血管老化在动脉粥样硬化中的研究进展

张琦悦，张伟丽

(中国医学科学院 北京协和医学院 国家心血管病中心 阜外医院 心血管疾病国家重点实验室，北京 100037)

心血管疾病位居我国城乡居民死亡原因首位，《中国心血管健康与疾病报告2020》指出，2018年我国心血管疾病死亡人数在城乡居民总死亡人数中分别占比46.66%和43.81%，已成为重大公共卫生问题[1]。随着中国老龄化社会的到来，未来十年我国心血管疾病发病率和死亡率仍会持续攀升。

动脉粥样硬化是冠心病、心肌梗死、缺血性脑卒中等多种心脑血管疾病的共同发病基础。高龄是动脉粥样硬化的主要独立危险因素，45岁以上男性和55岁以上女性患颈动脉粥样硬化的风险显著增加[2]。年龄相关的血管老化参与动脉粥样硬化的发生发展，缺血性心肌梗死和脑卒中等均与血管的老化病变有关。衰老导致的心血管结构和功能改变在老年人动脉粥样硬化性心血管疾病的易感性、严重程度及疾病预后方面发挥关键作用[3]。本文将介绍血管老化的特征性变化，并阐述血管老化在动脉粥样硬化发生发展中的重要作用及相关防治措施，以期为老年心血管疾病的诊断和治疗提供指导。

1 血管老化的特征表现

血管老化是血管本身出现的结构和功能上退行性改变，可分为生理性血管老化和病理性血管老化。二者区别在于前者是由机体程序性衰老所致；后者是由环境、营养和疾病等原因导致血管的老化速度加快，提前进入衰老而出现的病理性质的改变。

1.1 血管老化的结构性变化及其与动脉粥样硬化的关系

老化血管的结构性重塑主要体现在3个方面：血管壁增厚、血管壁弹性下降和血管腔扩张。

1.1.1 血管壁增厚:血管老化的特征之一是血管壁增厚，且主要表现为血管壁内膜和中膜增厚。老化血管的内皮完整性下降，血管内皮组织中单核细胞趋化蛋白1、细胞间黏附因子、血管细胞黏附因子等表达量升高，促使血管中膜的血管平滑肌细胞(vascular smooth muscle cells，VSMCs)增殖并迁移至内膜下层[4]。研究发现在动脉粥样硬化发生早期，内皮细胞外间隙积聚的脂质和巨噬细胞与内膜中的VSMCs共同形成动脉粥样硬化的早期病变。颈动脉呈现出明显的随年龄增加的血管壁增厚。一项横断面研究分析了20～90岁各年龄阶段的健康人群的颈动脉壁内膜-中膜厚度(carotid intima media thickness，CIMT)，发现老年组(90岁)CIMT约为青年组(20岁)CIMT的2～3倍[5]。年龄相关的CIMT增厚提示了患动脉粥样硬化的风险增加。一项前瞻性研究针对1 257名芬兰东部男性进行了为期2年的随访，评估CIMT与急性心肌梗死风险之间的相关性，结果表明CIMT每增加0.1 mm，急性心肌梗死的风险增加11%[6]。CIMT随着年龄的增长而加速增厚，增厚速率从50岁时的0.02 mm/10年增加到80岁时的0.05 mm/10年，男性CIMT的增速高于女性[7]。

1.1.2 血管壁弹性下降:血管壁弹性下降是动脉老化的主要表现之一，可引起血管顺应性下降，进而导致收缩期高血压、心室肥大、心房纤维化等。动脉硬化是多因素共同作用的结果，一方面，衰老过程中血管中的基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)酶原激活使血管壁细胞外基质降解失调，细胞外基质中弹性纤维变薄、断裂，胶原蛋白和体内逐渐积累的糖基化终产物形成交联，导致血管弹性降低；另一方面，年龄增长促使血管壁中的VSMCs因衰老和凋亡而减少，并表达成骨相关基因，使大动脉中钙沉积增加，发生血管钙化[8]。血管弹性与动脉粥样硬化联系密切，目前临床中已有无创式的动脉弹性功能的检测方法，如颈-股动脉脉搏波速度(carotid-femoral pulse wave velocity，CfPWV)。Vlachopoulos等[9]对17 项纵向研究进行了荟萃分析以评估主动脉PWV的预测价值，研究对象包括高血压、糖尿病、终末期肾病患者和健康人群共15 887名。结果显示主动脉PWV是心血管事件和全因死亡率的强有力的预测因子，主动脉PWV每增加1 m/s，总心血管事件以及心血管事件死亡率分别增加14%和15%，而且主动脉PWV在基线心血管风险高的人群中更具有心血管疾病预测价值。

1.1.3 血管腔扩张:血管腔扩张是除血管壁增厚、硬化外，血管老化过程中的另一种特征表现。目前血管腔扩张的具体机制尚不清楚，一方面，可能由于血管为适应各种风险因素导致的血压升高、血管壁增厚或斑块出现而形成的代偿性反应；另一方面，老化血管本身组成成分发生改变，血管壁中弹性纤维含量减少而胶原纤维增加，在一定程度上导致血管腔扩张[10]。血管腔扩张与心血管发病风险密切相关。Sedaghat等[11]从4个前瞻性队列研究数据(包括Rotterdam研究、NEPHROTEST研究、Hoorn研究和Braser等人的研究)中纳入4 887名参与者[平均年龄(67 ± 9)岁；女性54%]进行荟萃分析。研究人员采用血管壁回声跟踪技术测量颈总动脉参数，调整心血管危险因素后，发现较大的颈动脉直径与脑卒中相关。颈动脉直径最高三分位数(直径>8 mm)与最低三分位数(直径<7 mm)的个体相比，卒中发生率更高(风险比1.5, 95% 置信区间 1.1～2.0)，但与冠心病风险无关。颈动脉直径是评估与心血管疾病风险的一个重要因素。

1.2 血管老化的功能性变化

衰老相关的血管内皮功能障碍可引起内皮细胞(endothelial cells，ECs)分泌的血管调节因子水平发生改变，如内皮素-1(endothelin-1，ET-1)、一氧化氮(nitric oxide，NO)、内皮依赖性超极化因子等，导致血管的收缩与舒张功能受损，是心血管疾病的重要发生机制[12]。随着年龄增长，老化的心血管系统产生过量的氧自由基导致氧化应激，而氧化应激会降低血管保护和血管舒张因子NO的生物可利用性。NO的产生和生物利用度在血管老化过程中的动态变化是解释血管舒张反应受损的重要机制。早在2002年Minamino等[13]发现缺血性心脏病死者的冠状动脉中存在衰老的ECs。人为诱导人主动脉内皮细胞衰老并检测内皮细胞中一氧化氮合酶(nitric oxide synthase，NOS)活性，显示衰老ECs出现功能障碍：NOS活性下降，NO合成减少。这种年龄相关的NOS活性降低可部分归因于氧化应激、NOS的翻译后修饰，包括控制催化活性的蛋白质修饰、脂肪酸酰化，底物和辅因子可利用性，磷酸化程度，以及蛋白质-蛋白质相互作用等[14]。

血管老化过程中内皮源性ET-1可部分拮抗NO对血管的有益作用。ET-1主要存在于ECs中，通过激活内皮素受体A和内皮素受体B发挥强大的血管收缩和促炎作用。ET-1及其相关多肽的水平随年龄增加而发生改变，其前体肽C-端内皮素1与年龄增长呈正相关[15]。Donato等[16]从56名健康男性的肱动脉和外周静脉中获取ECs并检测ET-1的表达，发现ET-1蛋白在来源于老年男性的ECs中表达量增加，并且与内皮依赖性舒张功能障碍相关。在老年小鼠中给予内皮素受体A抑制剂，可选择性地降低ET-1信号，从而改善老年小鼠的内皮依赖性舒张功能障碍。ET-1在高血压、心肌重塑、心肌梗死中具有广泛的预测和评估价值[17]。

血管老化呈现出明显的结构性和功能性变化，二者之间相互关联，如血管壁直径与血管舒张功能呈负相关，血管收缩和舒张功能改变可以直接影响血管壁直径和管壁张力。对血管结构和功能的综合评定有利于认识到血管的真实生理状态，评估个体患心血管疾病的风险，为采取针对性措施防治相应疾病提供参考。

2 血管细胞衰老与动脉粥样硬化的关系

血管细胞衰老分为2类：随细胞分裂、端粒缩短引发的复制性衰老，以及外部环境刺激诱发的应激性衰老。多项研究发现在动脉粥样硬化斑块病变处可观察到VSMCs、ECs等血管细胞的衰老现象。端粒磨损、线粒体功能障碍及炎性反应在血管细胞衰老过程中的重要作用得到广泛关注。

2.1 端粒磨损

端粒磨损是细胞衰老的典型特征之一。随着年龄增加，端粒长度不断缩短，与动脉粥样硬化危险因素和动脉粥样硬化性心血管疾病之间存在交互作用。一方面，炎性反应、氧化应激以及不良生活方式等可加速端粒磨损，另一方面，端粒缩短导致细胞老化及功能异常，也会促进动脉粥样硬化的发展。

在体外培养的人主动脉内皮细胞研究显示，端粒重复序列结合因子2(telomere repeat binding factor 2, TRF2)基因表达水平增加可延长细胞寿命，抑制细胞间黏附因子表达，增加NOS蛋白水平。细胞间黏附因子和NOS均参与动脉粥样硬化斑块的形成，提示端粒和端粒酶在动脉粥样硬化过程中发挥重要作用[13]。外周血白细胞端粒长度可作为评估心血管疾病风险的标志物。O’Donnell 等[18]检测1 062名33～86岁个体(496名男性，566名女性)的外周血白细胞端粒长度和CIMT，发现端粒长度缩短与CIMT呈负相关，进一步的性别分层分析显示这种关联在男性中更显著。本课题组研究发现外周血白细胞端粒长度缩短与脑梗死、出血性脑卒中的高风险密切相关，长期随访结果显示在端粒长度短的脑梗死患者中，卒中的再发风险高，预后更差[19]。端粒长度受到遗传因素的影响，个体出生时的端粒长度是影响整个生命周期端粒长度的关键因素。因此，有研究认为，遗传性端粒较短的人群的血管组织提前衰老的风险增加，从而更易患动脉粥样硬化及相关心血管疾病[20]。

2.2 线粒体功能障碍

细胞衰老的另一个显著特征是活性氧产生增多。线粒体呼吸链是活性氧自由基的主要来源，线粒体来源的活性氧自由基可以通过DNA损伤和DNA损伤反应信号通路加剧细胞衰老[21]。线粒体产生的活性氧自由基也会攻击线粒体自身，线粒体的蛋白质、类脂和DNA均可被氧化修饰，造成线粒体功能障碍。

衰老相关的线粒体功能障碍会加速动脉粥样硬化。线粒体DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)的氧化损伤是引起动脉粥样硬化的主要影响因素之一，在动脉粥样硬化发生之前即对血管结构与功能产生影响。Foote等[22]在野生型C57BL/6小鼠中进行研究，发现正常血脂小鼠在44周龄时颈动脉顺应性和扩张性下降，PWV增加，血管mtDNA损伤增加，线粒体功能出现障碍，该现象在72周龄时更加明显。进一步研究发现小鼠中参与维护mtDNA完整性的mtDNA解旋酶Twinkle的表达量减少。野生型C57BL/6小鼠在44周时发生的血管老化现象在Twinkle转基因小鼠中推迟至72周龄时出现。Yu等[23]分别在动脉粥样硬化患者和ApoE-/-小鼠中探究内源性的mtDNA损伤水平是否能引起线粒体功能障碍并对粥样硬化斑块造成影响。结果显示动脉粥样硬化斑块部位表现出mtDNA损伤，线粒体呼吸减少，过表达Twinkle基因可增加mtDNA的完整性和拷贝数，不仅使线粒体呼吸得到改善，还使动脉粥样硬化病变处的纤维帽增加40%，坏死核心区域减少20%，增强了动脉粥样硬化斑块的稳定性。以上结果表明，线粒体基因组稳定性对于维护血管健康具有重要意义，维持和恢复mtDNA完整性和线粒体功能可能是一种较为理想的治疗策略。

2.3 血管炎性反应

衰老细胞如VSMCs、ECs、巨噬细胞、成纤维细胞等均伴随有细胞衰老相关的分泌表型，分泌产生促炎白介素(interleukin，IL)因子(包括IL-6、IL-8、IL-12等[24])和参与细胞外基质重塑的酶(如MMP-1、MMP-3、MMP-10、MMP-12等[25])。衰老相关的血管炎性反应是动脉粥样硬化和冠状动脉斑块不稳定的关键影响因素。血液中的白细胞如淋巴细胞、单核细胞等在细胞间黏附因子及趋化因子介导下向血管内皮积累，形成动脉粥样硬化斑块，继续释放一系列细胞因子维持血管局部炎性反应长期存在，加剧血管老化，从而形成“血管老化-促炎性微环境-动脉粥样硬化”的恶性循环[26]。

在动脉粥样硬化初期，血管壁局部主要表现为增生性炎性反应。血管ECs和VSMCs释放成纤维细胞调节因子如血小板衍生因子，促使VSMCs大量增殖并由中膜迁移至内膜下层，分泌大量的细胞因子和黏附因子参与炎性反应。在动脉粥样硬化中后期，炎性反应参与病变处斑块破裂、血栓形成等过程。活化的巨噬细胞、ECs产生多种MMPs，降解维持斑块稳定的胶原纤维和细胞外基质，诱发斑块破裂。在血管炎性反应介导的动脉粥样硬化中，IL-6是一种发挥重要作用的促炎细胞因子，IL-6表达水平随衰老而升高。Song等[27]研究衰老对血管细胞炎性反应的作用，体外分离培养小鼠主动脉VSMCs，检测培养基上清液中细胞因子，发现与年轻小鼠(2～4月龄)相比，老龄小鼠(16～18月龄)的VSMCs中IL-6水平更高，提示IL-6可能对心血管产生不利影响。但Madan等[28]在ApoE+/-小鼠中研究发现IL-6缺乏反而促进动脉粥样硬化发展。不一致的实验结果可能源于IL-6在经典途径与反式信号途径中发挥的作用不同。在经典信号通路中，IL-6直接与细胞膜表面的IL-6受体(主要在肝细胞和各种白细胞上表达)结合，并与膜结合糖蛋白gp130形成信号复合物，该途径有利于机体的抗炎反应。在非经典途径之中，IL-6和可溶性IL-6R的循环可溶性部分可组成循环二元复合物，在不表达IL-6受体的细胞中激活gp130，IL-6的反式信号途径的激活通常会导致慢性炎性反应，增加年龄相关的动脉粥样硬化风险[29]。

3 针对血管老化减缓动脉粥样硬化的策略

目前应对血管老化的策略主要分为生活方式改变和药物治疗两大方向，涉及细胞衰老、炎性反应、表观遗传修饰、能量感知等多个关键领域。

保持良好的生活习惯有利于减缓血管老化和动脉粥样硬化。长期坚持体育运动尤其是有氧运动可以抑制氧化应激和炎性反应，改善血管的结构和功能[30]。运动使血流对血管内皮的剪切力发生改变，可作为一种生理刺激促进内皮细胞合成NO等抗动脉粥样硬化的血管活性物质[31]。研究发现使用跑步轮的老年小鼠NADPH氧化酶和炎性介质NF-κB在血管中的表达水平近似于年轻小鼠[32]。除了加强运动之外，均衡饮食、限制每日卡路里摄入量、戒酒、戒烟等均有助于预防血管老化[33]。

抗衰老药物的研发始终是血管老化领域的热点。研究发现几种天然或化学合成物的小分子物质可在血管衰老的关键途径中发挥调控作用，起到延缓血管衰老的效果。例如，Sirtuin6蛋白可通过其脱乙酰酶活性维持端粒完整性，延迟VSMC衰老并抑制动脉粥样硬化[34]。达沙替尼和槲皮素可选择性清除衰老细胞从而达到延缓衰老的目的。一期临床结果显示，糖尿病肾病患者连续3 d服用达沙替尼(100 mg)和槲皮素(1 000 mg)的组合，11 d后患者血浆中与衰老相关的细胞因子如IL-1α、IL-6、MMP-9 和MMP-12水平下降[35]。目前的主要药物干预措施绝大多数处于动物实验研究阶段，真正应用于疾病治疗还需要临床实验来评价其疗效及不良反应。

4 小结与展望

血管老化在动脉粥样硬化性心血管疾病中的作用已逐渐得到重视。伴随年龄增加，老化血管会出现血管壁增厚、硬化、血管腔扩张，正常收缩和舒张功能受损等现象，并与心血管疾病发病风险相关，可作为血管衰老的评价指标，对临床中动脉粥样硬化性疾病的预防和诊断起到提示作用。端粒磨损、线粒体功能障碍以及炎性反应等在血管老化过程中发挥着重要作用，可以为干预血管老化过程以及延缓相关疾病提供新思路。尽管如此，由于影响血管老化过程的因素众多，未来研究需要聚焦血管老化与慢性动脉粥样硬化疾病之间的相互作用，明确其中关键的通路和靶点，同时应认识到动物模型及体外实验的局限性，将血管老化的研究成果与临床研究结合起来。