晚期糖基化终产物在糖尿病诱发动脉粥样硬化中的作用

066000 海军92676部队 李爱萍田波

200433 第二军医大学附属长征医院 张灏2

100048 中国人民解放军海军总医院麻醉科 陈宇4

糖尿病的发病率正日益提高。高血糖作为糖尿病的重要指征，通过非酶促的糖基化反应促进晚期糖基化终产物(AGEs)的生成。而AGEs在血液和组织中沉积，通过直接修饰蛋白质使基质功能和脂质代谢紊乱，通过受体介导的信号传导机制与参与动脉粥样硬化的细胞作用，促进动脉粥样硬化病变。动脉粥样硬化则是糖尿病常见的并发症和最重要死因[1-2]。长期暴露于高血糖环境被认为是糖尿病患者动脉粥样硬化的主要因素[3]。关于这一问题主要有3种解释：非酶促反应的糖基化即AGEs的形成，氧化应激和蛋白激酶C活化引起生长因子的表达。3种因素密切相关[2-4]。ALT-711和氨基胍等药物通过抑制AGEs的形成和阻断作用通道来减缓病变的发生。本文主要对糖尿病如何通过AGEs诱发动脉粥样硬化以及可能治疗途径作一综述。

1 AGEs的形成与结构

传统认为AGEs主要是通过非酶促的美拉德(Maillard)反应来形成的[5]。Maillard反应是氨基化合物(如胺、氨基酸、蛋白质等)和羰基化合物(如还原糖、脂质以及由此而来的醛、酮、多酚、抗坏血酸、类固醇等)之间发生的非酶反应，也称为羰氨反应(Amino-carbonyl reaction)。Hodge在1953年提出Maillard反应有3条可能的反应途径：①初级反应阶段。还原糖的羰基与氨基之间进行加成，加成物迅速失去1分子水转变为希夫碱(Schiff base)。②经环化形成相应的N-取代醛基胺，经Amadori重排转成有反应活性的Amadori产物。其中最熟知的是糖基化血红蛋白(HbA1c)和果糖胺(fructose)。③果糖胺等又经过一系列复杂的分解和化学重排反应最终形成了AGEs——类黑精色素或叫做褐色含氮色素。果糖胺也可降解为葡萄糖或者是更为活跃的己糖，从而直接修饰蛋白质。褐色色素不是由单一构成单位重复构成，而是由不同构成单位构成的非常复杂的结构。1984年，Pongor首次将这类物质命名为AGEs。AGEs的形成是不可逆转的。AGEs多为一些棕黄色荧光化合物，具有高的交联性和低的溶解度，并且都能够产生活性氧产物(ROS)。后来又有新的理论提出，还原糖可以通过自身氧化形成活性羰基物如乙二醛和甲基乙二醛，它们与蛋白质反应生成糖基氧化产物[6]。又有人提出过氧化亚硝酸盐可以通过氧化断裂Amadori产物和产生双羰化合物来产生AGEs[7]。许多脂氧化产物也可发生类似Maillard反应，产生晚期脂氧化终产物(ALEs)[8]。

AGEs的形成与血糖浓度及暴露于血糖的时间成正相关[9]。另外局部的适合于氧化应激的环境也大大促进其形成，并且AGEs的形成受过渡元素金属离子的催化[10]。在各种还原糖中，葡萄糖的糖基化速度是最慢的[11]。因此，Maillard反应在体内进行的比较慢。但在糖尿病患者中高血糖和加强了的氧化应激都加速了AGEs的形成。这意味半衰期短的分子如载脂蛋白都可以成为靶点。另外吸烟、食物也可以导致外源性的AGEs的形成[12-13]。但它们在糖尿病并发症中起什么作用还尚无明确的结论。

AGEs包括众多复杂的化合物，主要有羧甲基赖氨酸(CML)、羧乙基赖氨酸(CEL)、咪唑酮(Imidazolone)、乙二醛赖氨酸二聚体 (GOLD)、甲基乙二醛赖氨酸二聚体(MOLD)、Pyrraline、Pentosidine等等[14]。其中，CML在体内最明显，被研究也最多[15]。

AGEs修饰的组织和细胞的清除主要是由组织巨噬细胞通过特定受体进行的。AGEs被降解为小分子量的可溶性的低分子糖基化终产物(LMW-AGEs)，然后经肾排出。现在认为肝脏是血循环中AGEs的主要代谢位点[16-17]。肝枯否(kupffer)细胞主要内吞大的颗粒和凝聚物，而窦状隙内皮细胞则通过笼形蛋白进行特异性内吞。主要有5种受体：甘露糖受体、清道夫受体、透明质烷/清道夫受体、胶原α链受体、丙种球蛋白F成分受体，其中清道夫受体被认为起了主要作用。但有人提出异议，认为AGEs的慢生成率、快摄取速度以及充分快速的血流很可能使体内的AGEs无法达到阈值[18]。另外一个问题是AGEs的摄取很可能还依靠其他物质的参与[16]。体外实验证实胰岛素可以通过IRS和PI3激酶途径来促进AGEs的清除，原因可能为加速了清道夫受体介导的内吞、囊泡运输、溶酶体水解和外排[19]。值得一提的是LMW-AGEs还可以作为底物与其他蛋白质反应生成新的AGEs。因此，肾功能不全的患者其体内AGEs也显著升高。

2 AGEs与糖尿病并发动脉粥样硬化的关系

AGEs在正常人中也会形成，但在糖尿病人的组织和血液中明显增强[20-21]。在家兔身上模拟糖尿病患者AGEs血液浓度证实AGEs可以诱导动脉粥样硬化的形成[4]。另有证据显示AGEs修饰LMW-AGEs也是重要的损伤介质，尽管因果关系尚未完全证实[22]。

AGEs的种类多样性使得它的作用也很多。目前认为AGEs可以通过非受体依赖的直接作用和间接受体介导的信号传导来加速动脉粥样硬化的发生发展。

2.1 非受体介导机制 糖基化蛋白质改变了分子构象，影响了酶的活性、受体识别及正常降解。这些病变发生在与动脉粥样硬化相关的分子，使它们结构和功能改变，加速病变。

2.1.1 AGEs对细胞外基质的影响 体内外研究证实AGEs可以与细胞外基质半衰期长的蛋白质如Ⅳ型胶原、层粘连蛋白、纤维结合蛋白之间形成不可逆的交联[23]。这种病理的交联使基质的硬度大大增加，从而影响了功能，并且抵抗正常的蛋白水解酶的水解，影响了基质的更新[24]。AGEs修饰的胶原对动脉粥样硬化具有相当大的促进作用。病变的胶原抑制了正常网状结构的形成。血液中可溶性的低密度脂蛋白(LDL)以及免疫球蛋白(IgG)也可以结合到胶原上。病变的层粘连蛋白则降低了聚合体的自动装配和与Ⅳ型胶原以及硫酸类肝素蛋白多糖的聚合交联。硫酸类肝素的缺乏则通过产生过量的生长调控因子促进了其他基质的增生[9]。胶原连锁的AGEs还可以清除NO，造成了血管舒张的障碍[25]，从而引起被认为与动脉粥样硬化密切相关的内皮功能障碍[26-27]。同时，AGEs可诱导强烈收缩作用的内皮素(或蛙皮素)表达[28]。

2.1.2 AGEs对脂代谢的影响 糖基化可以发生在载脂蛋白B和LDL的磷脂部分，使得LDL的清除速率下降，并且对氧化应激修饰更加敏感[29]。AGEs的形成与氧化应激是一种相互促进的关系[30]。

临床研究表明与正常人相比较，糖尿病患者AGEs修饰的LDL水平明显提高。血液LDL可以与血管壁糖基化的胶原蛋白结合交联形成不可逆的网状结构。这种结构可以阻止已侵入血管壁内的LDL颗粒的正常外流，促进胆固醇在内膜的沉积。这种网状AGEs造成的脂蛋白的沉积反应与血浆中LDL浓度无关[30]。糖基化的载脂蛋白B主要发生在位于与LDL受体相识别的位点带正电荷的赖氨酸残基上，从而使体内受体介导的LDL的清除速率大大降低[31]。

在人成纤维细胞，糖基化的LDL通过特异受体的清除下降了，而单核细胞起源的巨噬细胞则通过一种低亲和性非特异性的清道夫受体增加了内吞[3]，刺激了作为早期动脉粥样硬化标志的泡沫细胞的形成[32]。

2.1.3 对补体调节蛋白的影响 补体调节蛋白CD59的糖基化造成了活性降低，使补体活化和膜攻击复合体(MAC)生成增加。血管沉积的MAC通过结合内皮细胞释放血小板衍生的生长因子、成纤维细胞生长因子、细胞因子等促进成纤维细胞和平滑肌细胞的增生。

2.2 受体介导的作用机制 AGEs的很多功能都是借助于特定的受体和结合蛋白而实现的[27]。第一个得到克隆的是RAGE(the receptor for AGEs)。RAGE属于免疫球蛋白超家族，质量为45千道尔顿[22]。RAGE分布于包括单核巨噬细胞、T淋巴细胞、内皮细胞、平滑肌细胞、肾小球系膜细胞、神经元、肿瘤细胞等在内的多种细胞表面。人类的RAGE基因位于6p21.3，含11个外显子，属单拷贝基因。该基因启动子区域内存在3个核因子NF-κB样结合位点和两个特异蛋白1结合位点。其中的两个NF-κB样结合位点能直接影响RAGE基因的表达，二者同时发生突变将显著减少RAGE基因的表达；而特异蛋白1结合位点不直接影响RAGE基因的表达。RAGE存在多种剪接变异体，其中esRAGE主要分布在人脑星形胶质细胞和外周血单核细胞的胞膜上，而N端可变免疫球蛋白样结构域缺失的RAGE及可溶性C端跨膜结构域缺失的RAGE这两种剪接变异体可与全长RAGE一起表达于血管内皮细胞和周细胞的细胞膜上[33]。它们的作用尚不得知，可能的机制为可溶性的RAGE与全长RAGE的平衡可能在AGEs介导的功能障碍起作用[34]。除了RAGE，许多别的受体也相继被确认：AGE-R1(p60)、AGE-R2(蛋白激酶C底物)、AGE-R3(半乳凝素-3)、溶菌酶、巨噬细胞清道夫受体、凝集素样氧化低密度脂蛋白受体-1(LOX-1)、CD36[22]。每一个AGEs受体都是非特异性的，可以与很多分子结合并被激活。这些分子也不一定是AGEs。如RAGE就可以与Amphoterin、S100蛋白和淀粉肽等结合。这种配体受体的复杂性值得进一步研究。

在糖尿病血管中，RAGE的表达与其配体的浓度成正相关[35]，并且RAGE与配体作用后还会使受体表达增加，形成独特的正反馈现象[28]。RAGE与配体作用的最重要的结果就是细胞激活，从而导致氧化应激的增强和一系列的信号传导作用。

内皮细胞表面受体同时介导了AGEs的摄取，胞转吞作用和信号传导作用。AGEs与内皮细胞表面受体结合，使细胞内的ROS产生增多，可能原因是活化了尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶(NADPH oxidase)。ROS又使得与氧化应激和炎症损伤密切相关的NF-κB和血管细胞黏附分子-1(VCAM-1)表达增加[36]。作为转录因子又活化了众多炎症和动脉粥样硬化相关基因的表达，主要有肿瘤坏死因子(TNF-α and TNF-β)，白(细胞)介素-1，6，8(IL-1，IL-6 and IL-8)，干扰素-γ(IFN-γ)，E-选择蛋白，细胞间黏附分子-1(ICAM-1)。由于RAGE细胞溶质尾段包含了已知磷酸化作用位点，激酶域以及其他RAGE活化必须的位点，所以细胞活化还需其他分子的参与[28]。另外，RAGE与配体作用还使得内皮细胞的屏障功能损害，通透性增加，利于脂质以及大分子穿过内皮单层[37]。体外实验证实二者相互作用还使得血栓调节蛋白合成减少及组织因子生成增多，使抗凝血作用受损。AGEs还可能通过5-羟色胺引起血小板聚集，影响血栓及动脉粥样硬化[38]。

AGEs与单核细胞表面受体结合，使得单核细胞活化为巨噬细胞，血小板来源的生长因子(PDGF)、胰岛素样生长激素-1以及促炎症反应细胞因子IL-1β和TNF-α增加。可溶性的AGEs则使单核细胞趋化性增强，使其穿过完整内皮。不溶性的AGEs则使其迁移能力下降，这有助于单核细胞固定于AGEs沉积的部位，如血管内膜。RAGE的过度表达还使基质的金属蛋白酶增多，增加了斑块的不稳定性[28]。

在平滑肌细胞，RAGE与配体作用使其增生和纤维结合蛋白生成增多[39]。AGEs与蛋白激酶C在主要依靠胰岛素来维持糖浓度的细胞内，高血糖被认为通过活化蛋白激酶C系统来促进动脉粥样硬化。糖基化过程的中间产物磷酸二羟丙酮、甘油醛使得作为蛋白激酶C活化的主要的内源性细胞辅助因子的二酰基甘油生成增多。蛋白激酶C活化使得生长因子过度表达，基质及平滑基细胞大量增生[3]，并且促进氧化应激和过氧化物生成[27]。

3 以AGEs为靶点的药物研究

当前的药物研究主要集中在阻止AGEs形成、交联以及AGEs-RAGE的相互作用[22]。肼化物氨基胍是第一个发现的抑制剂[40]。它主要通过诱捕中间产物而减少AGEs合成。但它可能具有引起肾损伤、维生素B6缺乏病以及神经毒性等很多副作用[8，28]。具体应用还需进一步的临床实验验证。其他药物如吡哆胺(Pyridoxamine)等也在临床实验中。能够清除沉积在基质中的AGEs的匹马吉定(Pimagedine)和交联破坏剂ALT-711可能具有良好的前景[41]。抑制AGE-RAGE的相互作用可能也会有良好的效果，但RAGE及其配体的多样性，以及众多的后续反应机制不甚清楚，使得这方面的进展很少。

综上所述，AGEs生成、结构的复杂性，作用途径和作用的多样性使得其导致动脉粥样硬化的机制尚未完全清楚，特异性的药物研究也因此而受到抑制。另外，在非糖尿病动脉粥样硬化患者中，AGEs浓度也有明显升高，提示AGEs与动脉粥样硬化的因果关系是否成立尚有疑问。将来，可能会进一步阐明AGEs、糖尿病、动脉粥样硬化三者之间的关系，AGEs与其受体之间的相互作用，从而有利于研制靶向性的特异药物。

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