酒精的代謝及酒精性肝損傷

肝炎、肝硬化，而外在原因為黃麴毒素、飲酒過量、香菸中的尼古丁、嚼食檳榔，

其他本身之因素例如肥胖、非酒精性脂肪肝及糖尿病等皆會導致肝癌發生 (Bosch et al., 1999)。肝癌若依病理分類可分為四種主要類型，分別為肝細胞癌 (hepatocellular carcinoma, HCC)，為最常見之肝癌種類，在成人肝癌中約佔 85%；

膽管癌 (cholangiocarcinoma) 發生於組成膽管的細胞，約佔肝癌的 12%；血管肉 瘤 (angiosarcoma) 又稱血管瘤 (hemangiosarcoma)，是一種極端稀少的癌症，只 佔肝癌之 1%；最後為肝母細胞瘤 (hepatoblastoma) 通常好發於兒童，是非常罕 見之肝癌種類 (Chung et al., 2009; Kumar et al., 2011)。

第二節、酒精的代謝及酒精性肝損傷

飲用酒精性飲料於現今社會已是越來越普遍的現象，許多研究指出適量飲酒 能有助於減少心血管疾病的發生 (Moore and Pearson, 1986)，但過量飲酒則是會 導致身體損傷。酒精主要是由胃部及小腸吸收，但少部分酒精也會透過口腔及大 腸吸收至體內，而酒精除了會使組織中之蛋白質凝固之外，也會與水形成小分子，

不與血漿中蛋白質產生反應，具極佳穿透性，因此可經由血液迅速流動至各個組 織中 (Svensson et al., 1999)。作用後之酒精於人體內會影響中樞神經系統，使飲 用者產生視覺及聽覺障礙，進而降低注意力及判斷力等，其影響程度與體內酒精 濃度成正比 (凌與陳，2000)。

一、酒精代謝

由於酒精無法儲存於人體中，因此有 95% 的酒精必須透過肝臟代謝為水與 二氧化碳排出。圖 1-1 所示，當酒精進入肝臟後會透過酒精脫氫酶 (alcohol dehydrogenase, ADH)、微粒體乙醇氧化系統 (microsomal ethanol-oxidizing system, MEOS) 之 CYP2E1 和 CAT 這三條途徑氧化為乙醛 (Lumeng and Crabb, 2000;

Seitz and Stickel, 2007)，乙醛又會被乙醛脫氫酶 (acetaldehyde dehydrogenase, ALDH) 代謝成醋酸，而醋酸經由乙醯輔酶 A 合成酶 (Acetyl-CoA synthetase) 轉變成乙醯輔酶 A，以利肝以外之組織例如心臟等利用 (Lieber, 2005b; Yamamoto et al., 2011)。酒精於肝臟中透過各種酵素系統代謝之詳細反應如圖 1-2：

7 圖 1-1 酒精於肝細胞中之氧化路徑

Fig. 1-1 Oxidation of ethanol in the hepatocyte (Lieber, 1997)

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圖 1-2 肝臟中酒精代謝系統

Fig. 1-2 Alcohol metabolism in liver (Lieber, 2005b; Yamamoto et al., 2011)

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(一) 酒精脫氫酶 (alcohol dehydrogenase, ADH)

位於細胞質中，當血液中酒精濃度較低時，主要是透過此酵素作用進行代謝。

此酵素特點為其代謝速率受 NAD⁺ 影響，因酒精代謝為乙醛過程中會產生

NADH，而 NADH 必須氧化為 NAD⁺ 才能使酒精繼續代謝，因此 NAD⁺ 為此 反應速率之限制因子。

(二) 微粒體乙醇氧化系統 (microsomal ethanol oxidizing system, MEOS)

MEOS 位於內質網中，研究發現體內之 MEOS 系統是透過誘導 CYP2E1 來代謝酒精轉化為乙醛，不同的是此代謝方式會產生大量 ROS，其中又以超氧 自由基 (superoxide free radicals) 與氫氧自由基 (hydroxyl free radicals) 為最多 (Porta, 1997)，且研究也指出此酵素系統為長期飲酒者主要之代謝途徑，最多可 代謝人體酒精總量約 40% (Lands, 1998)。

(三) 過氧化氫酶 (catalase, CAT)

存在於過氧化小體 (peroxisome) 內，其代謝酒精之方式主要為透過催化過 氧化氫代謝成水，因此 CAT 代謝速率與過氧化氫含量有關，雖然當血液中酒精 濃度超過 0.02% 時 CAT 就會產生作用，不過因體內自然產生過氧化氫之效率 相當低，所以此一途徑可代謝酒精之能力非常有限 (Lands, 1998; Lieber, 1982)。

二、酒精性肝臟疾病 (alcoholic liver disease, ALD)

ALD 之成因如圖 1-3 所示。ALD 是指長期過量飲酒導致之肝臟損傷與病 變，其病理發展與發生率包含酒精性脂肪肝 (alcoholic fatty liver；80-90%)、酒 精性肝炎 (alcoholic hepatitis；10-35%)、酒精性肝纖維化 ( liver fibrosis；20-40%)、

酒 精 性 肝 硬 化 (cirrhosis ；8-20%) 及肝癌 (hepatocellular carcinoma ；3-10%) (Altamirano and Bataller, 2011; McCullough and O'Connor, 1998)。早期對於 ALD 之研究大多以酒精代謝產物乙醛為主要研究焦點，大量乙醛可與細胞膜蛋白及血 中蛋白質結合，影響許多器官正常代謝 (Lin et al., 1988)，例如白蛋白、脂蛋白、

粒線體蛋白質及游離胺基酸等 (Donohue et al., 1983; Nomura and Lieber, 1981;

Stevens et al., 1981)，而這也是攝入大量酒精後會有噁心、嘔吐、頭痛及血壓上 升等宿醉現象之原因 (Lieber, 1994)。而近年來則是認為 ALD 之形成與肝細胞

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圖 1-3 酒精性肝臟疾病之成因

Fig. 1-3 The pathogenesis of alcoholic liver disease (Tilg and Day, 2007)

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氧化還原狀態不平衡以及代謝過程所產生之自由基有關 (Lieber, 1985; Porta, 1997)。

肝細胞中氧化還原狀態不平衡係指 NADH/NAD⁺ 比值增加，因 ADH 及 ALDH 參與酒精代謝過程中會大量消耗 NAD⁺，同時產生大量的 NADH，而此 現象會干擾肝細胞之正常代謝功能，進而抑制脂肪酸氧化、促進脂質合成，造成 脂質堆積形成脂肪肝 (Zakhari, 2006)，此外，NADH 增加也會催化丙酮酸合成 乳酸，導致血中尿酸濃度過高產生尿酸結晶，最後使痛風發作 (Klatsky et al., 1986)。慢性酒精攝取也會使體內 MEOS 系統誘導 CYP2E1 代謝酒精，產生大 量 ROS，而 ROS 會破壞肝細胞中之 DNA、蛋白質與脂質等重要物質，使 DNA 斷裂、酵素無法活化、蛋白質變性、脂質過氧化，造成肝臟受損 (Lieber, 2005b)。

另外，酒精也會降低體內抗氧化酵素活性及抗氧化能力，例如超氧化物歧化酶 (superoxide dismutase, SOD)、穀胱甘肽過氧化酶 (glutathione peroxidase, GPX) 等，

促使過氧化脂質大量產生，引起 ALD (Rouach et al., 1997)。除此之外，代謝產 物乙醛亦會造成肝臟中抗氧化劑如穀胱甘肽 (glutathione, GSH) 含量大幅降低 (Oh et al., 1998)。

除了間接造成肝損傷之外，酒精也會直接影響肝細胞之生長週期，Wands 等人之研究建立肝損傷模式後再進行肝臟局部切除手術，發現若於術後繼續攝入 酒精，其肝細胞中 DNA 複製及合成能力大幅降低；反之，術後改為正常飲食 之組別其 DNA 複製及合成能力並無影響 (Wands et al., 1979)。此現象是由於肝 臟有一自我保護機制，為了預防細胞持續損傷，肝臟會使細胞停止週期運作，並 開始修復 DNA，使細胞於複製前將受損 DNA 還原 (Koteish et al., 2002)，不過 在這同一時間代謝產物乙醛也會同時干擾肝細胞週期之 G2 期到 M 期，並開 始進行損害作用 (Clemens et al., 2002; Higgins and Borenfreund, 1986)。

(一) ALD 之相關發炎因子與促發炎激素

細胞激素與發炎、免疫反應及細胞凋亡有關，在外來物的刺激下，許多細胞 例如肝細胞、內皮細胞及星狀膠細胞等皆會分泌細胞激素，並影響周遭細胞及活 化巨噬細胞、單核球細胞和淋巴細胞等參與發炎反應 (Martinez et al., 1992)。酒 精在早期就已有研究明確指出會造成肝臟疾病 (肝炎與肝硬化) (Lelbach, 1976) 和胃潰瘍 (Kvietys et al., 1990)，而組織損傷的主因為巨噬細胞分泌之細胞激素如 interleukins-1 (IL-1)、interleukins-6 (IL-6) 和腫瘤壞死因子 (tumor necrosis factor,

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TNF) 等，這些細胞激素不僅啟動免疫反應，也會參與發炎反應的過程 (Martinez et al., 1992)。

1. 腫瘤壞死因子-α (tumor necrosis factor-α, TNF-α)

TNF-α 參與全身各部位之發炎反應，並為導致急性發炎的主要因子之一，

研究指出許多細胞裡皆有 TNF-α 作用，而肝臟主要是存在於庫氏細胞 (Kupffer cells) 中 (McClain et al., 2004) 。 TNF-α 活 化 後 會 誘 導 粒 線 體 通 透 性 轉 變 (mitochondrial permeability transition, MPT)，導致基質脹大、外膜破裂，最後細 胞凋亡並釋放出更多促凋亡因子 (Bernardi et al., 2001)。此外，TNF-α 也會活化 肝細胞中許多壓力活化蛋白激酶 (stress activated protein kinase, SAPK)，啟動 p38 mitogen activated protein kinase (MAPK) 及 Jun N-terminal kinase (JNK) (Wajant et al., 2001)。

連續以管餵方式給予大鼠酒精試驗誘發 ALD 的研究發現，肝臟中庫氏細胞 之 TNF-α 含量 隨著 肝損傷程 度而提 高 (Lin et al., 1998) ，Adachi 等 人用 gadolinium chloride 使大鼠庫氏細胞凋亡並同時餵食酒精，發現 TNF-α 及其他 細胞激素含量並無提升，防止肝損傷發生 (Adachi et al., 1994)，此外，也可抑制 酒精所造成之脂肪變性 (Jarvelainen et al., 2000)。另外有研究顯示 TNF-α 基因 剔除小鼠餵食大量酒精並不會引起肝損傷 (Kawaratani et al., 2008)，因此目前 TNF-α 已被認為是影響 ALD 發展的關鍵細胞激素 (Kitazawa et al., 2003)。

2. 介白素-1β (interleukins-1β, IL-1β)、介白素-6 (interleukins-6, IL-6)

發炎反應是造成 ALD 的原因之一 (McClain et al., 2005)，IL-1β 藉由刺激免 疫細胞生長及分化造成發炎反應 (Petrasek et al., 2012)，文獻指出 IL-1β 會增加 肝細胞中發炎因子及促脂肪變性趨化因子 monocyte chemoattractant protein-1 (MCP-1)，增強巨噬細胞之發炎反應並引起脂肪變性 (Mandrekar et al., 2011;

Miura et al., 2010)，而抑制 type I IL-1 receptor (IL-1R1) 則能有效治療 ALD (Petrasek et al., 2012)。IL-6 則屬廣效性細胞激素，負責將急性發炎反應轉為持續 發炎，造成組織損傷 (McClain et al., 1997)。長期飲用酒精之患者及動物試驗皆 可發現血清中 IL-6 含量明顯增加 (Khoruts et al., 1991; McClain et al., 1999)。

3. 誘發型一氧化氮合成酶 (inducible NOS, iNOS)

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慢性酒精攝取會增加肝臟中一氧化氮 (Nitric oxide, NO) 產生 (Wang et al., 1995)，NO 與 superoxide 反應之產物 peroxynitrite 已有研究證實為造成酒精性 肝損傷重要因素之一 (Arteel et al., 1999)。NO 由酵素 NOS 代謝 L-arginine 而 來，細胞中 NOS 又分為三種，分別為 neuronal NOS (nNOS)、inducible NOS (iNOS) 及 endothelial NOS (eNOS) (Stuehr and Griffith, 1992)，其中 iNOS 與 ALD 之關係較為密切，在慢性酒精影響下其表現量明顯提高 (McKim et al., 2003)，而酒精造成肝炎之研究也指出，此情況下 iNOS 會大量表現，且與肝臟 發炎程度有相同趨勢 (Deng and Deitrich, 2007; Tang et al., 2009)。iNOS 在正常情 況下不表現，但若當體內發生發炎反應時，其表現量受 NF-κB 調控，NF-κB 又 為上游 MAPK 之轉錄產物，而發炎反應與發炎細胞激素相關，因此可得知細胞 激素與受器結合後促使 MAPK 路徑啟動，提升 NF-κB 活性，進一步增加 iNOS 表現量 (Ruimi et al., 2010)。

4. 促分裂素原活化蛋白激酶 (mitogen-activated protein kinases, MAPK)

多種細胞皆有 MAPK 傳遞路徑，活化的 MAPK 從細胞質進入核中，並刺 激許多轉錄因子產生活性，而 MAPK 一般分為三種：胞外訊息調節激酶 (extra -cellular regulated kinase 1/2, ERK1/2)、c-Jun N 端蛋白質激酶 (c-Jun N-terminal kinase, JNK) 及 p38 (Raingeaud et al., 1995)。哺乳動物的 ERK1/2 透過控制生長 因子參與細胞生殖與分化，而 JNK 及 p38 則是有刺激產生時才會被啟動，例 如滲透壓休克、缺血性損傷及發炎細胞激素 (TNF-α、IL-1β) 等 (Kyriakis and Avruch, 2001)。

酒 精 在 腸 道 中 會 改 變 腸 道 通 透 性 ， 使 腸 道 內 之 細 菌 內 毒 性 脂 多 醣 (lipopolysaccaride, LPS) 進 入 肝 臟 ， 經 巨 噬 細 胞 TLR4 辨 識 後 ， 活 化 下 游 ERK1/2 與 p38 傳遞路徑，產生 NF-κB 及促發炎基因表現，造成肝臟發炎 (Mandrekar and Szabo, 2009; Seth et al., 2010)。此外，酒精也會影響巨噬細胞之 NADPH oxidase，使其活性提升進而產生大量 ROS，增加 ERK1/2 及 p38 磷酸 化，提高 TNF-α 表現 (Thakur et al., 2006)，另有研究指出 CYP2E1、LPS/TNFα 及 JNK/p38 MAPK 三者具協同作用，導致酒精性肝損傷 (Cederbaum et al., 2015)。幾丁聚醣 chitooligosaccharides (COS) 則是可抑制酒精對 p38、JNK 與 ERK 磷酸化，並提升 Nrf-2 來達到保肝作用 (Luo et al., 2014)。

14 5. NF-κB

NF-κB 是位於核內的轉錄因子，調節各種基因表現，例如 iNOS、COX-2 等 細胞激素，而當體內出現細胞凋亡、腫瘤形成、自體免疫疾病及發炎反應的情況 時，皆會發現 NF-κB 表現 (Lawrence et al., 2001)。NF-κB 為同源二聚體 p50 及 異源二聚體 p65 之複合物 (Baldwin, 1996)，正常情形下 NF-κB 與抑制蛋白 Iκ -Bα 結合，形成不活化複合物存在於細胞質中，使 NF-κB 無法進入核中調控相 關基因 (Miyamoto and Verma, 1995)，而當有發炎情形時，IKK-α complex 便會 活化，並進一步降解 IκBα 形成 IκB，釋放 p65/p50 二聚體至核內啟動轉錄 NF-κB 機制 (Baldwin, 1996; Zandi et al., 1997)。

餵食雄性 Wistar 大鼠酒精液態飼料誘發肝損傷試驗結果發現，活化 NF-κB

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