物质的新陈代谢以及免疫介导等相关[40]。目前，CYP家族诱导的药物相互作用对肝硬化的影响尚未明确，相关研究将在治疗药物研发与临床实践中发挥重要作用。

3.5 肝细胞癌(HCC) HCC是全世界第六大常见恶性肿瘤及肿瘤相关死亡的第三大病因，患者的5年生存率仅为17%～20%[44]。随着临床研究、生物科学与精准医学的协同发展，对肿瘤的代谢变化也有了较为充分的认识，主要包括磷酸戊糖途径、脂代谢途径和谷氨酰胺分解途径等。近年来，脂肪、药物等一系列肝脏代谢紊乱与HCC之间的关系越来越受到关注。由于机体生物代谢是细胞乃至整个生物体水平维持内环境稳态的关键过程，对HCC进行合理的药物治疗时，必须深入了解DME在致癌过程中发生的复杂遗传改变以及可能对整个代谢系统产生的有害影响。

HCC患者晚期发生肝功能衰竭的重要原因之一是药物代谢严重紊乱，肝细胞的恶性转化导致其代谢功能发生显著改变，基因的蛋白表达出现整体失调。在一项对欧洲高加索地区HCC患者的队列研究[45]中发现，肝组织中整个CYP家族的基因表达显著下降，特别是CYP2C和CYP3A异构体，并且这些患者在临床上可能更容易受到药物毒性的影响，然而随着代谢药物速率减缓，对已激活的治疗药物也将更敏感。Jiang等[46]研究发现CYP2A6通过花生四烯酸代谢信号通路，促进20-羟基二十碳四烯酸(20-hydroxyeicosatetraenoic acid, 20-HETE)合成，并抑制环氧二十碳三烯酸(epoxyeicosatrienoic acid, EET)生成，破坏20-HETE和EET之间的平衡以诱导巨噬细胞极化，从而调节抗肿瘤免疫。CYP2A6在肝肿瘤组织中表达显著下调，与病理分期、组织学分级、血管转移和预后不良密切相关，是HCC的潜在生物标志物。目前，关于HCC患者DME的表达谱数据大多数来自于我国乙型肝炎或丙型肝炎高发地区，尽管对CYP家族的诱导机制已有广泛研究，但代谢酶失调对HCC患者的治疗效果和毒性作用的影响在很大程度上仍然未知。

综上所述，目前研究对CYP家族在肝脏代谢相关疾病中的利与弊均有报道。总体而言，病理状态下大部分CYP亚型的代谢表达呈现下调趋势，且不同类型的肝病对CYP亚型活性的影响具有特异性。然而，同一个CYP亚型在肝病进展过程中也可能发挥着截然不同的作用，如CYP2E1的低表达有利于ALD的预防和治疗，但当ALD进一步发展至肝硬化阶段时，其抑制状态却成为肝硬化加重的主要原因。因此，虽然CYP家族在不同肝病中的作用可能截然不同，但实则反映的是CYP亚型在不同疾病阶段的功能差异，未来研究需充分进行探索和论证。

4 问题与展望

自CYP家族被发现以来，对该基因家族在肝脏中的分布和表达差异，以及在肝脏代谢相关疾病中的相关研究已受到广泛的关注。但是，目前仍有众多问题值得进一步思考。为了深入探讨CYP家族介导的代谢和清除作用对肝脏相关疾病药物治疗效果的影响，未来研究应充分重视以下5个方面：(1)随着高通量测序技术和代谢组学研究的发展，CYP家族相关小分子标志物的研发和验证应如何在临床实践中更好地开展；(2)已有研究[47]发现生理条件下内源性化合物的代谢与lncRNA依赖性调节CYP家族的表达有关，但其中的发病机制尤其是致癌作用仍需探索；(3)在肝脏肿瘤的诊断和治疗方面，已有研究[48]发现冰片等中药对CYP家族的酶活性抑制可能产生协同作用，肝组织中一些低表达的CYP亚型代谢速率降低而易在体内形成较高的药物浓度，故筛选与鉴定中药对酶活性的影响将有助于抗癌药物的选择；(4)目前CYP家族作为肿瘤治疗研究的热门靶点，已经提出了多种DME抑制剂用于克服癌症治疗药物的耐药性问题，如CYP2E1是膀胱癌的潜在靶标[49]，在肝脏原发性肿瘤的治疗过程中是否也能利用该抑制剂充分进行药物设计；(5)在个体化诊疗基础上进一步研究不同CYP亚型在特定肝脏疾病中的基因表达情况，提高医生在临床研究中识别最有效、最安全的药物及其治疗剂量的能力。

利益冲突声明：所有作者均声明不存在利益冲突。

作者贡献声明：陈玮钰负责拟定写作思路并撰写文章；王涵参与相关文献的收集与整理；曹杨港、胡锦负责整理数据；毛德文、舒发明提供指导意见并修改论文。