背景：
慢性肝病的负担在世界范围内正在大幅上升。纤维化以细胞外基质蛋白过度沉积为特征，是导致肝硬化的常见途径，治疗方案有限。越来越多的证据表明细胞应激反应在纤维形成中的作用。本文综述了细胞应激在不同类型细胞中参与纤维形成的作用，包括肝细胞、肝星状细胞、肝窦内皮细胞和巨噬细胞。
简介：
2023年9月7日，来自美国加州大学旧金山分校医学系的Jennifer Y. Chen教授课题组在Nat Rev Gastroenterol Hepatol（IF: 65.1）杂志上发表题为“Cellular stress in the pathogenesis of nonalcoholic steatohepatitis and liver fibrosis”的文章[1]。
主要结果：
肝纤维化的细胞类型。
肝纤维化的发病机制包括多种细胞类型的相互作用，包括肝细胞、炎症细胞、LSECs和HSCs。先前的体内和体外研究已经揭示了关键的分子机制，并在2021年发表的一篇综述文章中进行了详细讨论。在损伤反应中，肝细胞表达NOTCH、骨桥蛋白、转化生长因子-β (TGFβ)、NADPH氧化酶4 (NOX4)、TAZ和印度刺猬蛋白等因子。这些因子的表达引发炎症反应，导致巨噬细胞活化，活性氧(ROS)和TGFβ的释放，以及静止HSCs活化成肌成纤维细胞。活化的造血干细胞迁移并在损伤部位增殖，产生细胞外基质蛋白，包括I型胶原，导致纤维性瘢痕的形成。重要的是，单细胞RNA测序技术已经阐明了纤维化背景下细胞类型的异质性。
肝细胞应激通路与NAFLD进展。
经典内质网应激途径。
内质网执行维持细胞内稳态所必需的关键功能，并充当细胞传感器。它有多种主要作用，如蛋白质的组装和运输，大多数脂质和类固醇的生物合成，钙的储存和体内平衡，以及细胞的解毒。
当内质网功能被错误折叠的蛋白质或脂质积累或细胞内钙浓度的变化所破坏时，内质网的稳态被改变，导致内质网应激。在内质网胁迫下，未折叠蛋白反应(UPR)信号被激活，通过减少整体蛋白质合成和激活蛋白质折叠所需的内质网驻留蛋白的转录来增加蛋白质折叠能力和恢复细胞稳态。然而，根据内质网应激的强度和持续时间，UPR可能导致细胞适应(adaptive UPR)或细胞凋亡(pro- apoptosis UPR)。三种ER跨膜蛋白应激传感器参与UPR信号传导，即肌醇要求酶1 (IRE1)、蛋白激酶R样ER激酶(PERK;也称为EIF2AK3)和激活转录因子6 (ATF6)。内质网应激时，伴侣结合免疫球蛋白蛋白(BiP;也被称为GRP78或HSPA5)与这三个传感器分离，导致它们被激活。UPR信号通路促进编码减轻内质网应激功能的基因表达。PERK激活导致mRNA翻译的快速减少和新蛋白内质网功能负荷的减少。
NASH的内质网应激。
与健康肝脏样本(n = 34)相比，来自NASH患者(n = 23)的肝活检样本中内质网应激标志物，特别是CHOP和BiP的表达增强，这证明内质网应激诱导的肝细胞凋亡可能有助于NASH的进展。一项针对NASH患者(n = 9)的研究也证实CHOP表达、NASH活性评分(NAS)和肝损伤程度之间存在关联。同一组使用小鼠模型和患者肝脏活检样本证明，IRE1 RNase活性在NASH发展中起核心作用。缺乏Bax抑制剂1(一种进化上保守的内质网膜蛋白)的小鼠，喂食高脂饮食(HFD)后出现NASH特征，即细胞凋亡、坏死和炎症，这些特征可以通过药理学抑制IRE1的RNase活性来减轻。令人惊讶的是，在喂食富含果糖的饮食的小鼠中，肝细胞特异性缺失Xbp1 (UPR的IRE1分支的直接下游靶点)会诱导脂质积累、细胞死亡和纤维化。Xbp1缺陷小鼠对肝脏疾病的易感性与IRE1代偿性上调有关。肝脏特异性缺失Xbp1和Ire1证实了这一观察结果，它们保护小鼠免受单独缺乏Xbp1小鼠所观察到的损伤。这些发现强调了IRE1的RNase活性在NASH发展中的核心作用。
图1：肝纤维化细胞类型综述
线粒体功能障碍。
线粒体功能障碍是NASH的一个显著特征。在NASH的背景下，肝脏中游离脂肪酸水平升高在启动线粒体功能障碍中起关键作用。线粒体功能受损可引起细胞能量代谢紊乱和氧化应激，导致一系列病理事件。
线粒体是细胞的“发电站”，负责通过氧化脂肪酸、丙酮酸和氨基酸等底物来产生能量。这一过程被称为氧化磷酸化，将这类底物的氧化与ATP合成紧密结合，并受到许多细胞内和细胞外因素的调节。禁食期间，脂肪组织释放的游离脂肪酸被肝脏线粒体β-氧化。在进食状态下，高血清葡萄糖和胰岛素水平会刺激脂肪的重新生成，导致脂肪酸的合成，这些脂肪酸以甘油三酯的形式储存在肝脏中，或以VLDLs的形式分泌。FAO涉及将NADH和FADH 2转移到线粒体呼吸链(MRC)，后者提供质子和电子以产生ATP。线粒体是ROS产生的主要来源，在氧化还原平衡和能量代谢中起着至关重要的作用。大多数电子被转移到MRC的最后一个复合物，细胞色素c氧化酶，在那里它们与质子和氧相互作用产生水。然而，有些可以直接与氧反应形成超氧自由基阴离子，特别是通过配合物I和III或MRC和一些FAO途径的酶。
图2：NASH中氧化应激激活途径综述
独立于NASH的肝细胞和纤维化的应激机制。
虽然我们之前的讨论主要集中在NASH背景下肝细胞内的细胞应激机制，但重要的是要注意，目前的研究表明，肝细胞内的细胞应激途径也有助于独立于NASH的纤维形成。因此，为了全面了解肝纤维化的发病机制，我们必须探索驱动纤维化进展的不同细胞应激机制。
内质网应激。
除NAFLD和NASH外，内质网应激还可在多种肝脏疾病中观察到，包括ALD和慢性病毒性肝炎。慢性肝病和严重纤维化患者的肝脏内质网应激标志物水平高于轻度纤维化患者。例如，与轻度纤维化相比，严重纤维化时PERK磷酸化水平升高。同样，与轻度纤维化患者相比，慢性HCV感染伴重度纤维化患者的BiP和CHOP蛋白水平升高。
在小鼠纤维化模型中进行的多项研究表明，内质网应激参与肝细胞，其抑制可减少纤维化的发生。例如，在CCl - 4诱导的大鼠纤维化模型中，白藜芦醇治疗减轻了纤维化，降低了内质网应激蛋白CHOP和BiP以及凋亡相关蛋白的表达。在胆管结扎(BDL)诱导的小鼠纤维化模型中，对α1-抗胰蛋白酶Z蛋白突变小鼠的研究显示，Chop和Grp78 mRNA的上调与肝细胞死亡和纤维化的敏感性增加有关。虽然机制尚不清楚，但本研究提示内质网应激可诱导胆汁淤积引起的肝细胞损伤。
氧化应激和线粒体功能障碍。
与NAFLD和NASH一样，越来越多的证据表明，氧化应激和线粒体功能障碍参与了肝纤维化的生理机制。在人肝活检样本中，与慢性肝病和不太严重的纤维化患者(分别为121和17)相比，伴有HBV感染(n = 46)或HCV感染(n = 6)的晚期纤维化患者表现出线粒体功能和体内平衡的改变。对晚期HCV诱导纤维化患者活检样本的蛋白质组分析显示，与早期纤维化活检样本相比，线粒体蛋白下调，表明线粒体过程和氧化应激反应受损。
HSCs的应激通路与纤维化发病机制。
内质网应激与HSC活化。
先前对小鼠的研究表明，内质网应激相关基因的高表达水平与HSC激活之间存在相关性。例如，小鼠HSCs在体外培养激活2小时内，观察到Atf4 (PERK下游基因)、Herpud1 (Atf6激活标志物)和sXbp1的基因表达增加。与此一致的是，自发体外培养激活的大鼠HSCs显示出细胞内质网数量和内质网应激蛋白及mRNA水平的显著增加，如PERK、CHOP和BiP。在接受8次CCl4注射的小鼠HSCs中，UPR持续存在，这表明慢性损伤在HSCs中维持了高水平的UPR。在喂食高脂食物20周的小鼠中也观察到类似的结果。tunicamycin触发内质网应激可增加大鼠HSCs中纤维化标记基因如Tgfb1和Acta2的表达。此外，为了研究HSCs内质网应激对肝纤维化发展的影响，Koo及其同事用含有编码BiP基因的慢病毒构建体转染小鼠。BiP是一种特性良好的内质网伴侣蛋白，调节αSMA启动子下游的UPR。
氧化应激和HSC活化。
糖酵解、谷氨酰胺解和线粒体氧化磷酸化在大鼠和人HSC活化中的作用已被探讨。Smith-Cortiinez及其同事观察到，与静止的大鼠HSCs相比，活化的大鼠HSCs的糖酵解和线粒体呼吸增加，并且与线粒体融合有关。通过抑制糖酵解、谷氨酰胺解或线粒体氧化磷酸化抑制人HSC的增殖和活化。Bae和他的同事同样观察到，激活的HSCs在小鼠体内具有更高的基础呼吸、最大呼吸、ATP生成、备用呼吸能力和质子泄漏。在进一步的研究中，Bae、Chen等观察到虾青素和saikosaponin D在体外抑制氧化磷酸化，促进HSC凋亡，降低HSC活化。一项研究评估了线粒体解偶联剂的作用，发现它们通过降低体外ATP和ROS水平来抑制HSC的激活。
图3：肝星状细胞的细胞应激概述
缓解细胞应激和减少纤维生成的潜在疗法。
鉴于有数据表明细胞应激在纤维化发生中具有显著作用，包括在NAFLD和NASH进展中，针对这些途径的策略可能对慢性肝病患者有实质性的益处。图4列出了调节三个UPR分支的化合物，因此有可能减轻内质网应激。
图4：针对每个UPR分支的小分子
结论和展望：
总之，研究已经证明了细胞应激途径在肝脏疾病，特别是NAFLD和NASH的发病机制以及纤维化中的关键作用。尽管大多数研究都集中在肝细胞上，但对其他细胞类型(包括HSCs)的新兴研究也强调，靶向细胞应激可能是改善纤维形成的有用治疗策略。进一步的研究是必要的，以确定新的细胞特异性调节应激途径，以制定有针对性的治疗策略。此外，评估个体应激途径被抑制后发生的补偿机制的作用也很重要。许多研究利用动物模型来探索细胞应激的影响，需要更多的研究来证实使用人类样本的发现。同样，了解针对应激途径的组合策略的有效性和安全性将是有用的。需要强调的是，慢性肝病患者的纤维化发生时间长达数十年，针对细胞应激的潜在治疗方法应避免影响其他器官的适应性UPR。最后，由于许多患者在初始表现时已出现晚期纤维化，需要采取逆转纤维化的策略，因此需要对纤维化消退背景下细胞应激途径的影响进行额外的研究。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41575-023-00832-w
参考文献：
[1] Sharma S, Le Guillou D, Chen JY. Cellular stress in the pathogenesis of nonalcoholic steatohepatitis and liver fibrosis. Nat Rev Gastroenterol Hepatol. 2023 Sep 7. doi: 10.1038/s41575-023-00832-w. Epub ahead of print. PMID: 37679454.
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