内皮细胞功能异常与动脉粥样硬化的研究进展

毕一鸣 曹丰

(解放军总医院第二医学中心国家老年疾病临床医学研究中心 解放军医学院，北京 100853)

内皮细胞不仅参与构成外周组织和循环系统之间的生理性屏障，还能主动调节血流变化、血管张力、血小板功能和参与维持内环境稳态。心血管疾病患病率随年龄增加而逐渐增加，与年龄增加相关的动脉管壁硬化和内皮细胞功能障碍与心血管疾病的发生密切相关[1]。高血糖、高脂血症、炎症反应以及其他代谢性应激因素导致内皮细胞功能障碍的发生，同时更多研究表明内皮功能障碍直接导致代谢紊乱发生，因此内皮细胞功能障碍在心血管疾病的病理生理过程中，尤其是在动脉粥样硬化、心肌梗死后缺血再灌注损伤和心室重塑方面发挥重要作用[2]。

1 血管内皮细胞的生理功能

血管内皮细胞主要构成心血管系统的血管内壁，参与血液和组织液之间的选择性体液渗透交换过程，同时其细胞间连接和囊泡的跨膜转运参与血液和人体组织细胞中的物质转运和信息交换[3]。探究心脏中血管内皮细胞的结构及其功能有助于帮助认识血管内皮细胞在心血管疾病的病理生理过程中的作用[4]。正常情况下，血管内皮细胞在人体中处于相对稳定状态，同时参与器官组织的氧气和营养物质供应，但在发生内皮细胞损伤或缺氧等病理生理状态下，内皮细胞可迅速激活并发生血管新生过程，能及时为缺血、缺氧组织提供氧气和营养物质以减缓长时间缺血、缺氧导致的组织损伤[5]。

多种炎症因子和代谢因素对内皮功能具有损伤效应。氧化低密度脂蛋白胆固醇(oxidized low-density lipoprotein cholesterol，ox-LDL-C)促进内皮细胞表面黏附分子的表达，例如细胞间黏附分子-1和血管细胞黏附分子-1(vascular cell adhesion molecule-1，VCAM-1)，进而促进免疫细胞转移至内皮细胞下组织间隙，启动动脉粥样硬化斑块的形成过程，同时免疫细胞在动脉粥样硬化斑块形成的终末阶段通过新生血管迁移进入斑块内部，加快稳定斑块向不稳定斑块的转变[6]。同时内皮细胞的解聚素-金属蛋白酶10(ADAM10)/Notch信号通路可释放Notch细胞内结构域，激活细胞核中Notch相关靶基因的表达，参与调控血管新生过程，促进血管床的生长发育过程[7]。

内皮细胞在血栓形成过程中发挥重要作用。生理条件下，血管内皮细胞分泌多种信号分子调节凝血系统和血小板功能，防止血小板在生理状态下发生黏附和聚集。内皮细胞主要通过分泌前列腺素和一氧化氮(nitric oxide，NO)发挥其生理性抗血小板作用，前列腺素2和NO发挥协同作用，共同增加血小板内部的环磷酸腺苷含量来阻止血小板聚集[8]。当病理状态下，例如动脉粥样硬化斑块破裂，内皮细胞构成的生理性屏障的完整性遭到破坏，血液循环中的血小板通过其表面的糖蛋白与暴露于血液循环中的内皮细胞下胶原和血管性血友病因子相结合完成血小板的黏附过程，同时血管局部的高强度血管剪切力或肾上腺素诱导血管内皮细胞分泌大量血管性血友病因子多聚体，捕获血液循环中的血小板，上述两种病理生理过程均能激活血小板，进一步促进血小板分泌5-羟色胺和血栓烷A2，最终导致更多血小板的募集和激活并促进血栓形成[9]。

2 血管内皮细胞稳定性的调节因素

人体中的血流动力学改变直接参与动脉粥样硬化性疾病的病理生理过程，并且调控内皮细胞功能的稳定。由于人体血管的结构和形态差异性导致人体中存在两种血流形式，分别是平直血管中的单向层流(unidirectional laminar flow，UF)和血管弯曲以及分叉处的紊乱血流(disturbed flow，DF)，UF产生的层流剪切力有助于维持血管内皮细胞的正常功能和表型稳定，同时发挥抗动脉粥样硬化斑块形成的作用，而DF往往使血管局部形成振荡剪切力，导致局部血管内皮细胞功能障碍和内皮细胞表现为促炎表型，加速局部血管的动脉粥样硬化斑块生成过程[10]。

UF和DF主要通过机械敏感性转录因子依赖的基因表达参与调控内皮细胞功能和内皮细胞表型，其中DF增强内皮细胞的增殖、炎症反应和氧化还原反应，同时增加内皮细胞向间充质细胞的表型转化，最终导致内皮细胞激活和内皮细胞功能障碍，而UF抑制内皮细胞的增殖、炎症反应和氧化还原反应，并且抑制内皮细胞向间充质细胞的表型转化和糖酵解，有助于维持内皮细胞的结构和功能稳定[11]。肌细胞增强因子2(myocyte enhancer factor 2，MEF2)是维持血管稳态的关键调节分子，在维持内皮细胞的抗动脉粥样硬化表型中发挥重要作用，UF激活细胞外信号调控激酶5使得MEF2a和MEF2c发生磷酸化，进而增强Krüppel样因子(Krüppel-like factor，KLF)家族中的KLF2和KLF4的转录过程，有助于维持内皮细胞的抗炎症反应和抗血栓形成细胞表型[12]。

人体免疫系统和体内炎症反应参与调控内皮细胞的稳定性，自身免疫性疾病往往加速动脉粥样硬化斑块的进展。Ⅰ型干扰素在人体抗病毒防御反应和自身免疫反应中发挥重要作用，但Ⅰ型干扰素处理后的人脐静脉内皮细胞(human umbilical vein endothelial cell，HUVEC)表达更高水平的黏附因子和趋化因子，例如VCAM-1和单核细胞趋化蛋白-1，进而趋化免疫细胞进入内皮细胞下间隙，参与动脉粥样硬化斑块的形成和进展[13]。转录因子EB对于人体的脂质代谢具有重要作用，参与促进脂肪降解和脂肪代谢相关基因的表达[14]，同时转录因子EB通过促进内皮细胞的抗氧化基因表达来减弱氧化应激对内皮细胞的损伤，例如血红素加氧酶-1和超氧化物歧化酶-2，从而发挥抗炎作用，在内皮细胞中过表达转录因子EB能抑制内皮细胞的炎症反应和延缓小鼠动脉粥样硬化斑块的进展[15]。

3 血管内皮细胞功能异常参与动脉粥样硬化的病理生理过程

血管内皮细胞功能障碍是指内皮细胞在不同病理生理刺激下，包括高胆固醇血症、糖尿病和代谢综合征、高血压、性激素失调、衰老、氧化应激反应以及感染性因素等，导致血管内皮细胞的正常功能表型发生多种非适应性改变，从而影响血管内皮细胞调节止血/血栓平衡、血管局部张力、氧化还原平衡以及急性和慢性炎症反应之间的平衡的正常生理功能[16]。内皮细胞功能障碍参与多种心血管系统疾病的病理生理过程，人体内活性氧和抗氧化系统之间失衡是导致内皮细胞功能障碍的主要原因。同时NO生物利用度降低，包括NO生成减少和降解增加往往意味着内皮细胞功能障碍的开始[17]。动脉血管的易损区在动脉粥样硬化的早期病理生理过程容易出现血管内皮细胞功能障碍，导致血液循环中的脂蛋白颗粒局限性渗透至内皮下间隙，同时发生脂蛋白的理化修饰作用，例如形成氧化低密度脂蛋白，随后选择性招募血液循环中的单核细胞进入内皮下间隙，单核细胞在内皮下间隙转变为巨噬细胞，吞噬经理化修饰的脂蛋白而形成泡沫细胞[18]。

动脉粥样硬化斑块的进展与间充质细胞，例如血管平滑肌细胞和成纤维细胞在动脉内膜的沉积密切相关，且间充质细胞通过分泌促炎因子，合成细胞外基质蛋白和金属蛋白酶来促进动脉粥样硬化斑块的进展[19]。目前认为动脉粥样硬化中的间充质细胞主要来源于内皮细胞，由于血流动力学变化导致内皮细胞激活，内皮细胞间的细胞通透性增加导致血管内膜下脂质沉积，同时持续激活的内皮细胞发生内皮-间充质转化，最终导致炎症细胞募集、泡沫细胞形成和平滑肌细胞增殖[20]。内皮细胞表面存在凝集素样氧化型低密度脂蛋白受体-1，能与ox-LDL-C相结合并促进ox-LDL-C的跨内皮细胞转运过程，参与调控巨噬细胞和平滑肌细胞吞噬ox-LDL-C形成泡沫细胞的过程，最终促进脂质成分沉积至血管内膜下组织[21]。

内皮细胞的新陈代谢紊乱在动脉粥样硬化的病理生理过程中发挥重要作用。叉形头转录因子O亚型(the O subfamily of forkhead，FOXO)家族是磷脂酰肌醇3激酶/蛋白激酶B(PI3K/Akt)信号通路的重要组成部分，能调控人体细胞的生长分化及其新陈代谢水平，其中FOXO1作为FOXO家族的关键分子，不仅参与调控血管生长发育，同时通过调控内皮细胞的糖代谢和脂代谢参与调控内皮细胞的新陈代谢水平和动脉粥样硬化的病理生理过程[22]。

内皮细胞凋亡是参与动脉粥样硬化过程的关键环节，内皮细胞作为血管壁的重要组成部分，在维持内环境稳定和组织细胞与血液循环之间信息交换方面发挥重要作用。内皮细胞凋亡过程中产生的细胞外囊泡主要包括外泌体、微囊泡或微粒(microparticles，MPs)和凋亡小体，通过参与蛋白质、microRNA和环状RNA等物质的跨膜转运进行细胞间信号传递，抑制或促进动脉粥样硬化斑块的进展[23]。人体血液循环中内皮细胞来源的MPs是由质膜形成的直径≤1 μm的小囊泡，其中人体中MPs水平升高常意味着内皮细胞激活和细胞凋亡[24]。人体处于3 800 m的高海拔地区相较于处于海平面水平具有更高的血液循环MPs水平，且在高海拔地区通过袖带加压的方式人为给予振荡剪切力更易导致人体血管的舒张功能障碍，进一步提示处于缺氧环境中的血管内皮细胞更易受到振荡剪切力的影响而发生内皮细胞功能障碍[25]。同时内皮细胞来源的MPs中包含多种microRNA，在细胞迁移、增殖和炎症反应中发挥重要作用，当内皮细胞受到外界刺激时，例如氧化应激反应、高胆固醇血症和炎症反应，MPs中的microRNA通过调节多种信号通路参与动脉粥样硬化的病理过程和调节血管功能稳定[26]。白介素-17A在参与体内炎症反应过程的同时，会通过加速损伤血管内皮细胞来促进动脉粥样硬化斑块的进展，而miR-151通过抑制白介素-17A的表达来阻碍炎症反应下的血管内皮凋亡过程，最终阻碍动脉粥样硬化的病理生理过程[27]。

4 针对血管内皮细胞功能异常参与动脉粥样硬化过程的治疗策略研究进展

为降低内皮细胞功能异常对动脉粥样硬化病理过程的不良影响以及对内皮细胞功能异常分子机制的深入探讨，目前针对内皮细胞功能异常的治疗策略主要集中在药物治疗、非药物治疗和新技术应用等多种方面，包括降低血脂、抗炎症反应、降低氧化应激、选择合理膳食、调节细胞外囊泡的功能和应用新型技术手段构建人造血管等。

人体内的脂质代谢紊乱促进动脉粥样硬化病理生理过程的进展，同时人体内的氧化应激反应导致细胞膜和脂蛋白中包含多不饱和脂肪酸的磷脂和胆固醇酯发生脂质过氧化反应，生成包含ox-LDL-C在内的多种氧化产物，最终发生氧化反应的脂质与巨噬细胞和内皮细胞发生相互作用，参与动脉粥样硬化的炎症反应和斑块进展[28]。醛固酮和ox-LDL-C通过加快HUVEC的衰老过程来导致内皮细胞发生功能障碍，进一步提示体内胆固醇水平升高人群更应注重控制ox-LDL-C的水平[29]。目前主要通过他汀类药物控制人体的ox-LDL-C水平以达到稳定动脉粥样硬化斑块和降低心血管疾病终点事件发生率的目的，同时他汀类药物能减轻ox-LDL-C导致的内皮细胞凋亡、氧化应激和炎症反应。hsa_circ_0004831作为一种新型环状RNA参与调控ox-LDL-C导致的内皮细胞损伤，ox-LDL-C促进HUVEC表达hsa_circ_0004831，而阿托伐他汀通过调控hsa_circ_0004831对miR-182-5p/CXCL12信号通路的作用来减弱内皮细胞损伤[30]。

采取合理的生活方式是改善心血管疾病患病现状的有效途径，其中选取合理膳食对于动脉粥样硬化性心脏病的防治具有重要作用。大豆中含量丰富的大豆异黄酮能与人体内雌激素受体结合发挥雌激素的抗动脉粥样硬化作用，大豆异黄酮及其代谢衍生物能增加体内NO的产生和调节氧化还原反应，最终通过抗氧化和抗炎反应改善动脉粥样硬化的病理生理过程和阻止内皮细胞功能障碍的发生[31]。增加蔬菜和水果的摄入有助于降低心血管疾病的患病率，血红素加氧酶-1是细胞内重要的抗氧化剂，在许多病理因素刺激下，例如氧化应激、炎症因子和缺氧下，内皮细胞中的血红素加氧酶-1含量会急剧增加，习惯素食人群体内相较于非素食人群的血红素加氧酶-1水平含量较低，并且在相同应激环境下，仅非素食人群血浆培养的内皮细胞表现出活性氧增加和细胞凋亡增多，进一步证明增加蔬菜和水果的摄入量对于减弱人体内氧化应激反应的重要作用[32]。

内皮细胞来源的MPs通过抑制内皮细胞介导的血管舒张过程和减少生成来促进动脉粥样硬化的进展，并且MPs中携带的多种非编码RNA通过调节平滑肌细胞表型来维持血管的完整性[33]。血管内皮细胞来源的外泌体通过释放miR-126来减少巨噬细胞浸润至血管壁和动脉粥样硬化斑块中，同时通过抑制内皮细胞VCAM-1的表达来减少动脉粥样硬化斑块募集炎症细胞[34]。经由血小板、红细胞、白细胞和内皮细胞释放的外泌体具有其供体细胞的标志分子，因此具有成为新型动脉粥样硬化分子标志物的应用前景，同时外泌体相较于纳米颗粒具有较低的免疫原性和逃避巨噬细胞吞噬的特性[35]。通过人工构建装载5-氨基酮戊酸己酯盐酸盐的M2型巨噬细胞来源的外泌体，能增强外泌体的抗炎作用来抑制动脉粥样硬化的疾病进展[36]。

运用组织工程学方法构建人造血管可能是治疗动脉粥样硬化导致缺血性疾病的治疗策略，但由于人造血管在恢复组织血液供应的同时需具备相应的血管新生能力以完成组织再生和重塑，目前该治疗策略仍需进一步完善[37]。通过静电纺丝技术将聚二恶烷酮结合至微纤维结构中构建新型血管移植物支架能有效增强血管移植物内的细胞浸润效果，有助于维持血管移植物的长期通畅[38]。将微流体体外模型与水凝胶相结合，促进内皮细胞通过出芽方式生长进入水凝胶，运用水凝胶的黏附性和可降解性有助于促进血管管腔的形成[39]。

5 总结与展望

内皮细胞功能障碍和动脉粥样硬化之间存在密切联系，多种危险因素，例如炎症反应、代谢紊乱、不良膳食习惯、心理应激以及缺氧等，均可能导致内皮细胞功能异常及损伤。同时内皮细胞功能障碍、内皮-间充质转化和内皮细胞凋亡等均会进一步加重动脉粥样硬化斑块进展和斑块不稳定性。目前传统治疗策略多针对不稳定斑块进行降脂、稳定斑块、抗炎症反应和改善生活方式等，新技术的应用仍存在缺陷，主要集中于人造血管的再血管化以及如何维持人造血管的长期通畅等问题，需进一步解决。同时针对内皮细胞功能异常的相关靶点采取治疗措施仍存在很大进步空间，如何在疾病早期或进展阶段通过改善内皮细胞功能和调节内皮细胞凋亡开发新型药物来减弱甚至逆转动脉粥样硬化的病理生理过程仍需进一步探索。