美国康涅狄格州斯托尔斯康涅狄格大学营养科学系
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DOI: 10.15761 / IFNM.1000149
肝脂肪变性是肝细胞中脂质的异常滞留，可导致进行性炎症和纤维化。一些饮食策略，包括使用低碳水化合物饮食已被提出，以改善由肝脏脂肪变性引起的代谢失调。动物模型有助于研究饮食对肝脏脂质积累、炎症和氧化应激的影响。豚鼠是研究饮食对胆固醇和脂蛋白代谢、炎症和动脉粥样硬化影响的极好动物模型。使用豚鼠作为肝脏脂肪变性的模型还没有得到充分的讨论。本综述的目的是讨论导致肝脂肪变性的代谢异常，综述一些可以逆转这些异常的饮食治疗方法，最后提出豚鼠作为动物模型，研究与肝脂肪变性和非酒精性脂肪性肝病相关的代谢途径、信号和遗传机制。
豚鼠，动物模型，饮食，肝脏脂肪变性，全身炎症
4-HNE: 4-Hidroxy-2-nonenal;ALT:丙氨酸转氨酶;ATP:三磷酸腺苷;ER:内质网;hdl胆固醇(高密度脂蛋白胆固醇:胆固醇);密度:低密度脂蛋白胆固醇;疯狂:Malonaldehyde;NAD:烟酰胺二核苷酸;非酒精性脂肪肝;非酒精性脂肪性肝炎; PEPCK: Phosphoenol Pyruvate Carboxylase; PPAR-α: Peroxisome proliferator Activated Receptor-α; PUFA: Polyunsaturated Fatty Acids; ROS: reactive oxygen species; SFA: Saturated Fatty Acids; TC: Total Cholesterol; TG: Triglycerides; VLDL: Very Low Density Lipoprotein
病理条件，如糖尿病、胰岛素抵抗、心血管功能障碍和非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)等，都是细胞和系统水平[1]代谢明显紊乱的明显例子。代谢产物(葡萄糖、果糖、某些氨基酸)通过脂质生成途径的加速通量、极低密度脂蛋白(VLDL)颗粒[2]的合成失调、脂肪酸(线粒体和过氧化物酶体)[3]的低效脱羧和氧化以及脂肪酸池[4]的不适当处理和储存是肝脏水平上导致脂肪变性的主要机制，这是NAFLD的先决条件。肝脏外部的其他改变发生在脂肪组织中，脂肪细胞无法对胰岛素对脂肪分解的抑制作用作出反应，产生非酯化脂肪酸向肝脏的增加动员[5]。在脂肪变性向非酒精性脂肪性肝炎(NASH)的炎症性转变期间，情况变得更加令人生畏，这可能导致晚期肝纤维化、肝硬化和肝细胞癌[6]。代谢应激细胞器包括线粒体和内质网(ER)通过促炎机制对各种细胞损伤作出反应，产生炎症浸润、囊状肝细胞和交联纤维化束，定义NASH[7]。
这些肝脏内的代谢中断扩展到整个肝细胞以及星状和库普弗细胞，其中胆固醇晶体可以定位[8]。为了了解为什么更广泛、更全面的代谢视角适合于NAFLD的定义，重要的是要理解“两次打击”假设的脂肪中心性质[9]。脂质作为脂肪酸，首先需要确保脂肪变性的发展，脂肪变性是由导致脂肪酸失调的氧化系统过载引起的。这种过量的脂肪酸增加了它们作为主要微粒体细胞色素P450酶CYP2E1和CYP4A底物的可用性。通常这些酶的功能是羟化非极性底物，包括脂肪酸，产生更多的极性化合物，最终结合或排泄。然而，由于它们的催化活性依赖于氧，这个系统产生了许多有害的代谢物，正是这些超氧阴离子(O2._)、过氧化氢(H2O2)和羟基自由基(-OH)，当产生的数量超过抗氧化物种时，会导致细胞氧化应激状态[10]。活性氧(ROS)也可以由线粒体呼吸链的复合物产生，由于它们的半衰期相当短，许多细胞效应发生在线粒体本身附近;这些局部影响包括三磷酸腺苷(ATP)和烟酰胺二核苷酸(NAD)的消耗，细胞大分子如DNA的损伤，蛋白质变性，以及抗氧化防御能力的降低，尤其是谷胱甘肽[11]。由于细胞防御能力有限，自由基(特别是羟基自由基)能够不受抵抗地迁移到膜脂双分子层，并攻击膜多不饱和脂肪酸(PUFA)脆弱的不饱和侧链。这反过来会产生脂质氢过氧化物，释放醛的双产物，其中4-羟基-2-壬烯醛(4-HNE)和丙二醛(MDA)在生物系统[12]中相当重要。 Lipid peroxidation itself also acts as an amplifier of free radical and aldehyde generation, further depleting antioxidant capacity and thereby exacerbating the state of oxidative stress [13]. Lastly, aside from impairing organelle function, aldehydes such as 4-HNE and MDA can directly induce the production of cytokines, in particular tumor necrosis factor-α, which in turn acts as a chemo attractant for neutrophils leading to chemotaxis, inflammation, and eventually apoptotic-mediated cell death. Hepatic stellate cells, the principal mediators of liver fibrosis can also be directly activated following membrane lipid peroxidation through the production of transforming growth factor b [14,15].
一些研究人员观察到，在人类[16]中，过多的碳水化合物摄入与肝脏脂肪变性和NASH严重程度的增加之间存在很强的关联。在最近的一项前瞻性研究中，Kang等．[17]评估了91例临床疑似NAFLD患者，31例(34%)为代谢综合征。与无代谢综合征的患者相比，代谢综合征患者消耗更多的碳水化合物(p= 0.03)和更少的脂肪(p=0.01)，脂肪变性(p=0.004)和NASH (p= 0.0006)的组织学严重程度评分更高。这项特别的研究是值得注意的，因为它概括了目前关于过度碳水化合物摄入与代谢综合征相关生理因素发展之间联系的证据，如最近描述的[18]。最近对一名被诊断为NAFLD[19]的肥胖女性患者进行了碳水化合物限制饮食干预，1H mrs评估其血浆丙氨酸氨基转移酶(ALT)水平异常，肝甘油三酯含量为44.6%。该患者被指导遵循由5:41:54%碳水化合物:脂肪:蛋白质组成的生酮饮食2周。饮食开始5周后，ALT值恢复正常，肝甘油三酯含量显著降低至11.9%。虽然旨在评估限制碳水化合物对改善NAFLD的作用的长期对照人类研究很少，但现有证据确实支持这种饮食干预在改善该疾病固有的相关临床和组织学异常方面的有益作用。在一项有趣的动物研究[20]中，两组小鼠被喂食高碳水化合物(68%)的饮食，其淀粉成分不同，以检查快速吸收的碳水化合物对肝脏脂肪变性的影响。一组食用100%支链淀粉(一种高度支链的葡萄糖聚合物，在小肠内迅速代谢)的饮食，而另一组食用60%直链淀粉和40%支链淀粉;直链淀粉由于其线性结构，水解速度较慢，因此预计有助于较轻的肝脏脂肪变性。 Indeed, histological examination indicated the presence of mixed hepatic steatosis in mice fed the rapidly absorbed carbohydrate and a two-fold greater hepatic triglyceride content (20.7 + 9.4 mg/gvs。9.6 + 4.9 mg/g;P =0.01)，与摄入吸收较慢的碳水化合物的小鼠相比。同样，研究碳水化合物和人类NAFLD之间关系的长期临床研究是有必要的，然而，这项研究明确指出，减少碳水化合物或低血糖指数饮食作为一种逆转肝脏脂肪变性进展的新型饮食治疗的潜在好处。
迄今为止，研究饮食成分，特别是碳水化合物和限制碳水化合物对NAFLD的作用的长期对照研究相对较少，尽管多项证据表明，限制碳水化合物摄入可能有利于改善肝功能。在一项为期一年的前瞻性研究中，Solgaet al。[16]报道，在患有NAFLD的肥胖症患者中，较高的碳水化合物摄入量与较高的肝脏炎症几率相关，而较高的脂肪摄入量与较低的炎症几率相关。此外，作者还观察到，在脂肪摄入量最高的情况下，脂肪变性和纤维化的几率较低，这表明脂肪的存在可能改善NAFLD的组织病理学。与碳水化合物诱导的肝脏炎症相关的潜在机制尚不清楚。Tendler最近的一项研究et al。[21]发现，低碳水化合物、生酮饮食(< 20克/天碳水化合物)在6个月内显著改善NAFLD患者的脂肪变性、炎症和纤维化，同时伴有体重减轻和血浆胰岛素和葡萄糖水平降低。这些结果支持了普遍的观点，即胰岛素抵抗和高血糖在促进肝脏DNL和甘油三酯合成方面起着显著作用，因此旨在减少胰岛素释放的饮食可能会减轻碳水化合物刺激的脂肪生成。
众所周知，膳食脂肪，特别是多不饱和脂肪酸(PUFA)具有降低甘油三酯的作用，是降低心血管疾病风险的一种潜在的重要膳食治疗方法。越来越多的证据表明，这些也可能发挥各种保护肝脏的作用。这些脂肪酸是肝脏碳水化合物和脂质代谢基因表达的众所周知的调节器，在糖酵解途径中抑制L-PK以及几种关键的脂肪生成酶[22]。甾醇调节元件结合蛋白(SREBP)-1c被PUFAs强烈抑制，尽管机制细节需要进一步研究，但已证明PUFAs降低SREBP-1c的转录，增强SREBP-1c mRNA的翻转，并直接干扰转录成熟的SREBP-1c蛋白[22]的蛋白水解切割。最近也有研究表明，PUFAs，特别是亚油酸(18:2)、二十碳五烯酸(EPA)和二十二碳六烯酸(DHA)有效地抑制小鼠ChREBP活性，从而降低L-PK和FAS[23]的表达。最近一项研究调查了omega-3脂肪酸对临床诊断为肝脂肪变性[24]的患者的潜在治疗作用，发现那些接受2.7克浓缩EPA 12个月的患者，经组织学分析评估，血浆ALT和AST值显著降低，脂肪变性消退。在一项为期8周的试验中，肝脏TG含量升高(通过质子磁共振波谱评估)的患者接受了9克/天的鱼油，结果显示血浆TG降低了46%，血浆VLDL和IDL胆固醇降低了21%，血浆载脂蛋白B降低了15%，但肝脏TG含量[25]没有改善。必须指出的是，本研究的样本人群相当小(n=17)，主要包括非洲裔美国人，他们往往腹膜内脂肪积累较少，在脂肪变性[26]的患病率方面与其他种族群体(如西班牙裔和白种人)不同。
通过限制碳水化合物以及增加不饱和脂肪酸对肝脏异常如脂肪变性和更严重的NASH的营养调节开始显示出作为一线饮食防御的希望。虽然这些方法的证据仍然相当有限，但代谢基础似乎从根本上是合理的。减少饮食中碳水化合物的摄入，特别是快速吸收的来源，如精制谷物和淀粉，会限制胰岛素的释放，使新陈代谢转向能量不足的状态，促使储存的碳水化合物氧化，如糖原和脂肪，即脂肪TG。膳食中的不饱和脂肪酸似乎在分子水平上起作用，拮抗负责诱导脂肪生成程序的转录调节因子。虽然胰岛素增敏剂和核受体激动剂等药物本身就很有价值，但现在是时候让营养策略成为代谢源性疾病的可行治疗方式了。考虑到肝脏在管理摄入的饮食成分方面的战略作用，这似乎是一个合乎逻辑的起点。
目前用于非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)研究的动物模型范围广泛，涉及一系列遗传和饮食模型，其中大多数是小鼠和大鼠[27,28]。肝脏脂肪变性的基因改变模型通常显示肝脏脂肪生成增加，就像磷酸烯醇丙酮酸羧化酶的情况一样(PEPCK) -n-SREBP-1α小鼠或肝脏脂肪酸氧化降低如过氧化物酶体增殖物激活受体-α (PPARα) -/-小鼠。的ob / ob鼠标和fa / fa大鼠在瘦素(一种主要由白色脂肪细胞产生的饱腹感激素)的合成和编码瘦素受体的基因中分别有自然发生的突变，分别为[29]。因此，这些动物表现出严重的能量代谢紊乱，并发展为嗜食、高胰岛素血症、高血糖、血脂异常和自发性脂肪肝[29]，从而使它们成为NAFLD病因学的有价值的模型。表型正常的啮齿动物也被用来研究饮食成分和个别营养素对肝脏脂肪变性[27]的影响。高脂肪、蔗糖或果糖的啮齿动物饲料已被开发用于增强肝脏脂肪生成，而缺乏蛋氨酸和/或胆碱的饲料通常用于损害脂肪氧化[30]。综上所述，这些遗传和饮食啮齿动物模型构成了我们目前对脂肪变性和NAFLD相关分子和代谢过程的理解的概念框架。
然而，现实情况是，小鼠和大鼠在涉及肝脏脂质和胆固醇代谢的几个基因的基因表达和活性水平上与人类存在很大差异，因此，这种疾病在这些动物中的发病机制与人类的情况[31]并不完全相同。研究人员不能仅仅依靠分子生物学的工具来获取转基因动物或基因剔除动物，还必须致力于识别能自然复制人类代谢的物种。理想的模型应该在感兴趣的途径中表现出相似性，并以类似于人类干预的方式对饮食、运动或药物治疗做出反应。豚鼠可能是此类模型在肝脏和全身脂肪和胆固醇的运输和处理方面的最优秀的代表，并且可能是阐明人类脂肪变性和NAFLD[32]的真正机制的新模板。
豚鼠和啮齿动物之间最显著的代谢差异是，在豚鼠体内，大部分胆固醇通过LDL颗粒[33]运输，而大鼠或小鼠主要通过HDL颗粒[33]运输胆固醇。这一观察结果使豚鼠成为人类脂蛋白代谢的终极动物模型。此外，与人类相似，豚鼠显示出高ldl - hdl - hdl比值[34]，并拥有参与脂蛋白血管内加工的几种关键酶，特别是CETP，卵磷脂胆固醇酰基转移酶(LCAT)和脂蛋白脂肪酶(LPL)[35]。豚鼠和人类之间的这些内在相似性暗示这种动物是脂蛋白代谢的真正模型，但也可能扩展目前有关NAFLD和心血管疾病的知识。NAFLD被认为是代谢综合征[36]的肝脏表现，也与心血管功能障碍密切相关[37,38]。鉴于人类和豚鼠脂蛋白代谢之间的惊人相似性，再加上最近的研究表明豚鼠是评估炎症和动脉粥样硬化的合适模型[36,39]，因此，豚鼠可能代表了一种识别NAFLD促进心血管疾病病理生理学机制的创新方法。
在肝脏中胆固醇的合成、储存和分解代谢方面，豚鼠也与人类相似。这一观察结果与肝脂肪变性和NAFLD尤其相关，因为新兴研究表明，胆固醇是肝脂肪变性向NASH[40]转变的中心分子。虽然过多的胆固醇储存可能不会单独导致肝脏脂肪变性本身，但游离胆固醇的积累可能会加剧人类[41]的脂肪变性程度和肝细胞功能障碍。与酯化胆固醇相比，人和豚鼠都表现出更高浓度的肝游离胆固醇[35,42]，以及类似的ACAT (er定位酶，用于酯化胆固醇)和HMG-CoA还原酶[43]的酶活性。此外，豚鼠表现出与人类相当的中等速率的肝脏胆固醇合成[44]和分解代谢[45]。虽然尚不清楚参与肝脏脂肪酸合成和燃烧的酶的表达和活性在豚鼠和人类之间是否相关，但在肝脏胆固醇代谢方面的惊人相似性证明了使用这种动物作为阐明胆固醇在肝脏脂肪变性进展和向更晚期NAFLD过渡中的作用的新模型。最后，实验反复证明，豚鼠对饮食干预(包括碳水化合物限制[46]、脂肪酸组成[47]和膳食纤维[45])的反应类似于人类[48,49]。鉴于碳水化合物限制在减弱NAFLD方面的潜在治疗作用，豚鼠可能是评估饮食组成对NAFLD作用的最合适手段。因此站在实验室研究和临床应用的十字路口。图1显示了豚鼠和人类之间的关键相似之处，记录了它们作为肝脏脂肪变性模型的潜在用途。
图1所示。豚鼠和人类之间的关键相似之处
我们的结论是，豚鼠可以作为肝损伤、肝脂肪变性和最终肝硬化的可靠模型，而无需进行任何遗传操作。脂蛋白代谢和肝酶活性模拟人类情况的事实进一步加强了使用它们作为模型来了解与肝脏脂肪变性相关的分子机制和代谢途径的改变的可能性。