富亮氨酸α-2糖蛋白-1在2型糖尿病大血管病变中的研究进展

梁书瑾,张真稳

(1.大连医科大学,辽宁 大连 116044;2.扬州大学临床医学院,江苏 扬州 225001)

2型糖尿病(T2DM)是由遗传和环境因素共同作用所引起的代谢性疾病,病理生理机制为胰岛素分泌减少和(或)靶细胞(器官)对胰岛素敏感性下降,导致肝脏的葡萄糖输出增多,骨骼肌和脂肪组织对葡萄糖的利用减少,主要临床表现为高血糖及蛋白质、脂肪、水和电解质等代谢紊乱。随着经济的高速发展、肥胖人数的增加、不规律的生活作息以及淀粉类食物为主的饮食习惯等因素的影响［1］。参照WHO诊断标准,我国成人糖尿病总患病率11.2%,其中T2DM患者占据90%［2］,长期慢性高血糖会对全身血管造成不可逆的损伤,导致眼睛、肾脏、心脏等多器官及系统功能障碍,严重时威胁生命,不仅严重影响患者的生活质量,也给家庭和社会带来沉重的经济负担。糖尿病大血管病变与T2DM患者高致残率及高致死率密切相关,主要以动脉粥样硬化为特征,多侵犯主动脉、冠状动脉、脑动脉以及外周动脉等,引起动脉粥样硬化性心血管疾病(ASCVD)、缺血性脑血管性病及外周动脉疾病(PAD)等,其中ASCVD是T2DM患者的主要致死原因［3］。作为颅内动脉狭窄及粥样硬化的独立危险因素,T2DM患者更易出现脑梗死及认知功能障碍。下肢动脉粥样硬化性病变(LEAD)不仅会导致下肢缺血缺氧性溃疡、坏疽及截肢外,而且往往与ASCVD和脑血管疾病同时存在,增加T2DM患者心脑血管疾病的发生风险及死亡率。

富亮氨酸α-2糖蛋白-1(LRG1)是新型炎症因子及促血管生成因子,通过依赖Smad和非依赖Smad途径影响转化生长因子-β(TGF-β)信号通路,进而促进炎性介质释放、血管生成、皮肤创伤修复和肿瘤转移等病理过程［4］。目前研究证明,其不仅在人类多种恶性肿瘤中异常表达,参与调控肿瘤细胞的增殖凋亡、侵袭转移、上皮-间质转化和肿瘤血管生成,而且在感染性疾病、心功能不全、神经系统退行性病变和自身免疫性疾病的病理过程中有着重要的作用［5］。针对LRG1与糖尿病大血管病变关系已有了初步研究,但由于其发生机制复杂,目前仍需进一步研究及探讨。本文对LRG1的生物学特点、传导通路以及与T2DM合并大血管病变之间的关系进行综述。

1 LRG1的生物学特点

1.1结构:LRG1是富含亮氨酸重复序列家族的高度保守成员,1977年首次在人类血清中由Haupt等［6］发现。人LRG1基因定位于染色体 19p13.3,含有2 810个碱基对。其氨基酸序列于1985年由Takahashi等［7］测定,由312个氨基酸残基的单个多肽链组成,包含66个亮氨酸残基及8个富含亮氨酸重复序列(LRR),LRR由19～29个氨基酸组成,主要为蛋白质间的相互作用、信号转导提供多用结构框架［5］。

1.2功能:LRG1是一种分泌性糖蛋白,广泛参与细胞的增殖、迁移、入侵、黏附、存活和凋亡以及信号的传导,其异常表达被认为可能与组织炎症、恶性肿瘤、自身免疫性疾病的发生有相关性。LRG1通常在各种炎症(感染、损伤、自身免疫性疾病和肿瘤相关炎症)刺激后在局部组织或系统产生,主要的来源包括肝细胞、中性粒细胞和内皮细胞,以及组织微环境的上皮细胞、成纤维细胞和其他类型的髓样细胞［5］。LRG1的致病功能可以大致分为以下方面。

1.2.1促炎症作用:在早期研究中,LRG1被描述为一种急性期蛋白,在中性粒细胞分化中发挥作用［8］,参与多种炎症性疾病与自身免疫疾病,如类风湿性关节炎［9］、成人斯蒂尔病［10］、青少年特发性关节炎［11］等。且在感染流感嗜血杆菌、沙门氏菌和化脓性链球菌感染及水痘-带状疱疹病毒、麻疹和腮腺炎病毒的患者血清中所检测的LRG1水平有所升高［12］,由此LRG1被认为是一种比CRP有前途的炎症反应替代物。研究者在骨关节炎小鼠模型的软骨下骨和关节软骨中发现LRG1水平增加,可能与肿瘤坏死因子(TNF-α)诱导LRG1分泌相关,在TNF-α 刺激下LRG1可募集骨髓间充质干细胞,促进异常骨形成,加速骨关节炎的发展［13］。同时血清LRG1被证明是监测溃疡性结肠炎(US)疾病活动性的新型血清生物标志物［14］。此外,针对急性阑尾炎(AA)的研究显示,儿童及成人患者血浆LRG1浓度均升高［15-17］,说明持续高水平的LRG1可以维持炎症反应,促进疾病进展。

1.2.2代谢:目前研究证明LRG1参与脂肪代谢过程,可抑制肝细胞的脂肪酸分解,促进脂肪生成从而导致肝脂肪变性和高血糖［5］。

1.2.3伤口愈合和纤维化:LRG1是一种新型促生长因子,可参与某些伤口的修复愈合及再生过程。在小鼠皮肤伤口模型中,LRG1通过增强因子的稳定性而促进角质形成细胞的迁移,加速创面修复和愈合［18］。一项针对高血糖小鼠角膜上皮的研究发现,外源性应用LRG1可促进正常小鼠和糖尿病小鼠角膜上皮的伤口修复愈合和神经再生,可能与其参与调节角膜上皮基质金属蛋白酶(MMP)3和MMP13的表达相关［19］。此外,小鼠角膜碱烧伤后LRG1的表达水平上升,可激活白细胞介素-6/信号传导与转录激活因子3(Stat3)通路,增加中性粒细胞浸润,促进受损角膜的纤维化及创面的愈合［20］。

1.2.4致癌:在所有涉及LRG1的研究中,大部分的关注点在于肿瘤的发生、发展及转移上,其已被确定为多种恶性肿瘤诊断和临床评估的生物标志物,具有较高的诊断和预后价值,包括食管癌［21］、结直肠癌［22-24］、胰腺癌［25］、卵巢上皮癌［26］、B细胞［27］和T细胞［28］急性淋巴细胞白血病等。这可能是由于LRG1在上皮细胞向间充质细胞的转化过程中起到了一定的作用,使细胞的增殖和抗凋亡功能活跃而导致细胞恶性化［29］。同时LRG1促进了新生血管的形成,为肿瘤细胞的生长提供氧气等营养物质,可能会导致肿瘤的发展及转移。

1.2.5血管形成:作为新型致病性新生血管调节器,LRG1最引人注目的作用是参与多种疾病中病理性血管的生成,如糖尿病肾病(DKD)、增殖性糖尿病视网膜病变(PDR)、年龄相关性黄斑变性(AMD)和肿瘤性疾病,其需要TGF-β1信号通路的存在来激活内皮细胞TGFβⅡ-ALK1-Smad1/5/8通路,进而诱导血管内皮生长因子(VEGF)和血管生成素-2(Ang-2)等促血管生成因子的表达来协调病理性血管形成［5］。

2 LRG1与其TGF-β通路

TGF-β信号通路参与调节细胞增殖、分化、迁移和黏附等过程,以维持细胞内稳态［30］。LRG1作为TGF-β信号传导的上游调节剂,首先与特定的I型(TβRI)和Ⅱ型丝氨酸/苏氨酸激酶受体(TGFβRⅡ)结合,继而诱导下游途径Smad转录因子的激活来发挥生物学效应［31-32］。TGF-β1与内皮TGFβRⅡ的结合可以通过两种不同的酪氨酸激酶受体,即激活素受体样激酶1(ALK1)和5(ALK5)启动典型信号［5］。ALK5激活导致Smad2/3信号抑制内皮细胞增殖、迁移和血管形成,从而产生抗血管生成功能;而ALK1激活导致Smad1/5/8信号传导,促进内皮细胞增殖、迁移和血管形成,导致促血管生成作用。在生理条件下,TGF-β1激活内皮细胞ALK5和转录因子Smad2/3,最终保持细胞静止［33］。然而,病变环境中较高水平的LRG1可以重新定向内皮细胞的TGF-β信号,将血管抑制TGF-β1-Smad2/3信号转换为促血管生成TGF-β1-Smad1/5/8信号［31］,进而促进内皮细胞增殖、迁移和血管生成［34-35］。研究发现,在TGF-β1通路下,结合辅助受体内皮素(ENG)存在时LRG1与之结合,并通过TGFβRⅡ-ALK1-Smad1/5/8途径来促进视网膜疾病小鼠模型中的眼部致病性血管生成。而缺乏ENG时,LRG1与ALK5结合激活TGFβRII-ALK5-Smad2/3途径,导致内皮细胞增殖减少,细胞外基质沉积较前增加,趋向于达到细胞内稳态［34］。因此,决定血管生成转换的关键是ALK1和ALK5信号通路之间的平衡,ENG被认为是ALK1通路信号传导的关键调节分子。

3 LRG1与糖尿病大血管病变之间的关系

3.1外周血管疾病:T2DM患者的PAD是由于外周动脉病变而导致血管的狭窄甚至闭塞,通常累及下肢动脉,主要临床表现为下肢发凉、疼痛、感觉异常,严重时出现间歇性跛行,甚至出现肢体坏疽等需要进行截肢手术。Pek等［36］研究发现,PAD患者血浆LRG1浓度高于不合并PAD患者,表明LRG1可能与血管硬度和微循环有关,并可能作为血管僵硬、内皮功能障碍和PAD的潜在生物标志物。且LRG1与脉搏波速度(PWV)和踝肱指数(ABI)呈正相关,与内皮依赖性血管舒张呈负相关。据报道,ENG可通过调节TGF-β信号通路和Smad2蛋白水平来增加内皮型一氧化氮合酶(eNOS)的表达进而发挥血管舒张作用［37］。也有学者认为LRG1与ENG结合后可能抑制TGFβRII-ALK5-Smad2/3信号的激活,进而抑制内皮eNOS的表达来减弱血管的舒张作用［38］。目前仍需要进一步的前瞻性临床工作和动物研究以验证LRG1与内皮功能和血管张力相关性的机制和病理生物学基础。

3.2心血管疾病:众所周知,T2DM患者的心血管疾病主要包括ASCVD和心力衰竭(HF),且其主要的死亡原因为ASCVD［3］。而T2DM患者因冠状动脉粥样硬化引起的心肌缺血早期通常无症状发生,当因相关症状就诊时往往处于中晚期,诊治效果及预后不佳。LRG1被证明可作为监测和诊断心力衰竭的有价值的生物学标志物［39］,对于心衰的早期识别有一定的积极意义。在Kumagai等［40］研究的心肌梗死小鼠模型中,LRG1主要是由心肌梗死心脏中的浸润髓样细胞(如巨噬细胞和中性粒细胞)产生的,其水平在急性炎症反应期间显著升高,然后随着组织重塑进展到纤维增殖期而逐渐下降。而且在缺乏LRG1的情况下,心肌梗死后的心功能不全会进一步加重,这是因为梗死后心肌中的LRG1具有心脏保护作用,可通过激活TGFβR-ALK1-Smad1/5/8信号通路而促进心肌梗死后亚急性期血管生成,以此阻止不良的心脏重塑,减少心肌细胞的死亡。且在心肌成纤维细胞中,LRG1通过与TGFβ1竞争,形成ALK5/TGFβRII受体复合物,并拮抗细胞外基质的合成,防止心肌纤维化。此外,有研究发现缺氧诱导因子(HIF)-1α作为低氧适应性反应的调节因子,在急性心肌梗死中发挥重要作用。Feng等［41］通过缺氧处理心肌细胞建立体外模型,研究得出LRG1上调会显著增加HIF-1α的表达,进而促进缺氧诱导的心肌细胞凋亡和自噬,导致心肌细胞数量下降,由此说明LRG1在心肌缺氧时也会对机体存在不利作用。综上,LRG1参与糖尿病心血管并发症形成的病理过程并起到重要的作用,但其确切作用尚不清楚,仍需深入的研究来探讨。

3.3脑血管疾病:临床上T2DM患者的脑血管疾病主要以缺血性脑卒中为主,不仅致残率和死亡率逐年升高,而且发病逐渐年轻化,严重威胁了患者的生命健康。Miyajima等［42］研究发现,帕金森病痴呆、阿尔茨海默病、进行性核上性麻痹和特发性正常压力脑积水患者的脑脊液LRG1浓度显著升高,故推测LRG1可能与神经退行性疾病的发病机制相关,并可作为以上疾病存在或进展的生物学标志物。作为新型促血管生成因子,LRG1在缺血性脑卒中后新血管生长过程中发挥积极作用。研究表明,在小鼠大脑中LRG1的表达局限于大脑皮层,在深皮质部分星形胶质细胞末梢的毛细血管周围区域中有显著表达,因此认为LRG1可能与胶原蛋白和纤维连接蛋白结合并沉积在毛细血管上,从而导致动脉硬化［43］。在大鼠大脑中动脉堵塞(MCAO)卒中模型中,Meng等［44］通过研究发现LRG1水平及LRG1 mRNA在MCAO后6 h显著升高,3 d时达到最大值,14 d时仍然处于较高水平,同时发现模型大鼠脑内TGF-β1蛋白水平、VEGF及Ang-2表达均升高。综合上述结果,可得出结论:MCAO后的缺血大鼠脑中LRG1表达显著增加,并分泌到细胞外环境中,通过增加TGF-β1信号而诱导VEGF及Ang-2的表达,促进新生血管的形成并减轻脑梗死后的缺血再灌注损伤。然而,Jin等［45］研究的MCAO小鼠模型脑组织中LRG1的蛋白质和转录物均过度表达,其可通过上调ALK1的表达而增强TGFβ-Smad1/5信号通路,促进神经细胞的凋亡和自噬,进而破坏血脑屏障,损伤神经细胞内线粒体功能,最终导致闭塞脑血管再通时脑损伤进一步加重,临床症状较前恶化。此外,对急性幕上梗死患者进行研究发现,此类患者血清LRG1水平与梗死面积、卒中严重程度和6个月随访的预后呈正相关,同样证明了LRG1可能会诱导神经细胞坏死及凋亡,加剧缺血再灌注损伤。故针对LRG1在缺血性脑卒中的生物学功能还需要进一步的研究来全面确定。

4 小结与展望

综上所述,LRG1作为新型促血管生成因子,破坏了成熟血管形成和维持所需的细胞相互作用,通过增强TGF-β 信号传导而激活Smad蛋白来参与糖尿病大血管病变中病理性血管的形成。目前有学者认为LRG1抗体阻断可减少小鼠模型中的脉络膜新生血管和肿瘤生长,故推测LRG1可作为部分恶性肿瘤及PDR、DKD早期肾损伤的治疗靶点。由此,LRG1-TGFβ-Smad信号通路也有可能成为糖尿病心脑血管疾病和临床研究的一个潜在的重要治疗靶点。希望随着研究者们对LRG1及其抗体逐渐深入的了解及探索,LRG1能为糖尿病大血管病变的预防、治疗和预后提供新策略,减少致残量,提高患者的生活质量。