2型糖尿病对周围动脉疾病侧支动脉生成的影响*

谷娇娇 综述 高怀林,2,# 审校

周围动脉疾病(Peripheral Arterial Disease,PAD)是指周围血管部分或完全闭塞引起缺血临床表现的一类疾病,多发于下肢,可致溃疡或截肢。2型糖尿病(Type 2 Diabetes Mellitus,T2DM)是PAD发生的危险因素,也是T2DM患者致残和致死的重要原因。既往文献报道,T2DM并发PAD风险是非DM患者的7倍,截肢风险是非DM患者的5倍[1]。现有治疗手段的临床效果并不理想,其原因与DM阻碍或破坏侧支动脉生成有关。侧支动脉是小动脉与小动脉之间的吻合,直径10-30μm,是除动脉-毛细血管-静脉循环和淋巴循环外的“第三循环”[2]。侧支动脉生成是由特定的动脉信号通路、生长因子及血管壁和循环细胞驻留等参与的管腔扩张和管壁生长的复杂生物学过程,如包括使处于关闭状态的侧支动脉开放、扩大、重塑,从而增加侧支动脉生成量然适应性反应、助力PAD患者的康复。本文初步综述T2DM对侧支动脉生成的影响。

1 T2DM降低内皮细胞血流剪切力(FSS)敏感性并导致内皮细胞焦亡使侧支动脉生成不良

1.1 侧支动脉生成与FSS

动脉生成的早期启动因素是突然增加的FSS。FSS是血液与血管内皮摩擦产生的切线力,与血液黏度、血流量、血管半径相关,当血管压力增大时FSS会显著增加[3]。内皮细胞丰富的感受器可感知FSS变化,不仅内皮表面糖萼及其组分可以充当感受器,血管内皮钙黏素(VE-cadherin)、血小板内皮细胞黏附分子-1(PECAM-1)、血管内皮细胞生长因子受体-2(VEGFR-2)复合物也可感受FSS变化[4],还有一些分子如细胞间黏附分子-1(ICAM-1)、转化生长因子-β(TGF-β)和内皮型一氧化氮合酶(eNOS)的基因启动子中也发现有FSS反应元件[5]。它们感受到FSS变化后,即行生化分子信息传导,从细胞外空间到达血管平滑肌,促进平滑肌细胞表型转变,进而促进侧支动脉生成[6]。具体信号通路及分子涉及NOS亚型激活及一氧化氮(NO)大量产生导致内皮细胞分泌(VEGF)[7];内皮细胞和平滑肌细胞合成单核细胞趋化蛋白-1(MCP-1);内皮细胞分泌TGF、粒细胞巨噬细胞集落刺激因子(GM-CSF)等引起单核细胞及其前体被吸引、激活、黏附和聚集[8]。此外,内皮细胞还可通过VEGFR-2激活细胞外调节激酶(ERK)来调节动脉血管的形成、分支范围和管腔大小[9]。

1.2 T2DM降低内皮细胞FSS敏感性引发侧支动脉生成不良

T2DM患者的血管内皮细胞对FSS敏感性下降的机制尚未完全清楚,有研究认为可能与高血糖及血管持续炎症状态有关[10]。正常血糖条件下,FSS变化能激活内皮细胞上的PECAM/VE-cadherin/VEGFR2复合物,使磷脂酰肌醇-3激酶(PI3K)磷酸化,磷酸化PI3K又使黏附斑激酶(FAK)磷酸化、并激活蛋白激酶B(Akt),导致eNOS磷酸化和NO释放,促进侧支动脉生成。高血糖会使蛋白激酶C(PKC)升高,影响FAK磷酸化,降低内皮细胞对FSS敏感性[11,12]。T2DM患者血管系统处于炎症状态,其PKC、肿瘤坏死因子-α(TNF-α)和核因子-κB(NF-κB)等炎症因子水平明显升高[13],也可使内皮细胞对FSS的敏感性降低,从而阻碍动脉生成联级反应终致侧支动脉生成不良。

1.3 T2DM导致内皮细胞焦亡致侧支动脉生成受限

细胞焦亡又称细胞炎性坏死,是一种程序性细胞死亡方式,其特征为炎性小体聚集、膜孔形成和炎性因子IL-1β、IL-18的分泌。经典的细胞焦亡分子机制为不同类型的刺激,诱导细胞内NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白3(NLRP3)表达上调,招募半胱氨酸蛋白酶1(Caspase-1)前体形成核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3(NLRP3)炎症小体并活化为Caspase-1,活化后的 Caspase-1 将底物 Gasdermin D(GSDMD)切割为N端和C端两部分,其中GSDMD-N与细胞膜结合并破坏其稳定性,形成大寡聚孔,导致细胞内容物以及炎症因子IL-1β、IL-18 释放,引起炎症反应[14]。有研究认为内皮细胞,焦亡可增加ICAM-1、血管细胞黏附分子-1(VCAM-1)表达水平,触发单核细胞募集并跨越内皮细胞迁移成为巨噬细胞,在动脉壁形成脂肪条纹,加速动脉粥样硬化并进一步加剧PAD的发生,该研究还显示,内皮细胞焦亡也可影响侧支动脉生成,如抑制Caspase-1可改善溶血磷脂酰胆碱(LPC)诱导的人主动脉内皮细胞(HAEC)的小管形成能力,以及敲低实验小鼠Caspase-1后,其缺血组织的血管新生和血液供应均得到改善[15]。表明抑制内皮细胞焦亡,减轻内皮细胞损伤,可以增强侧支动脉生成的能力。

2 T2DM影响单核/巨噬细胞招募致侧支动脉生成受限

2.1 单核/巨噬细胞募集与侧支动脉生成

单核/巨噬细胞在动脉生成发挥着重要作用,不仅是动脉生成的募集对象,还通过释放生长因子、蛋白酶、趋化因子等影响动脉生成过程。FSS变化可激活内皮细胞分泌趋化因子等,促进单核细胞聚集,单核细胞受到来自内皮细胞化学信号的吸引,迁移到血管周围,穿过管壁至内膜,成为巨噬细胞。单核/巨噬细胞可通过表达基质金属蛋白酶(MMPs)和尿激酶型纤溶酶原激活物(uPA)等消化细胞外支架,为新生细胞提供活动空间,并促进平滑肌细胞的增殖和侧支动脉生成[16]。

此外,单核/巨噬细胞还可通过旁分泌作用促进侧支动脉生成,如其释放的成纤维细胞生长因子-2(FGF-2)、VEGF及血小板衍生生长因子(PDGF)等,可直接促进内皮细胞及平滑肌细胞的增殖,及血管生成[17]。单核/巨噬细胞还分泌TGF-β和MCP-1,来促进动脉生成。MCP-1被激活后产生TNF-α,吸引更多单核细胞募集,也有利于加速平滑肌细胞增殖及动脉生成。单核/巨噬细胞的募集还会上调诱导型一氧化氮合酶(iNOS)表达,和生成大量NO,以维持正常氧化还原状态,进而促进动脉生成[18]。其它因子如GM-CSF可以延长单核细胞寿命,也是重要的动脉生成因子[19]。

2.2 T2DM影响单核/巨噬细胞招募使侧支动脉生成受限

T2DM可通过炎症来影响单核/巨噬细胞的招募而影响侧支动脉生成。动物实验显示,与野生型小鼠相比,db/db小鼠的单核细胞募集严重减少,单核细胞向MCP-1受体配件CCL2的迁移也显著减少,导致侧支区域的血容量降低[20];缺乏MCP-1受体C-C趋化因子受体2或其配体CCL2的小鼠,在缺血区表现出与低水平单核/巨噬细胞浸润相关的血管重建障碍[21]。还有研究发现,T2DM患者的单核细胞对VEGFR-1的趋化作用完全钝化,其分子机制主要涉及丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)/P38以及ERK1/2等信号通路障碍[22]。加上DM患者持续高血糖可诱导ROS和AGEs的过度生成,AGEs与RAGE结合直接激活p38和ERK1/2,引发VEGF抵抗,减少单核细胞向侧支循环形成区域募集[23,24]。表明T2DM严重影响单核/巨噬细胞募集和侧支动脉形成。

3 T2DM阻碍平滑肌细胞增殖迁移致侧支动脉生成障碍

3.1 平滑肌细胞增殖迁移与侧支动脉生成

侧支动脉生成过程主要由平滑肌细胞增殖主导。其重要步骤是血管平滑肌细胞从静止收缩表型转变到增殖性、迁移型和去分化的合成表型,其标志是肌特殊结构蛋白如肌间线蛋白的消失及肌动蛋白的成熟[25]。侧支血管成熟、扩大的结构重建由单核细胞迁徙到侧支血管启动,单核细胞产生炎性和生长因子如TGF-β、TNF-α、表皮生长因子(EGF)、FGF等扩散到侧支血管内侧,调节平滑肌细胞表型切换。动脉压力增加后,内皮细胞持续暴露于增加的FSS,可能抑制平滑肌细胞增殖,并诱导其从合成表型向收缩表型的转变[26]。炎症引起的平滑肌细胞、内皮细胞和免疫细胞之间的交互作用,也可以使血管平滑肌在侧支血管重塑背景下向收缩表型转变[27]。而肌动蛋白结合蛋白如肌动蛋白结合Rho激活蛋白(ABRA)、切丝蛋白(cofilin)以及胸腺肽β4等在促进平滑肌增殖方面起重要作用,它们可决定肌动蛋白的聚合、成熟并促进整合素和连接蛋白表达上调,从而使血管直径增加2-20倍(具体增加倍数因物种体积大小而异)[28,29]。

3.2 T2DM 阻碍平滑肌细胞增殖迁移引起侧支动脉生成障碍

平滑肌细胞的增殖、迁移是侧支动脉生成的关键步骤,参与其中起重要作用。MMPs与其抑制物TIMPs之间的平衡是重建血管壁的重要前提。在血管重塑过程中,MMP2、MMP-9和TIMPs在血管内膜中表达均上调。T2DM可能破坏动脉形成过程中的这种平衡[30]。有研究显示可通过影响MMP表达水平来影响平滑肌细胞表型[31]。如培养细胞中,高糖可抑制平滑肌细胞MMP-1、MMP-2和MMP-9的表达和活性[31]。动物实验中,Leprdb/db可抑制缺血诱导的小鼠后肢MMP-2、MMP12和MMP-16的上调[32],从而使平滑肌细胞由收缩向增殖、迁移型转换受阻,或造成增殖迁移型向收缩型转变。还有研究表明T2DM高血糖可促进AGE积累,降低MMP-1、MMP-2、MMP-3和MMP-13活性,进而影响血管外基质的重构[33]。此外,血管平滑肌功能还受到许多离子通道的精细调节,包括钾(K+)通道超家族成员和电压门控L型钙离子通道,高血糖和离子通道功能可能相互影响[34]。目前,高血糖对血管平滑肌离子通道功能的调节正在成为相关研究的重要内容。

4 小结

PAD患者侧支动脉生成主要依赖于内皮细胞对FSS的感知和分子信号的传导、单核/巨噬细胞的招募及平滑肌细胞的增殖、迁移。T2DM对PAD侧支动脉生成的影响一是减弱内皮细胞对FSS的敏感性,并导致内皮焦亡、功能障碍,降低内皮细胞对血管扩张刺激的反应;其次是损害单核细胞的下游信号,导致单核/巨噬细胞招募受损;最后,在侧支动脉形成的结构阶段,损害基质更新、平滑肌细胞增殖和成纤维细胞迁移。