果糖代謝與非酒精性脂肪性肝病的機制關系

王泳而 汪艷

近40年來，加工飲食中大量使用蔗糖和高果糖玉米糖漿。與此同時，肥胖和非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)在全球的發生率也逐年上升。多項臨床研究顯示，果糖而非葡萄糖可以顯著促進肝臟的脂質原發合成(DNL)、發生胰島素耐受，以及增加內臟脂肪含量[1-3]。在多種方式誘導的NAFLD動物模型中，高果糖高脂飲食模型有最接近人類NAFLD的病變特征。目前比較普遍的觀點認為，果糖攝入過多與代謝綜合征和NAFLD的發生之間存在著重要的相關性。

果糖在自然界中以果糖單糖或與葡萄糖結合的蔗糖雙糖的形式存在。果糖還作為聚糖組分，存在于硫酸軟骨素、角質素、硫酸皮膚素、透明質酸、硫酸乙酰肝素和肝素等人體組織的細胞外間質。人體攝入果糖的自然來源，一部分來自果蔬，更多則來自攝入淀粉的水解轉化[4]。純果糖單糖與純葡萄糖相比被人體口服正常吸收的量相對有限。目前關于果糖代謝的基礎研究數據多是基于對果糖單糖的實驗性觀察。果糖特異性的細胞膜轉運蛋白 GLUT-5(SLC2A5)在十二指腸和小腸、腎臟組織存在高水平表達。骨髓、腦和肝臟組織也有GLUT-5表達但水平比較低。近期一項采用同位素示蹤和代謝組學技術觀察正常小鼠的研究發現，正常飲食中的低濃度水平的果糖大部分會先在小腸組織進行代謝，之后進入門靜脈的是果糖經過代謝轉化的多種衍生物和中間產物；一旦進食高濃度果糖(大于1 g/kg)超出小腸的代謝能力，未經代謝的果糖會直達肝臟和結腸微生物群[5]。

果糖代謝通路的重要限速酶果糖激酶C在肝臟高度表達。肝細胞攝入大量果糖可出現異常代謝反應。果糖與葡萄糖雖然有相同熱量值，但果糖在肝細胞的代謝途徑不同于葡萄糖，其最大特征是不受胰島素調節影響，即為非胰島素依賴性代謝，果糖攝入可迅速提高肝細胞DNL速度。事實上，果糖分解代謝過程的影響涉及到了代謝綜合征相關的主要通路。果糖代謝可以誘發底物依賴性的三磷酸腺苷和磷酸鹽損耗，使單磷酸腺苷生成增多，進而增加尿酸合成，尿酸水平增加又可以抑制內皮性一氧化氮合成酶，使得一氧化氮合成減少、促進血壓升高；果糖代謝可以生成過多的檸檬酸鹽，后者從線粒體轉運到細胞質中，激活DNL；由此過度生成的丙二酸輔酶A還會抑制β-氧化反應，進一步增加肝細胞內的脂質蓄積。果糖代謝中間產物對于調控DNL的兩條重要通路，ChREBP和SREBP-1c通路都有活化作用，可以加速提高肝細胞DNL。此外，果糖代謝中間產物本身可以激活肝細胞中的胰島素耐受信號通路的關鍵激酶分子，與脂質合成中間產物(如甘油二酯)一起，引起肝臟出現胰島素耐受。與此同時，果糖作為糖異生的前體分子，其水平升高可以誘導FOXO1轉錄因子的表達，進一步增加肝葡萄糖異生作用水平和葡萄糖輸出，升高血糖水平。如同其他乙醛活性有機物(如乙醇)，果糖化學活性對處在過氧化敏感狀態的肝細胞具有細胞毒性。總之，通過影響肝細胞中DNL和β-脂肪酸氧化反應等過程，果糖可對代謝綜合征和NAFLD發生有一定促進作用[6-7]。

果糖可以與腸道及腸道微生物發生作用，這些作用可能也會促進NAFLD發生、發展。過量攝入果糖可引起腸道細菌過度生長，增加腸道通透性。腸道通透性增加與外周循環血中內毒素和炎性因子濃度升高有一定聯系。從腸道管壁滲漏出的細菌內毒素可以經過門靜脈系統到達肝臟，大量內毒素則可能引發肝臟炎癥損傷。Bergheim等[8]發現，果糖喂養8周的小鼠會出現肝內脂肪顯著聚積以及門靜脈血內毒素水平顯著增加；如果喂養果糖的同時給這些小鼠口服抗生素，則可以顯著改善肝內脂肪聚積。Spruss等[9]同樣喂食小鼠果糖8周，發現了類似的肝臟變化；但如同時口服二甲雙胍則可以減輕這些異常；還發現果糖喂養小鼠的十二指腸樣本中緊密連接蛋白occludin和ZO-1等表達降低，而二甲雙胍同時喂養時，這些情況則不明顯。一般認為二甲雙胍的作用機制在于改善主要代謝器官組織的胰島素耐受。服用果糖的同時使用二甲雙胍如何能阻止與單用果糖相關的腸道通透性增加，其作用機制仍未知。一些研究認為，果糖介導腸道上皮細胞緊密連接蛋白表達降低導致腸道通透性增加，腸道通透性增加又導致內毒素進入門靜脈系統，可能是NAFLD/NASH進展的一個觸發因素[10-11]。然而，一項經典的單中心橫斷面觀察性研究發現，較健康對照者，確有較多NAFLD患者存在腸道通透性增加和小腸細菌過度生長的現象；這兩種表現都與肝臟脂肪變程度成正相關，但均與是否NASH(包括小葉間炎癥、肝細胞氣球樣變、纖維化)無關；NAFLD患者中的小腸細菌過度生長又與腸道通透性增加以及存在代謝綜合征呈顯著正相關[12]。近期，一項采用隨機對照雙盲設計的II期臨床試驗(NCT02442687)觀察到，使用TLR-4抑制劑對NASH并無改善作用。因此，除了增加腸道通透性這一作用途徑，果糖本身對于肝組織炎癥發生或許另有機制影響，而且腸道通透性增加、小腸細菌過度生長、肝脂肪變三者之間的機制關系目前也尚未探明。

至今比較明確的是，果糖大量攝入可以增加腸道通透性。一些研究認為其機制可能與腸上皮細胞中果糖激酶C的作用有關。果糖激酶C是果糖在細胞內代謝的主要限速酶，也是引起細胞內磷酸鹽和ATP耗竭等系列反應的關鍵酶。果糖激酶C在肝細胞、腎上皮細胞、小腸上皮細胞都有表達，可以發生類似的細胞內反應，即磷酸鹽和ATP耗竭。與野生型對照小鼠相比，果糖激酶C缺陷小鼠在經過果糖長期喂食后，小腸上皮組織中occludin和ZO-1基因表達水平沒有顯著減少[13]。另一些研究認為，果糖改變腸道通透性的機制還可能與腸上皮細胞中細胞色素P450酶2E1(CYP2E1)有關。Cho等[14]利用大、小鼠模型發現，飲用果糖會引起腸上皮細胞間緊密連接和粘附連接相關蛋白分子表達水平降低，并且這些蛋白的硝基化修飾程度升高；同時，作為硝基化反應的特征酶CYP2E1水平也升高；敲除CYP2E1后，這些不良變化的程度會減輕，肝臟損傷的表現也較輕。值得一提的是，這些研究中的關鍵分子敲除涉及了所有器官組織，因此其直接因果機制尚需進一步分析判斷。

果糖還可以直接與腸道微生態發生相互作用。一方面，果糖可以改變結腸菌群譜和豐度。Volynets等通過觀察喂食西方飲食與同時補充喂食果糖飲料12周的小鼠模型發現，僅聯合喂食小鼠的腸道微生物譜發生了顯著變化，同時腸道通透性指標發生了顯著改變[15]。該研究組近期通過分析20名健康成人的糞便菌群發現，經大量果糖糖漿補充飲食(>100 g 果糖/d)1周后，人體腸道菌群中的厚壁菌門豐度顯著減低，同時擬桿菌門豐度增高，后者變化程度又與血膽固醇和低密度脂蛋白水平成正相關[16]。以上前后研究中菌群變化的趨勢基本一致。反過來，腸道微生物可以直接顯著影響果糖代謝。服用抗生素可以減輕果糖飲食誘導的小鼠肝臟脂肪累積[8]。近期，Zhao等[17]使用同位素示蹤技術在小鼠模型發現，腸道微生物可將果糖代謝為醋酸鹽，醋酸鹽通過門靜脈到達肝臟，然后由酰基輔酶A合成酶短鏈家族成員2(ACSS2)將其合成乙酰輔酶A，為肝臟DNL提供合成原料；果糖攝入后，ACSS2的表達受到ChREBP和SREBP雙方面調控通路的影響，這提示來自腸道的果糖分解物醋酸鹽應是肝臟DNL的固有重要通路。與此同時，在肝臟僅敲除DNL通路的重要代謝酶，三磷酸腺苷-檸檬酸裂解酶，對果糖誘導的肝臟DNL水平則并無顯著影響。這一發現為果糖誘導NAFLD形成的多通路機制補充了新內容。隨著分析測試技術不斷進步，如Han等[18]應用全新方法繪制腸道微生物代謝譜，可以在單一微生物水平對多種微生物代謝譜進行分析，更多的與NAFLD相關的腸道微生物代謝新線索將很快會出現。此外，腸道菌群可能還介導了果糖飲食相關的慢性腸道炎癥[19]，由此腸道損傷又會對果糖相關NAFLD形成和進展產生影響[20]。

總之，果糖長期過量攝入以及其伴隨的各種因素可能是造成NAFLD/NASH發病率不斷上升的一個重要原因。肝腸之間的復雜作用通路及其成分是果糖參與NAFLD病生作用機制研究中的難點，也是新線索、新靶點不斷涌現的熱點。但目前，其中確切可控、有顯著臨床效果的診療靶點尚未出現，減少果糖以及總熱量的攝入仍然是預防和控制NAFLD疾病進展的最重要手段。