糖尿病血管重构作用机制的研究进展

薛佳欣 宫天宇 梁馨芳 王帆 张晓卉

(1.哈尔滨医科大学附属第一医院心血管内科,黑龙江 哈尔滨 150001;2.佳木斯大学附属第一医院,黑龙江 佳木斯 154002)

随着人口老龄化和生活水平的提高,中国现糖尿病(diabetes mellitus,DM)患病人数位居全球首位,预计2045年将超过1.74亿[1]。DM血管并发症分为大血管并发症和微血管并发症。1型糖尿病(type 1 diabetes mellitus,T1DM)患者易发生急性并发症,其慢性并发症主要发生于微血管中。DM微血管病变特点是毛细血管基底膜增厚和微血栓形成,临床上主要包括糖尿病肾病、糖尿病视网膜病变和糖尿病神经病变。与T1DM患者的发病机制不同,2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus,T2DM)患者发生大血管病变的风险较高。DM大血管病变涉及主动脉、冠状动脉和肢体外周动脉,70%～80%的T2DM患者直接死因是大血管并发症[2],DM大血管并发症已成为威胁人类健康的主要“杀手”。DM血管重构既是DM状态下血管的一种病理性改变,又是晚期并发症如动脉粥样硬化和微血管病变的结构基础,如果不及时干预逆转重构可显著增加致残率和死亡率。现详细阐述DM大血管重构的相关机制,为早期及时、有效地防治DM血管并发症提供理论参考。

1 DM血管重构的定义

血管结构在一定范围内是相对稳定的,在外界急慢性刺激来临时,血管既能急性地改变其张力,又能慢性地做出结构和功能的改变。血管重构是在局部生长因子、血流动力学异常等长期刺激下引起的一种适应性改变。DM状态下的血糖血脂异常、胰岛素功能障碍、氧化应激通过促进炎性细胞因子的分泌和相关基因的表达会导致病理性血管重构的发生[3-4]。动脉血管壁由内膜、中膜和外膜构成,主要包括内皮细胞、血管平滑肌细胞(vascular smooth muscle cell,VSMC)、外膜成纤维细胞及它们分泌的细胞外基质。Faraci等[5]最早提出了“血管重构”的概念。狭义的血管重构是指血管中层平滑肌细胞重新排列,血管壁细胞层数增加,血管壁增厚但无细胞增殖,此种过程也被认为是严格意义上的血管重构。广义的血管重构是血管内膜下间隙和血管中膜细胞增生肥大,以及细胞外基质的异常增生。与大血管的结构和位置分布不同,微血管壁很薄,由单层内皮细胞和外面的基底膜构成。DM微血管重构主要表现为微血管内皮细胞数量减少、内皮细胞肿胀、基膜断裂或增厚、细胞分布紊乱。

2 DM大血管重构的病理学特征

从细胞学角度来看,DM大血管重构主要涉及内皮细胞功能紊乱,VSMC增殖、迁移、表型转化和凋亡,以及细胞外基质的降解。VSMC表型转化是DM血管重构的中心环节,VSMC不是终末分化的,因此能响应各种刺激而发生表型转化。“平滑肌细胞表型转化”是指平滑肌细胞表型从完全分化的“收缩”状态转变为去分化的“合成”状态[6]。收缩型VSMC一般呈长梭形或纺锤形,收缩力强,具有低增殖、低迁移的特征。合成型VSMC一般呈扁平形,收缩力弱,具有高增殖、高迁移的特征。VSMC和细胞外基质之间的相互作用对维持血管壁结构和功能的完整性至关重要。合成型VSMC对血清衍生的有丝分裂因子的敏感性增高,增殖和迁移能力增强,增殖并分泌大量细胞外基质成分和蛋白水解酶,从中膜迁移到内膜,导致细胞外基质合成和降解失衡。基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMP)是细胞外基质的重要降解酶,VSMC增殖和迁移分泌大量的细胞外基质成分,而MMP又会不断地降解胶原、弹性蛋白和基底膜,从而引起VSMC的增殖和重排,导致血管重构[7]。

3 DM大血管重构的作用机制

3.1 内皮细胞功能紊乱

内皮细胞是血管内抵御各种损伤性刺激的第一屏障,内皮细胞有强大的分泌功能,通过合成和分泌多种血管活性物质调节血管张力、血小板功能、炎性反应以及平滑肌细胞的增殖和迁移,DM诱发的内皮细胞功能紊乱是DM血管重构的起始因素。一氧化氮(nitric oxide,NO)是公认的内皮细胞产生的一种保护因子,在动脉粥样硬化中起保护作用。NO降低内皮细胞中黏附分子的表达,促进血管舒张,并抑制VSMC的增殖以及血小板的黏附、激活、分泌和聚集。已有研究[8]表明,NO通过激活转化生长因子-β(transforming growth factor-β,TGF-β)下游信号转导分子抑制VSMC增殖和细胞周期进展。长期的高血糖对内皮细胞的刺激以及内皮细胞的损伤使其释放NO的能力降低。Wu等[9]的研究证实,DM大鼠血管内皮细胞合成的NO为正常的15%。环腺苷酸和环鸟苷酸(cyclic guanosine monophosphate,cGMP)在控制血管结构完整性中起到重要作用,NO和cGMP信号通路的重要介质cGMP依赖性蛋白激酶下调后导致MMP-2的合成增加,刺激VSMC由中膜向内膜迁移并增殖[10]。DM诱发的内皮细胞损伤使血小板黏附在胶原蛋白上,激活PI3K/Akt/MMP-9信号通路,促进VSMC增殖和迁移,产生分泌性改变,导致DM血管重构[11]。

3.2 晚期糖基化终末产物

晚期糖基化终末产物(advanced glycation end product,AGE)是指蛋白质、脂质或核酸等大分子物质的游离氨基与还原糖的醛基发生一系列反应所生成的一种稳定性化合物。AGE广泛存在于人体血液循环和组织细胞中,正常生理条件下AGE水平较低,而慢性持续高血糖会加速非酶糖基化反应导致AGE的积累。AGE在血管壁上的过度沉积会诱发细胞外基质中胶原纤维的过度交联使血管壁增厚、顺应性降低。与此同时,AGE通过加剧血管内皮细胞的炎症反应参与血管重构,AGE使内皮细胞表达细胞间黏附分子(intercellular adhesion molecule,ICAM)-1和血管细胞黏附分子-1(vascular cell adhesion molecule-1,VCAM-1),ICAM-1和VCAM-1与特异性蛋白结合后使内皮细胞通透性增强,单核细胞黏附并渗入血管壁,破坏内皮细胞正常功能。AGE与内皮细胞表面的受体结合后刺激血管内皮细胞分泌单核细胞趋化蛋白-1(monocyte chemoattractant protein-1,MCP-1),使p38 MAPK通路磷酸化活性增强,促进VSMC增殖和迁移,进一步导致血管重构[12]。AGE还能抑制一氧化氮合酶的活性,使内皮细胞释放的NO减少,继而增强血管中层平滑肌细胞的增殖能力[13]。糖脂代谢紊乱可调控VSMC自噬促进血管重构的发生,近些年来自噬参与AGE诱导VSMC表型转化的作用机制逐渐被关注。研究[14]首次证明AGE通过降低组织蛋白酶D的表达抑制自噬体降解,增强原代大鼠VSMC的增殖,揭示了组织蛋白酶D是AGE和VSMC表型转化的重要调节器。AGE还可以促进KCa3.1通道的表达诱发自噬,使VSMC由收缩表型转化为合成表型[15]。目前VSMC自噬在DM血管重构中的具体调控机制的研究有一定局限性,研究范围仍需要进一步拓展。

3.3 氧化型低密度脂蛋白

半数以上的DM患者合并血脂紊乱,糖尿病性血脂异常的特征是甘油三酯水平升高,高密度脂蛋白水平低,低密度脂蛋白水平正常或轻度升高。活性氧(reactive oxygen species,ROS)水平的升高会使低密度脂蛋白变成氧化型低密度脂蛋白(oxidized low-density lipoprotein,ox-LDL)。ox-LDL具有较强的细胞毒性,可损伤血管内皮细胞并增加黏附分子的表达,促进单核细胞、巨噬细胞、淋巴细胞等炎症细胞的浸润、黏附和迁移。单核细胞进入到含有载脂蛋白B的脂蛋白中,迁移至血管内膜下分化成巨噬细胞,T2DM患者体内M1和M2型巨噬细胞的比例存在不平衡,促炎的M1型巨噬细胞数量>抗炎的M2型巨噬细胞数量,M1型巨噬细胞分泌多种炎症因子促使VSMC增殖、迁移和细胞外基质的合成[16]。经ox-LDL处理的冠状动脉平滑肌细胞以剂量依赖的方式上调骨桥蛋白和MMP-9的表达,VSMC表现出高增殖和迁移的能力[17]。miRNA与人类疾病密切相关,具有调节细胞增殖、细胞凋亡和细胞分化等功能。最近有研究[18]发现,ox-LDL能够通过miRNA调节VSMC增殖,ox-LDL下调miRNA-4463并激活JNK和ERK信号通路从而增强VSMC的表型转化。ox-LDL还能上调人动脉VSMC中miRNA-29b的表达,导致MMP-2和MMP-9的表达增加[19]。此外,ox-LDL还具有干扰细胞周期的作用。ox-LDL促进VSMC的增殖和迁移与内源母系表达基因3有关,敲低内源母系表达基因3后细胞周期蛋白A和E的表达水平增加[20]。

3.4 高胰岛素血症

接受外源性胰岛素治疗的T1DM患者和T2DM伴肥胖、外源性胰岛素用量大者普遍存在高胰岛素血症。作为一种强效促生长因子,高水平胰岛素使内皮细胞功能紊乱并刺激内皮细胞释放内皮素(endothelin,ET),ET-1是目前已知最强的、分布最广泛的内源性缩血管物质,DM患者血液中的ET-1呈现高表达,ET-1促进了黏附分子的表达,使血小板向血管壁聚集并促进VSMC收缩、增殖和迁移[21]。ET-1还能上调结缔组织生长因子的表达,并通过RhoA/Rho激酶和MAPK/ERK信号通路导致VSMC增殖并参与细胞外基质中胶原纤维的合成降解过程,从而引发DM血管重构[22]。高水平胰岛素能上调miRNA-208,继而降低p21蛋白的表达,使细胞周期从G0/G1期向S期转化,导致VSMC增殖[23]。此外,高胰岛素血症和胰岛素抵抗状态下可以显著增强肿瘤坏死因子-α(tumor necrosis factor-α,TNF-α)刺激的VCAM-1表达,增强胰岛素样生长因子-1、血小板衍生生长因子(platelet derived growth factor,PDGF)等促细胞分裂因子的活性,促进VSMC的增殖、迁移和细胞外基质增生[24]。

3.5 氧化应激

氧化应激是指自由基和抗氧化系统之间的失衡,越来越多的证据表明氧化应激与DM血管重构的产生密切相关。Brownlee[25]提出“DM血管并发症的共同机制”学说,指出氧化应激是高血糖引发血管损伤的共同基础环节。ROS是有氧应激的活性产物,高血糖除了直接增加ROS的生成外,还可以通过AGE、多元醇、蛋白激酶C(protein kinase C,PKC)和己糖胺这4种代谢途径促进ROS的积累[26-27]。NADPH氧化酶(NADPH oxidase,Nox)是ROS的重要来源。Nox家族成员Nox1、Nox2、Nox4、Nox5存在于心血管组织中,其中Nox1促进VSMC由收缩型转化为合成型[28]。研究[29]发现AGE会上调细胞表面Nox1、Nox4、AGE受体的表达。AGE引发的氧化应激是DM血管重构的关键性步骤,主要通过AGE/AGE受体轴来发挥作用[30]。AGE与AGE受体结合后导致细胞产生ROS,ROS随后激活血管壁细胞中氧化还原敏感的核因子-κB,上调ICAM和多种炎症因子的表达[31],这些下游分子还可以刺激核因子-κB正反馈放大AGE与AGE受体结合后的分子效应,进一步引起内皮细胞功能紊乱、VSMC增殖和血管通透性改变,导致血管重构的发生[32]。另一项研究[33]表明Ca2+通过Nox5诱导VSMC产生更多的ROS,促使VSMC由收缩型向合成型转化,从而导致血管重构,去除细胞外Ca2+或添加钙通道阻滞剂可抑制VSMC增殖。与钙通道一样,随着VSMC由收缩型转化为合成型,钾通道也发生了变化。KV1.3通道阻滞剂能抑制VSMC增殖、迁移和新生内膜的增生,可作为VSMC参与血管重构过程的抑制因子[34]。DM状态下的氧化应激引起的血管重构还与PKC的激活有关,高血糖使组织细胞内二酰甘油增多,激活PKC,造成ROS的积累,ROS又可以反过来活化PKC,PKC是一种重要的细胞间信息物质,其激活可引起VSMC增殖、内皮细胞功能紊乱和细胞外基质的合成,导致血管重构[35]。血管紧张素Ⅱ(angiotensin Ⅱ,AngⅡ)是肾素-血管紧张素-醛固酮系统的主要效应因子,AngⅡ可以诱导VSMC增殖、迁移和细胞外基质的合成,此过程与氧化应激关系较为密切。AngⅡ与受体结合后,促进Nox1的表达、ROS的生成,激活PI3K/Akt和MAPK/ERK通路导致VSMC增殖、迁移、表型转化[36]。AngⅡ受体阻滞剂的应用有助于减轻炎症过程和疾病进展,为DM血管重构的治疗提供方向。NOD样受体蛋白3(NOD-like receptor protein 3,NLRP3)炎症小体在DM患者主动脉中高度表达,且与动脉粥样硬化的严重程度呈正相关。已有研究[37]证实,NLRP3炎症小体的激活有助于AngⅡ诱导的VSMC表型转化和血管重构。ROS是NLRP3的重要激活剂,Wang等[38]在T1DM小鼠肠系膜动脉中应用了Nox4抑制剂后显著降低了ROS介导的NLRP3炎症反应。

3.6 炎症及细胞因子

DM是一种低度炎症性疾病,多种炎症因子相互影响、协同作用形成的复杂调节网络在DM大血管病变的发生、发展中起到重要作用。除上文提到的ET-1、AngⅡ、黏附分子外,其他细胞因子如TNF-α、PDGF、TGF-β、白细胞介素(interleukin,IL)、血管内皮细胞生长因子(vascular endothlial growth factor,VEGF)等与DM血管重构密切相关。DM血管重构可由一些细胞因子的生成或活性降低所引起。T2DM患者的血清TNF-α较健康人显著升高,受损内皮细胞分泌的TNF-α可抑制NOS的活性,使内皮细胞通透性增加,还可诱导ICAM、IL-1、IL-6等炎症因子产生,加重血管局部炎症反应[39]。PDGF是一种重要的促有丝分裂剂,可加速T2DM患者主动脉中VSMC的增殖,TNF-α与VSMC上的受体结合后刺激PDGF分泌,促使VSMC增殖、迁移、细胞外基质增生,导致血管内膜增厚[40]。VEGF及其受体介导的信号转导在减轻ROS对血管损伤和维持内皮功能方面至关重要,研究[41]表明,高血糖状态引起的ROS升高以配体非依赖性的方式促进血管内皮细胞生长因子受体2(vascular endothlial growth factor receptor 2,VEGFR2)活化和随后的降解,ROS会消耗细胞表面VEGFR2,VEGF-VEGFR2信号转导受到抑制,最终引发内皮细胞功能紊乱。此外,TGF-β是细胞外基质的主要调节物,TGF-β可使血管外膜成纤维细胞增殖并转化为肌成纤维细胞,肌成纤维细胞可分泌大量细胞蛋白水解酶,导致细胞外基质合成和降解失衡,研究[42]证实此过程是通过激活TGF-β依赖性Smad信号通路,从而在DM血管重构中发挥作用。

4 总结

综上所述,血管重构是DM大血管和微血管并发症的病理基础,其相关作用机制十分复杂,仍需大量研究工作进一步阐明(图1)。严格控制血糖血脂、积极纠正高胰岛素血症、改善内皮细胞功能、降低血管炎性反应,全方位、多靶点的治疗模式可为DM血管并发症的防治提供新思路,为开发高效、安全的靶向药物提供理论依据。