搜索
世界华人消化杂志2008年1月18日;16(2):185-191ISSN1009-3079CN14-1260/R0引言既往研究表明,肝纤维化是各种原因导致肝脏[1-2]损害后的一种修复过程,是导致肝衰竭、门[3]脉高压的重要病变,进展为肝硬化是肝纤维化[4]的必然结局.目前,Parsonsetal学者普遍认为肝星状细胞(hepaticstellatecell,HSC)是肝脏合成细胞外基质(ECM)的主要细胞,不同病因导致肝纤维化的共同途径是肝星状细胞激活转化为肌成纤维细胞,合成大量的ECM,ECM分泌增加,降解减少,以致其在肝内大量沉积,肝纤维化逐渐形成.HSCs是伴有乙肝病毒、丙肝病毒、遗传性血色素沉着病、胆道闭锁、囊肿性纤维化、酒精性肝脏疾病的肝纤维化和肝硬化[5-6][7]的效应细胞.Safadietal研究表明,肝纤维化在去除损伤因素后尚有逆转的可能,大大激发了人们对肝纤维化发病机制的研究.在肝纤维化过程中肝脏的组织压力、血液流动力学发生了明显的变化,而处于肝血窦壁的肝星状细胞对肝脏血液循环的调节起重要作用,同时他也必然受到肝血流动力学变化的影响.而机械力对平滑肌细胞、成纤维细胞、血管重建作用的研究卓有成效,激起了人们从力学的角度探讨应力对肝星状细胞的影响,进而揭示机械力在肝纤维化过程中的作用,以从不同的角度探讨肝纤维化机制.1肝脏血液循环的特点及肝星状细胞的调节作用1.1肝脏血液循环的特点肝脏由门静脉与肝动脉双重供血,成人休息状态每分钟流经肝脏的血液高达1500-2000mL,约占心输出量的25%-30%.正常肝脏门静脉血供占60%-70%,肝动脉血供占30%-40%.门静脉经多次分支形成入口微静脉,入口微静脉管壁无平滑肌,但与血窦相连处内皮细胞较大,富微丝,细胞舒缩形成肝腺泡的入口括约肌(inletsphincter),调节肝腺泡内的门脉血流.肝动脉与门静脉分支在行程中可直接吻合,从而使肝动脉终末端的血压下降、血流减慢,而门静脉终末端的血压升高、血流加速,使肝动脉与门静脉终末支进入血窦前的血压与流速得以平衡,加上终末微动脉及入口静脉壁内皮细胞的调节作用和吻合丰富的小叶周围血窦的减压作用,使进入小叶血窦的血液流量、流速得以控制.肝动脉的血液仅有一小部分直接进入血窦,大部分经过各种通路流经门静脉后再进入肝血窦.在动脉分叉处、终末微动脉与血窦连接处、肝动脉-门静脉吻合支等均有括约机制.这些分支血管运动时对血窦的血流及压力起主要调节作用.肝血窦可开口于中央静脉,开口处内皮细胞的舒缩形成出口括约(outletsphincter)控制血窦内血液的输出.中央静脉与小叶基部的小叶下静脉垂直连接,在同一平面内,如有二条中央静脉与肝静脉属支相连,则夹角为120度.肝血窦(hepaticsinusoid)位于肝板之间的陷窝内,是肝脏特殊形态的毛细血管,通过肝板孔而连接成网,宽大而不规则.入血窦呈囊状,直径20-30μm.腺泡Ⅰ带血窦表面积与腔容积之比较大,窦腔窄而弯曲,血流缓慢,便于物质交换.Ⅲ带血窦较直而宽,血流快,易进人中央静脉.窦内血流速度不同,直窦快,而连接部[8]分慢.和末端肝微动脉(theterminalhepaticarteriole,THAo).TPVns直接与肝实质中的毛细血管床即[9]肝血窦相联系.THAo和肝窦间急剧的压力梯度是通过THAo末端的毛细血管前括约肌的舒缩来维持的,同时受到肝窦内皮窗口的舒缩调节,特别是门管区(zone1).肝动脉是为肝窦血液、胆管、门静脉和门管区神经提供氧所必须的,在肝窦微循环的调节中,肝动脉系统为肝窦血流的平稳和恒定提供动力,肝门静脉系统是肝血窦血流[10]的主要调节者.1.2肝星状细胞对肝脏血流的调节作用HSC占人类肝脏全部细胞的5%-8%,肝血窦细胞的13%.星状细胞位于前肝血窦Disse隙内皮屏障下,他们有长的细胞质突起与肝窦内皮壁相平行,从突触上生出分支包绕窦状隙,并且经肝细胞间穿过[11]到达相邻的窦状隙.HSC具有平滑肌特点,具有收缩性.HSC在形态和超微结构特点上与其他器官中调节局部血流量的周细胞相似,显示肝星状细胞是肝脏特殊的周细胞.对各种血管活性物质的收缩和舒张能力也说明这些细胞可能在肝血窦水平对调节肝内血管阻力和血流量起作[12-14]用.内皮素(entothelin,ET)、组胺、血管紧张素等血管活性物质使体外培养的星状细胞发生收缩;一氧化氮(nitricoxid,NO)、一氧化碳使其舒张.显微镜下活体观察,也观察到ET引起肝窦收缩,并证明肝窦收缩部位与星状细胞本身的荧[15]光区是一致的,其中内皮素-1(ET-1)的反应最[16]强烈.肝星状细胞的解剖学位置及其对这些生物化学物质的反应说明了他们在肝脏血液循环中发挥了重要作用.2肝纤维化过程中肝脏血流动力学的变化肝纤维化是病毒性肝炎、2.1肝纤维化的病因酒精性肝病、非酒精性脂肪肝、中毒性肝病、自身免疫性肝病、胆道阻塞等生物、化学、物理因素导致肝脏损害后的一种修复过程胞外,基质过度积累而造成肝功能障碍.其间HSC激活、转化为肌成纤维细胞,合成大量的细胞外基质(ECM),从而使ECM降解减少,以致其在肝内大量沉积,肝纤维化逐渐形成.[11]活化的HSC特征发生一系列改变,包括:(1)增生频率增加;(2)由静止的HSC转分化为MFB;(3)储存的脂滴、维生素A减少或消失;(4)表达标志性蛋白-α-肌动蛋白和细胞珠蛋白(Cygb);表达波形蛋白(vimentin)及结蛋白(des-min);(5)收缩性增强:肝脏损伤时内皮细胞及活化的HSC合成ET增加,作用于HSC表面的特异性内皮素受体(endothelinreceptor,ETR),引起细胞收缩,导致肝内微循环收缩和肝窦血管阻力升高,促进肝硬化门静脉高压的发展;(6)分泌ECM增加:活化的HSC是ECM生成的主要来源,可分泌Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ型胶原、层粘连蛋白、纤维连接蛋白、透明质酸等多种ECM成分.TGF-β1是增加ECM分泌的最强因子;(7)分泌趋化因子及细胞因子,如单核细胞趋化蛋白-1(MCP-1)、HGF、白细胞介10(IL-10)等;(8)TIMP合成和分泌增加:HSC激活后分泌TIMP-1、TIMP-2增加,抑制MMP对ECM的降解,从而促进肝纤维化的形成.其中细胞增殖与纤维生成增强是重要特征.胶原约占肝脏蛋白总量的5%-10%,当肝脏发生纤维化时,胶原蛋白可增加到50%左右.正常肝脏一般以Ⅰ,Ⅲ型胶原各占40%,Ⅰ/Ⅲ型比例约为1.肝硬化时Ⅰ/Ⅲ型比例增加,晚期肝硬化Ⅰ/Ⅲ型比例可增至3左右.肝脏慢性损伤时,Ⅰ型胶原显著增多,使正常肝内Ⅰ/Ⅲ型胶原比例倒置,取代狄氏间隙的Ⅳ胶原,导致肝窦毛细[17]血管化与肝纤维化.转化生长因子β1(TGF-β1)是促肝纤维化的关键细胞因子,慢性肝损伤时TGF-β1以自分泌和旁分泌两种形式促进HSC活化,使HSC细胞向肌成纤维细胞(myofibroblast,[18]MFB)转化并生成大量ECM,导致肝纤维化.2.2肝纤维化病因对肝脏血流动力学影响几乎所有慢性乙肝患者均有肝脏微循环障碍,包括肝功能正常的患者,主要表现在肝窦腔狭窄.轻度时即见肝细胞肿胀,气球样变性,压迫肝窦,造成肝窦腔狭窄,偶尔见肝窦腔不规则狭窄与扩张并存.重度慢性乙型肝炎(chronicviralhepa-titisB,CHB)患者肝窦部位被胶原纤维填充,严重者肝窦腔闭塞、消失.随着病情加重,微血栓形成率增加,微血栓周围肝细胞有溶解坏死表[19]现.个别患者还见中央静脉内有微血栓形成及肝血窦毛细血管化等,引起肝窦阻力增加,这些因素均可导致门静脉压力升高.门脉高压是侧支循环形成的始动因素.在正常情况下,绝大部分的门静脉血经肝静脉回流,而在肝硬化过程中经肝静脉回流的血流量可降低至门静脉[20]血流量的13%,其余进入侧支循环.门静脉压力的增高是门脉阻力增高与血流量增多的[21]共同作用的结果.肝脏纤维化对门静脉系统小分支及肝窦造不同程度的压迫,导致肝内血管阻力增加,门脉血流量增加,引起门静脉高压,表现为门静[22]脉和脾静脉增宽、脾脏增厚.狗的肝脏血流动力学变化会迅速地反应在胆道压力上,楔形肝静脉压(wedgedhepaticve-nouspressure)和门脉压随胆管压力升高则都升高,相反胆管快速减压则两者也紧跟着下降,显示胆管压力的变化可通过肝血窦影响肝脏血流[23]动力学,反映了胆道闭塞能够引起肝血窦血压上升.体外实验也表明,高浓度乙醇减弱空肠环行肌条收缩振幅,平滑肌收缩蛋白的合成速率减慢,对空肠平滑肌收缩具有直接抑制作用.在另外的研究中也发现乙醇抑制了膀胱平滑肌和血管平滑肌的收缩.十二指肠和静脉灌流乙醇都减弱Oddi括约肌的运动,抑制Oddi括约肌的收[24]缩振幅.乙醇是引起肝硬化的常见病因,由这些研究可推断他也会改变肝脏的血液循环状态2.3机械力对相关细胞的影响肝星状细胞是肝脏特殊的血管周细胞,激活后表现为成纤维细胞、肌成纤维细胞表型,具有平滑肌细胞和成纤维细胞的性质,且星状细胞在内脏中广泛分布.因此,我们有必要了解这些相关细胞的一些力学响应特性.机械力作为各种组织中细胞形态和功能的重要调节因素,能快速诱导血小板衍生生长因子(plateletderivedgrowthfactor,PDGF)受体磷酸化、整合素受体活化、拉伸激活阳离子通道、G-蛋白.他们可以作为力学传感器,一旦感受到机械力,蛋白激酶C和有丝分裂原活性蛋白激酶(MAPKs)被激活,导致c-fos和c-jun基因表达并提高转录因子AP-1DNA-结合活性.机械应力能够直接拉伸细胞膜并改变受体或G蛋白的结构,从而激活生长因子等信号传输途[25]径..机械力对心血管系统的正常生理功能有重要影响,他能使血管平滑肌细胞(vascularsmoothmusclecell,VSMC)肥大和增殖而促进动脉硬化、高血压、心血管再狭窄的发生、发展.高压力和高血流量均可引起血管重建,前者导致的血管重建是正反馈过程,其管壁增厚、管腔变窄,使血压进一步升高;高流量则引起内外[26]径增大,使流量降低以达到一种稳定值.血流状态变化也调节血管平滑肌细胞的数量.跨壁压能直接作用于血管中膜平滑肌,使之自身生长调节因子基因表达增强,促使DNA和细胞外[27]基质合成而影响血管壁的构建.许多研究表明,压力、切应力与周向张力升高,可引起血管平滑肌细胞多种基因转录及表达上调,包括血小板衍生生长因子(PDGF)、TGF-β、抑癌基因p53等,从而参与调节VSMCs的增殖.一定强度的静压力对细胞增殖、肌动蛋白和胶原蛋白的表达等也有重要影响.机械力中的压力和流体剪切力是高血压和动脉硬化症的重要病因.140-180mmHg的压力作用于人类大动脉平滑肌细胞(humanaorticsmoothmusclecells,HASMC),DNA的合成呈压力依赖性的方式,而小于或等于120mmHg没有显著的变化,超过160mmHg,则胞外信号[28]调节激酶和c-junN-端激酶活化.O'Callaghan[29]etal发现,机械应变诱导血管平滑肌细胞TGF-β1的增加.另有研究认为,高血压状态下,TGF-β1增加可以增强其他生长因子(如PDGF、[30]bFGF、EGF等)对VSMCs增殖的促进作用,与体外高血压动物模型所观察到的结果相似,显示压力升高是引起高血压动脉重建中VSMC增[31]殖加强的重要原因.Roelofsenetal采用最大为13kPa,0.3Hz的间断压力作用于成骨细胞,其肌动蛋白和胶原蛋白的表达上调.静息的膜系细胞受到FlexercellStrainUnit100B拉伸/松弛48h,用荧光标记的Ⅰ,Ⅲ和Ⅳ型胶原抗体免疫染色检测胞外基质48h后Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ型胶原、纤连蛋白和层粘连蛋白也增加.膜系细胞持续拉伸/松弛导致其细胞形态从正常的星形变为带状外观,细胞的长轴垂直于应力方向排列,拉伸/松弛12hTGF-β1mRNA水平没有显著的变化,而24[32]h则显著增加.很多信号分子都与机械转导过程有关,已++证明整合