肝脏不仅是脂肪酸代谢的重要场所,而且也是调节体内整个脂肪酸供应的中心,任何影响肝细胞代谢的因素均可影响这一调节,导致脂肪酸代谢紊乱,继而发生
脂肪肝、肝纤维化、甚至发生
肝硬化。影响肝脏对脂肪酸代谢的因素有很多,其机制也非常复杂,但氧应激和脂质过氧化损伤似乎占据着非常重要的地位。
一、氧应激与脂质过氧化
氧是维持生物机体活性的一种必需元素,但是分子氧在氧化代谢过程中形成的中间产物--活性氧,如:超氧阴离子自由基(O
2-)、羟基自由基(·OH)、过氧化氢(H
2O
2)、单线态氧(
1O2)等,以及在体内参与各种自由基形成过程的一些非自由基组分,如HOCl、LOOH等。
机体在生理状态下,具有完善的抗氧化机制,包括超氧化物歧化酶(SOD)等酶类和谷胱甘肽等非酶类活性氧清除剂。但是活性氧与生物膜的磷脂、酶和膜受体相关的多价不饱和脂肪酸及核酸等大分子物质起脂质过氧化反应,生成过氧化自由基及丙二醛(MDA)和4-hydroxynonenal等过氧化脂质(LPO)。结果使细胞膜的流动性和通透性发生障碍,引起细胞功能失调,甚至破裂、死亡。
大多数生物有机分子都是以单线态形式存在,氧分子以三线态形式存在,它们之间一般不发生反应,这一点成为生物体在自然界中得以动力学稳定存在的重要原因。金属离子(尤其是铁离子)能够克服自旋能垒,为氧化反应的发生提供低能量路径,成为氧分子与生物分子之间反应的桥梁。
由于铁在大多数生物体内的含量比其它微量元素的总和还多,所以被认为是生物体内非正常氧自由基产生的主要参与者。机体内铁储存过多,无疑更增加了这种可能性。许多研究资料显示,体内铁的营养和代谢状况不但与许多疾病的发生、发展关系密切,而且与许多外来化合物的生物毒性有关。
二、肝细胞对铁的代谢
体内铁的吸收和排泄保持着动态平衡。转铁蛋白(Tf)、转铁蛋白受体(TfR)、铁蛋白等是参与铁代谢的主要蛋白;肝脏是体内铁代谢的重要器官,也是体内最大的贮铁器官,肝细胞是循环Tf的主要来源,肝脏通过对Tf及TfR的调节,保持铁代谢的平衡。
TfR通过与Tf特异性结合介导细胞对铁的摄取。细胞摄铁的一般机制是受体介导的内吞模式(Receptor mediate endocytosis, RME)。即血浆中结合有铁的Tf与细胞表面的TfR结合形成复合体,该部位的细胞膜内陷,将复合体包裹呈内吞小泡,即胞内体(endosome),经ATP供能使胞内体腔内pH迅速酸化到5-5.5,这时Tf携带的铁移至胞内体外,脱铁的Tf与TfR的紧密结合,该复合体以一种尚未知晓的方式经胞吐作用返回细胞膜表面,此时胞外的pH为中性,Tf与TfR的结合力下降,前者进入胞浆进行新一轮与铁及TfR结合的转运循环。
肝细胞从Tf摄取铁多以氧化还原模型来解释:Tf与TfR结合仍同于RME,此后便不相同。Tf-TfR复合体成为内吞小泡进入细胞以前,还原系统NADH提供质子与还原当量,铁氰氧化还原酶在TfR邻近引起Tf与铁结合的解离。3价铁还原为2价铁,与细胞膜表面特异性载体结合转移至胞浆内,被该处的铁受体(cytosoliciron acceptor)摄取。
在静止的肝细胞中约有80%的TfR分布在细胞内,其中绝大多数贮存在胞内体,形成内源性受体池,仅20%存在于细胞膜表面,这些TfR与内源性受体池内的TfR不断地相互交换,处于动态平衡之中。无论内源性或外源性的铁增加,均可在肝脏沉着。
三、肝脏铁超负荷的分类和组织学特征
从病因上肝脏铁过度沉着可分为两类:一类为肝细胞内沉着,其主要疾病为原发性血色素沉着症(primary hemochromatosis),系常染色体隐性遗传性疾患。该病因肠道铁吸收过多,导致肝、胰腺和心脏等细胞内铁过度沉着,引起肝细胞受损、肝功能异常、肝硬化乃至
肝癌、
糖尿病或心肌受损,若治疗不当则预后较差;其它原发性病变如病毒性肝硬化、酒精性肝硬化、血管内溶血等病变,虽然也能造成肝细胞内铁含量增加,但程度较轻。另一类为网状内皮细胞内铁沉着增多,其主要原因为在血液病、肾功能衰竭等治疗过程中反复大量输血,导致铁在肝、脾及骨髓的网状内皮细胞内过度沉着(在肝脏沉着于Kupffer细胞内),也称继发性铁过度沉着,此类铁沉着一般不会造成器官功能损害,故临床意义不大。
Turlin B等在最近的研究中描述了胰岛素抵抗相关的肝脏铁超负荷(IR-HIO)的组织学特征,发现139例病人中有59.7%呈现脂肪变性,32.4%有炎性细胞浸润,67.4%有门脉周围的纤维化,这部分病人年龄较大、窦状隙有大量的铁沉着,脂肪变性和炎性浸润更严重。说明IR-HIO和遗传性血色病患者铁超负荷在组织学上有明显的不同。
MacDonald GA等对39例非酒精性
脂肪肝患者肝活检标本进行研究,测定丙二醛加合物(证明脂质过氧化)、肝脏的铁、炎症、纤维化、肝储脂细胞的活化(α-平滑肌的活性和TGF-beta的表达)和I型胶原的合成等(前胶原α1(I)RNA)。结果可见,脂质过氧化主要发生在肝小叶的zone 3、负载有脂肪的肝细胞中最明显,纤维化与脂肪变性 (
P<0.04)、脂质过氧化(
P<0.05)和肝脏铁沉着(
P<0.02)等均有关。
实验证明,长期饮食性铁超负荷或注射性铁超负荷,均可引起肝组织胶原基因表达增强;铁剂能明显促进肝汇管区结缔组织增生,汇管区范围扩大,胶原形成增多和小叶间静脉高度扩张。丙二醛(MDA)是氧自由基的代谢产物,羟脯氨酸(Hyp)含量的变化代表组织内胶原的消长情况。超剂量铁剂喂养的大鼠,一个月后不仅血清铁离子浓度升高(提示肝细胞内自由基产生增加),而且MDA和Hyp的含量也明显增加。说明铁超负荷引起的脂质过氧化与肝纤维化之间存在相互联系,最终的结局是发展为纤维化或肝硬化。
四、铁离子损伤肝细胞的机理
铁离子作为一种催化剂与肝细胞中的有机化合物结合,产生有高度反应性的羟基,或者和氧结合产生有高度反应作用的超铁或高铁粒子,致溶酶体膜和线粒体膜损伤。Sharma等以过量的铁饲料喂养的动物模型中发现,肝内铁含量达2000~4000μg/g时,可使线粒体电子传递失调,微粒体细胞色素P450、b5选择性减少、氨基吡啉脱甲级酶活性降低,肝细胞不规则坏死。当肝内铁含量进一步增加(>8000μg/g)则出现肝纤维超微结构的改变。实验中还发现在细胞生存力下降之前,LPO迅速增加。铁对肝细胞膜脂质引发的过氧化损害可使磷脂酶A2活性增强,而溶血磷脂的增加可能在细胞生存力下降中起重要作用。
肝脏是人体代谢的枢纽,在物质代谢及其它生理活动中可产生少量自由基。由于机体健全的抗氧化系统的存在,一般不会造成肝细胞的损伤。但在某些病理状态下,肝组织因缺血、缺氧及乙醇和某些肝毒物质,可致自由基产生增加,缺乏某些微量元素(如硒和锌等),或铜、铁的异常沉积等均可导致肝脏抗氧化系统受抑制和(或)慢性消耗,从而造成氧应激、脂质过氧化损伤。
非酒精性
脂肪肝或脂肪性
肝炎(NASH)患者,常有血清铁水平的增加和肝脏铁染色的阳性。Loguercio C等研究了意大利南部地区84例经临床和活检证实的非酒精性
脂肪肝患者,发现氧应激参数(malonyldialdehyde, 4-hydroxynonenal和总血浆抗氧化剂水平)均增高,90%以上有脂质过氧化水平增高。
铁离子诱发的氧应激、脂质过氧化损伤等可导致肝小叶内炎症细胞浸润及纤维化:MDA可使包括细胞骨架蛋白在内的蛋白质发生交联,形成Mallory小体,后者可诱发自身免疫反应;4-hydroxynonenal可直接趋化中性粒细胞,导致炎性细胞浸润;脂质过氧化产物本身可激活肝巨噬细胞和肝星状细胞,诱发肝纤维化;活性氧可刺激花生四烯酸代谢,产生白三烯等类脂质以趋化中性粒细胞;活性氧通过激活转录因子KB(NF-KB)调节参与炎症应答的一些细胞因子和黏附分子的基因表达,从而启动和扩大炎症反应。
五、铁超负荷与基因多态性
最近的研究认为,肝脏内铁超负荷与基因遗传的多态性有关。Bonkovsky HL等提出肝脏内铁超负荷与遗传性血色病相关基因HFE的突变有关。在经临床实验室指标和组织学最后确认的36例NASH高加索人(23例男性)和348例正常高加索人的HFE基因突变对比研究中,有1例NASH患者有C282Y纯合子的突变(2.8%),6例为杂合子突变(16.7%),而对照组分别为0%和11.2%。H63D的纯合子和杂合子突变在NASH分别为2例(5.6%)和16例(44.4%),对照组分别为2.9% 和 26.4%。杂合状况比较高(61.1%)而且明显高于对照组(37.6%,
P=0.008)。NASH纯合子和杂合子的总突变率(68.5%)也明显高于对照组(40.5%,
P=0.001)。NASH患者年龄和性别在HFE基因突变上无差异,但有H63D的基因突变的男性比女性明显增高(15/23 vs 3/13,
P<0.05),而且有HFE突变的NASH的患者血清铁、转铁蛋白饱和度、肝组织铁染色等均较无突变者明显增高(
P<0.05)。
六、MR对铁超负荷沉积诊断的意义
铁并不直接产生MR低信号,但它的顺磁性作用能明显地缩短其周围氢质子的T2弛豫时间,从而产生T2WI低信号。无论原发或继发性肝脏铁过度沉着,在T2WI均表现为弥漫均匀的低信号。结合胰腺和脾脏的信号还可区别不同的疾病,当胰腺信号正常而肝、脾信号较低时,应考虑为血液系统疾病所致;肝脏低信号而胰腺、脾信号均正常时,多因尿毒症反复输血所致;肝、胰腺信号均低,脾脏信号正常时,多为
肝病,
脂肪肝、肝硬化或肝癌。应用肝脏/肌肉信号强度比、肝脏T2值等与血清铁或肝组织铁含量进行相关性研究表明,MR在定量方面有一定的意义。是目前较为理想的无创伤性检查方法,可用于追踪观察和评价预后。
Lwakatare F等使用超磁性氧化铁(SPIO)增强MRI检查,分析T2-加权快速低角度发射(FLASH)序列和T2-加权涡轮旋转回声序列(TSE),计算正常肝脏实质和损伤强度信号损失的百分比。结果所有
脂肪肝损害都展现不同程度的SPIO摄取,同时有T2-加权序列上信号强度的明显降低,SPIO增强后损伤处信号强度损失的百分比远高于正常肝实质细胞,提示局灶性
脂肪肝损害SPIO的高摄取超过正常的肝实质细胞。
七、目前清除氧自由基的方法
牛黄酸具有抗氧自由基、稳定生物膜系统和抗纤维化的作用;精氨酸可作为NO的供体,能增加细胞内NO的含量,拮抗某些生长因子的促细胞增生作用。实验表明,牛黄酸和精氨酸具有明显降低血清铁离子浓度的作用。提示这两种氨基酸能促进体内铁代谢和降低血清铁离子浓度,抑制Hyp增加的作用。
维生素E能抑制LP作用且能较好地维持铁负荷鼠肝细胞的生存力和超微结构。Omara的研究发现肝内铁贮积和肝重增加的同时,维生素E的贮存减少。若每周一次皮下注射(20mg/kg鼠),可阻止铁诱导的肝损害和ALT释放。维生素E的治疗并不影响铁贮存和肝重,其保护作用不是通过增加铁的排除,而是与它的抗氧化性能有关,并能抑制铁催化的脂肪酸的非酶性自动氧化。另一项研究表明,高铁喂养组肝脏非血红素铁含量明显升高,肝脏脂质过氧化水平明显高于对照组;同时喂养维生素E和β-胡萝卜素者,肝脏脂质过氧化水平明显低于对照组。说明维生素E和β-胡萝卜素均有调节脂质过氧化的作用,减轻体内氧化应急状态。
Brown发现NO具有抑制过氧化氢酶活性的作用,Schropoulous报道NO和O
2-的衍生物ONOO-可通过对超氧化物歧化酶(SOD)进行共价修饰而抑制其活性。外源性NO能够降低肝脏苯氨羟化酶(AH)的活性和细胞色素P450的含量。