肝细胞线粒体与肝硬化

药罐

国外医学外科学分册2000年第27卷第1期



肝细胞线粒体与肝硬化



北京友谊医院普外科　周 迈（综述）　王 宇　薛建国（审校）



    提 要　线粒体素有“能量细胞器”之称，它的功能状态将对细胞产生巨大的影响。近来人们发现：肝细胞线粒体损伤与肝硬化存在着密切的联系。本文就这方面文献加以综述。



    关键词：线粒体　肝硬化　肝纤维化　超微结构　内毒素　钙　自由基　脂质过氧化



    肝硬化是一常见病，在其临床过程中常发生多种严重并发症。近年来，国内外学者纷纷采用先进手段从亚细胞和分子水平对肝硬化、肝纤维化进行深入的研究。许多人发现在肝硬化和其他多种肝脏病变时肝细胞线粒体从数量、形态和功能上均有不同程度的变化。线粒体是重要的细胞器，它的功能状态将对细胞产生巨大的影响。肝细胞线粒体损伤与肝硬化存在着密切的联系。



1.线粒体结构与功能



    肝细胞线粒体很多，遍布于胞质内。糖、蛋白、脂肪等各种物质在线粒体内氧化转换成ATP。正常情况下，线粒体电子传递链反应提供了所需能量的95%。肝细胞线粒体还具有其他重要功能，如参予尿素合成、参予氨基酸转换等。同时线粒体还与内质网、细胞质膜一起参与调节细胞浆内游离Ca2+的浓度，Ca2+在以上三种生物膜上的转运构成了钙稳态的主要环节。线粒体是细胞内最为敏感的细胞器之一。许多病理情况下线粒体首先出现形态改变。



2.肝硬化的病理改变对线粒体的影响



2.1缺血缺氧



    肝硬化时肝脏在组织结构和微循环方面都有明显变化。近来，人们利用电镜、血管腐蚀注型 术和荧光显微等技术，对肝硬化大鼠肝组织进行观察。发现肝硬化时，肝脏组织结构的特点是纤维间隔形成，并从汇管区向中心静脉延伸，它跨越肝实质，形成大小不等的结节，即假小叶。在假小叶内形成两 到三层细胞组成的肝细胞板层，这种结构使肝细胞血管表面积与肝窦面积之比的绝对值下降（1）。另外由于纤维组织沉积，造成肝窦毛细血管化和肝窦的密度减少（2，3）。而同时伴随的微循环改变是在相邻的两小叶间的非肝窦区出现新生血管，这些较大血管常与出入小叶的血管相连接。同时小叶中心静脉常偏位于假小叶的周边，最终形成环绕假小叶的周围血管丛—这正是肝内分流的形态学基础（1）。此外，肝硬化时还存在“快窦”现象，即在残余肝窦中常存一些血流速度较快的肝窦。Vollmar等（3）发现这些“快窦”的直径明显宽于正常肝窦。而“快窦”这种血流异常将会导致肝细胞与血液物质交换减少。上述这些肝组织结构和微循环的变化势必造成肝组织有效血液灌注不足，肝细胞及其线粒体缺血缺氧。



    此外，肝硬化还可并发肝肺综合征（hepato被动为主动  pulmonary syndrome)(4)。文献报道肝硬化患者30% ～70%合并轻度动脉低氧（PaO2<80 mmHg),12%～28%合并明显动脉低氧（PaO2<70 mmHg)。上述各种原因构成肝细胞缺血缺氧。而线粒体对缺氧极为敏感。因此，在肝硬化条件下，线粒体功能和结构会产生相应变化。研究发现在以CC14复制的大鼠肝纤维化模型中观察到肝细胞线粒体肿胀变形，结构模糊、嵴减少、扭曲。



2.2内毒素血症



    内毒素血症与肝病的关系日益受到重视，有人报道肝硬化代偿期内毒素血症发生率为23.5%～36.4%，失代偿期患者为59.5%～75.9%。肝硬变时内毒素血症发生的机理主要有：（1）肠源性内毒素的生成和摄取增多；（2）肝脏清除功能减退；（3）淋巴液生成增加。有实验证明，肝细胞接触一定量的LPS（lipopolysaccharide脂多糖为内毒素的化学成份）或类脂A（LPS由三层组成其内 层为 类脂A）后，类脂A被转运至线粒体内膜，与特异性受体结合：（1）抑制ATP酶NADH脱氢酶，使能量生成受阻；（2）因呼吸链电子传递受干扰，氧分子接受电子，产生氧自由基。这两种情况都将导致线粒体，肝细胞的损害。White等在实验中发现内毒素休克大鼠肝细胞线粒体明显受损，线粒体肿胀变形，嵴消失基质浓缩。此外，Bigatello等发现肝性脑病者血清PLS水平显著高于代偿性肝硬化患者，深昏迷者明显高于浅昏迷者，证明内毒素血症肝性脑病关系密切。有研究认为：LPS损害线粒体的氧化代谢，可以减少肝硬化患者对氧的利用，造成脑细胞能量代谢障碍。



    另外，近年研究发现内毒素是刺激肝内NO生成的最重要因素（5）。NO是一种不稳定的气体，具有多种生物学活性。有研究表明NO在某些病理条件下具有保护肝脏的作用，但也有研究发现NO可增加氧自由基毒性，并能使线粒体电子转运链复合物Ⅰ、复合物Ⅱ及三羧酸循环的乌头酸酶失活（5），它通过抑制肝细胞线粒体酶系统而使ATP合成减少（6）。



2.3其他



    肝硬化时，由于脂质代谢异常，造成红细胞膜结构改变，易形成血栓，导致微循环障碍。此外，病毒感染、炎症反应、自身免疫、乙醇的毒性作用等都将引起线粒体及肝细胞的损害。



    综上所述，肝硬化时有多种因素导致肝细胞线粒体改变。周 晓军等通过肝穿刺活检证实肝硬变时线粒体密度较低，在非活动性肝炎肝硬变组降低明显，还有人证实在肝硬化状态下，琥泊酸脱氢酶、ATP酶等的活性均显著降低。这从组织化学角度提示了线粒体功能的下降。



3.线粒体与肝损害



3.1线粒体、自由基和脂质过氧化



    目前对线粒体在缺血缺氧性肝损伤及毒性肝损伤中的作用研究较多。实验证实，组织在缺血缺氧时首先引起线粒体或胞浆水平生化的改变（7）。有人提出：线粒体是联系氧自由基和细胞死亡的中心环节。线粒体是产生活性氧的主要器官（8），在缺血缺氧期间使通常在有氧情况下被氧化的物质被还原，这可促使活性氧的形成。电子可直接从呼吸链转移到氧分子形成O2-，然后经进一步作用形成H202，OH-等。Dawson等（9）用化学缺氧模型证实O2-在线粒体的产生 部位主要是呼吸链中复合物Ⅲ（辅酶Q-细胞色素C氧化还原酶）。另一方面线粒体又是自由基作用的靶器官（10）。线粒体具有双层由磷脂层构成的生物膜。自由基可使其中的不饱和脂肪酸发生脂质过氧化反应：（1）不饱和脂肪酸破坏；（2）脂质过氧化反应主要产物MDA（丙二醛）与膜上蛋白的游离氨基酸或磷脂分子缩合生成无生物活性的大分子产物。这些均使膜流动性下降，通透性增加。Hackenbrock和Stater早在70、80年代就提出呼吸链上电子传递过程和偶联磷酸化过程均依赖于呼吸链成份在内膜中的侧向扩散和碰撞即膜流动性。因此，膜流动性下降及因膜通透性增加而造成的细胞色素丢失，都将使线粒体氧化磷酸化功能受损，能量生成障碍。线粒体功能受损时，又通过单价渗漏（univalent leak)产生更多的Q2-。从而造成肝细胞的损害。



    肝硬化时，由于肝组织缺氧三羧酸循环受抑，无氧酵解增强使NADH和乳酸增多；ATP产生减少、分解加强；产生大量次黄嘌呤；细胞色素氧化酶失活促使黄素蛋白释放增加，这些均可提供电子使氧不全性还原产生氧自由基。此外内毒素、炎症反应、免疫损伤等因素均可产生自由基。从而引起自由基-线粒体-肝细胞的链式反应。已有报道：急性肝炎慢性肝硬化的患者中血清LPO（脂质过氧化物）增多，细胞内SOD（过氧化物歧化酶）活性降低。血清LPO水平与肝细胞损害程度有关。



3.2线粒体与钙



    维持细胞内低 浓度的Ca2+是细胞正常与否的一个重要标志，70年代后期，标人们已注意到细胞内钙失调与细胞损伤的关系，认为细胞内钙的超负荷是导致细胞变性坏死的重要因素11。细胞内钙稳态（calcium homeostasis)是一个复杂的生理过程，其依赖于质膜、内质网、线粒体等对Ca2+转运的调节。在正常情况下，细胞内总钙量的70%～80%存在于线粒体。线粒体对Ca2+的摄取和释放胞浆钙离子浓度的调节中起重要作用。在缺氧、感染、内毒素等损伤因素可因引起细胞膜破坏和膜上Ca2+-ATPase受抑细胞外高浓度Ca2+顺化 学梯度大量涌入，线粒体代偿性摄入Ca2+。线粒体内膜上存在着直径为20A（2nm）的Ca2+依赖性小孔（12）。该小孔具有非选择性通透作用。Ca2+的摄入常伴随线粒体膜的去极化和H+的排出，还有线粒体内Ca2+浓度的增加，当Ca2+摄入过量时，这些因素均促使内膜小孔开放，其结果线粒体膜对离子通透性升高，Ca2+流入胞浆，线粒体膜电位降低和氧化磷酸化的脱偶联。钙稳态失调通过下列途径引起肝损伤：（1）Ca2+激活与肝细胞膜有关的磷脂酶，产生溶血卵磷脂和花生四烯酸引起生物膜结构的破坏；（2）Ca2+激活蛋白酶，使黄嘌呤脱氢酶变为黄嘌呤氧化酶，促进氧自由基生成；（3）Ca2+激活Ca2+-ATPase使线粒体摄入过量Ca2+，导致ATP能量耗竭；（4）Ca2+激活核酸内切酶引起DNA断裂。



3.3线粒体与脂肪变性、脂质过氧化、肝纤维化



    近有报道在使用齐多夫定（Zidovodine)治疗HIV感染时，可导致肝脂肪变性和肝功损害。齐多夫定具有线粒体毒性，它抑制线粒体DNA（mtDNA）多聚酶，使mtDNA缺失（13）。另有学者发现在一 些mtDNA缺失的婴儿中，发生肝脂肪变性、肝功损害和进行肝纤维化（14）。这都由于mtDNA缺失，导致多种由其编码的线粒体呼吸链酶无法合成，从而造成线粒体功能受损，进而导致肝细胞受损。对这些患者肝组织行病理检查可以发现肝细胞脂肪变性和线粒体异常，如线粒体肿胀、嵴减少等。此类病理改变在肝硬化患者中也常见到。



    微泡状脂肪变性已成为线粒体功能受损的形态学标致。这是因为线粒体功能受损时，脂肪酸β-氧化减少，游离脂肪酸增多，它们以甘油三脂为核心形成乳化颗粒，从而                    形成微泡状脂肪沉积（15）。有研究表明急慢性脂肪变性可导致脂肪过氧化（16）。因为游离脂肪酸具有高度反应性并能毁坏生物膜。当游离脂肪酸在肝细胞沉积，可导致线粒体肿胀，增加其脆性和膜的通透性（17），这将进一步加重线粒体损害，产生氧自由基激发脂质过氧化。脂质过氧化产物丙二醛（malondialdehyde,MDA）和4-hydroxynonenal(4-HNE）将激活肝脏储脂细胞（Ito cell)，启动纤维合成链式反应—肝纤维化形成（18）。同时，4-HNE又是一种强的中性粒细胞化学趋化剂，诱导中性粒细胞浸润，造成炎性反应，进一步加速肝纤维化进程。



4.线粒体的保护