糖尿病伤口愈合困难的血管病变机制及治疗药物研究进展*

王畇翔,李斌,2,牟晓娟,刘建君,韩琦朋,潘韬文,2,刘静,2,刁云鹏,2

(1.大连医科大学药学院,大连 116044;2.大连市抗感染中药开发工程技术研究中心,大连 116044)

糖尿病是指胰岛素下降或胰岛素抵抗而引起的血糖血脂代谢紊乱,作为终身性疾病,长期代谢异常导致延迟性愈合的皮肤溃疡是糖尿病并发症之一[1]。34%的糖尿病患者下肢会发生皮肤溃疡,以糖尿病足溃疡(diabetic foot ulcers,DFUs)为例,若合并微生物感染则易引起大面积开放性坏死,最终导致患者截肢甚至死亡[2]。伤口愈合可以简单分为4个阶段:纤维凝块形成、炎症反应、血管再形成和结缔组织重塑,血管再形成是其中的关键[3]。血管形成可以分为血管发生和血管新生,其中血管发生是指在胚胎发育时由中胚层起始形成血管的过程,由成血管细胞发育成血管内皮细胞(endothelial cells,ECs)并最终形成血管的过程。血管新生是指在原有的毛细血管或微静脉基础上,通过内皮细胞的增殖和迁移生成新生血管并通过血管平滑肌细胞(vascular smooth muscle cells,VSMCs)实现血管稳定[4]。

然而糖尿病患者伤口中血管新生过程十分迟缓,创面中血管表面积、分支连接数、总血管长度和总分支数均明显减少[5]。血管生成可以有效地支持伤口闭合,而血管病变正是导致糖尿病患者伤口难愈的诱因之一。因此,深入探寻糖尿病患者伤口难愈的血管病变机制以及有效治疗难愈合伤口的药物成为亟待解决的问题。本文从血管构成细胞出发,分别从内皮细胞和平滑肌细胞2个方面回顾血管病理机制及其对糖尿病延迟性愈合伤口的潜在影响,并总结当前降糖药物以及天然化合物对血管病变的疗效。

1 糖尿病患者伤口难愈的血管病变机制

1.1高糖诱导内皮细胞死亡 血管生成以内皮细胞为核心展开,长期高血糖会导致过度氧化应激并产生过量的活性氧(reactive oxygen,ROS),这是内皮细胞死亡的生化基础。ROS通过内质网膜上应激感应蛋白来延长未折叠蛋白反应,磷酸化的跨膜蛋白激酶R样内质网激酶(protein kinase R-like ER kinase,PERK)会选择性地增强转录因子ATF4,从而激活促凋亡转录因子C/EBP同源蛋白(C/EBP homologous protein,CHOP),引发凋亡[6]。糖尿病伤口处的内皮细胞还体现出铁死亡特征,即脂质过氧化增加以及抗氧化系统的缺乏[7]。蛋白激酶PKCβII可以磷酸化酰基辅酶A合成酶长链蛋白4(achaete-scute family bHLH transcription factor 4,ACSL4),放大脂质过氧化,诱导细胞发生铁死亡[8]。而磷脂酶iPLA2β可以使多不饱和脂肪酰基(polyunsaturated fatty acid,PUFA)部分去氧化,但这是由p53蛋白以ROS阈值依赖性驱动,即它可以在轻度ROS下由p53激活,在过量ROS下该现象消失[9]。此外,由Gasdermin蛋白主导的细胞焦亡在糖尿病血管病变中也被证实[10]。内皮细胞会由于肌醇需求酶IRE-1α介导下的硫氧还蛋白和硫氧还蛋白相互作用蛋白的结合作用加强而无法中和胞内生成的ROS,进而激活NOD样受体热蛋白结构域相关蛋白3(NOD-like receptor thermal protein domain associated protein3, NLRP3)炎症小体依赖性细胞焦亡[11]。以上证据指出糖尿病难愈创面是由于血管内皮细胞代偿机制失衡所导致的多种程序性细胞死亡。

1.2平滑肌细胞的再分化和过度的增殖迁移 与内皮细胞不同,血管平滑肌细胞的病理改变是多种刺激下导致的再分化和过度增殖迁移,这是由于血管平滑肌细胞没有终末分化,具有表型可塑性,静止期平滑肌细胞表现出低增殖、低合成活性,这种被定义为收缩型;当血管受损时,收缩型细胞会转变为合成型,这意味着细胞的增殖活性和胞外基质分泌物增加[12]。糖尿病带来的脂质代谢异常配合平滑肌细胞的表型转化最终导致血管钙化[13]。糖尿病患者体内去乙酰化酶Sirt1的下调会增加骨钙素的浓度,血管钙化风险因此升高[14]。而成纤维生长因子21(fibroblast growth factor 21,FGF21)可以通过调节P38-MAPK信号显著抑制血管钙化[15]。高血糖会导致血管平滑肌细胞过度增殖迁移引发内膜侵袭,引起血管内膜占位性病变以及损伤后再狭窄,进而影响新生血管各方面的功能重构。研究表明Notch家族蛋白对糖尿病患者血管病变的产生和发展具有重要影响,例如在高糖环境下跨膜蛋白Notch的配体Jagged-1的表达水平上调,其结合并水解细胞膜表面的Notch受体,激活Notch相关信号通路,促进平滑肌细胞增殖[16]。在高糖的负面刺激下,受损的内皮细胞削弱其迁移能力导致溃疡修复减缓,相反,相对增强的平滑肌细胞迁移对糖尿病血管稳态的破坏或许可以用一种新的迁移依赖性细胞器“迁移体”来解释[17]。受损或老化的线粒体需要被清除以维持线粒体池的质量,而迁移体可以转运线粒体驻留蛋白并从迁移的细胞中清除来介导线粒体质量控制过程,从而保护细胞免受应激损害。这种自我适应与自我修复的过程与其说是在严重应激下尽可能地稳定细胞器,不如说是在应激压力被克服后有助于迅速恢复。

1.3血管的舒缩功能和完整性障碍 糖尿病患者的血管舒缩间存在不平衡,这会增加血管反应性,具体表现为内皮细胞介导的血管过度收缩而舒张相对减弱。钙离子在调节血管收缩中发挥关键作用,蛋白激酶A(protein kinase A, PKA)通过激活L型钙离子通道(L-type calcium channel,LTCC),引发大量钙内流和内皮依赖性超收缩[18]。另外高血糖会破坏内皮素-1 (endothelin-1,ET-1)和一氧化氮 (nitric oxide,NO)之间的生物利用度平衡,即内皮素转换酶 (endothelin converting enzyme,ECE)和内皮一氧化氮合酶 (endothelial nitric oxide synthase,eNOs)之间的失衡[19]。这归因于晚期糖基化产物可以增强酶促协同作用,促进eNOs降解,降低eNOs磷酸化[20]。同时,炎症浸润会加速环氧合酶(cyclooxygenase,COX)代谢,合成内皮源性收缩因子,导致内皮功能障碍[21]。血管完整性的复杂扰动减少血管对损伤的应答,不利于溃疡愈合。正常内皮细胞通过细胞间连接维持完整性,而血管生成的开始需要内皮尖端细胞获得间充质表型,失去顶端-基底极性并获得前-后极性,从而能够降解基底膜和细胞外基质(extracellular matrix,ECM)并发生迁移,这一过程被称为内皮间充质转化 (endothelial to mesenchymal transition,EndMT),其中生物变化包括血管内皮钙粘蛋白 (VE-cadherin)的表达降低;层粘连蛋白下调,同时纤连蛋白上调;细胞骨架角蛋白转化为波形蛋白[22]。然而过量的ROS通过激活转录因子蛋白家族核因子κB(nuclear factor kappa-B, NF-κB)来上调基质金属蛋白酶9(matrix Metallopeptidase 9,MMP9)的表达,这会持续切割IV型胶原蛋白和层粘连蛋白从而过度降解ECM[23]。血管内皮细胞向底层组织的迁移和分层对于新生血管形成至关重要,而高血糖限制其迁移和管形成,血管完整性受损的同时也丧失血管对伤口愈合的贡献。多处证据支持通透性增加以及内皮屏障的破坏不利于维持内皮细胞旁粘连的完整性[24]。实际上当创伤形成时,血管通透性适当增加有助于血管生成,但内皮通透性的持续增加则会诱发随后的病理发生,不利于伤口愈合。研究认为Robo受体在调节血管通透性和血管生成中起重要作用。Robo1和Robo2通过Slit家族蛋白驱动血管生成和血管通透性,而Robo4作为负向调节因子可以抑制血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factors,VEGF)信号传导以降低血管通透性[25]。由此可见,VEGF是血管生成和通透性调节的枢纽因子。就血管生成而言,低氧条件下VEGF水平升高,这可以确保以VEGF驱动的血管生成反应能够作为应对低氧压力的核心中枢,这也是其最初被称为血管通透性因子的原因[24]。

2 糖尿病伤口血管病变治疗的药物研究进展

2.1经典降糖药物的血管疗效 随着研究不断深入,传统降糖药物的应用前景发生巨大变化,甚至作用于血管生成以对抗糖尿病并发症。二甲双胍可以有效抑制高糖诱导的平滑肌细胞过度增殖分化[26]。噻唑烷二酮类药物吡格列酮作为过氧化物酶体增殖物激活受体γ(peroxisome proliferators-activated receptors-γ,PPAR-γ)激动剂可以加速伤口愈合[27]。α-葡萄糖苷酶抑制剂阿卡波糖可以减少NLRP3炎症小体来改善内皮屏障功能[28]。二肽基肽酶-4(dipeptidyl peptidase-4,DPP-4)抑制剂类药物西格列汀和维格列汀分别具有抗血管钙化和抗内皮功能障碍,其机制可能是抑制胰高血糖素样肽-1(glucagon likepeptide-1,GLP-1)的裂解过程[29]。因此,作为 GLP-1 类似物的利拉鲁肽可以通过 Sirt1/AMPK 信号通路减少内皮细胞的焦亡[30]。临床数据显示口服司美格鲁肽可减少糖尿病患者下肢截肢风险,皮下注射却增加视网膜病变,但这似乎与药物本身无关[31-32]。临床上以二甲双胍为基础的联合用药在血管方面降低全因死亡率要优于单药效果[33]。然而并不是所有降糖药物都对血管病变有着正向作用,作为钠-葡萄糖共转运体2 (sodium-dependent glucose transporters 2,SGLT2)拮抗剂之一的卡格列净却被发现可以抑制内皮细胞增殖,增加患者截肢概率[34]。

2.2天然化合物的治疗潜力 由传统民族药物提取而来的天然活性化合物在糖尿病并发症治疗上也有广阔前景[35]。由于糖尿病患者通常伴有慢性炎症,因此具有抗炎抗氧化活性的天然产物具有潜在促愈合作用。在炎症反应方面,例如针对NF-κB信号通路,香芹酚在体内外均降低TLR4信号的激活,从而缓解内皮功能障碍[36]。此外,双氢青蒿素通过间接降低转录因子KLF15的表达来减轻血管处的炎症浸润[37]。在针对氧化应激途径上,姜黄素可以抑制糖尿病血管的凋亡和氧化应激[14]。五味子多酚可直接与转录调控蛋白Keap1作用,激活核因子Nrf2来参与抗氧化途径[38]。隐丹参酮通过促进管形成并抑制MMP9来增强 ECM 重塑,从而加快伤口闭合速度[39]。

3 结论与展望

糖尿病患者持续的高血糖和缺氧状态,导致包括血管在内的整个伤口微环境复杂恶劣。在创伤发生时,受损血管的愈合障碍和新生血管功能障碍,使得血管对创面修复的贡献难以实现。糖尿病下血管病变可以简单概括为内皮屏障损伤下的血管再生障碍以及血管内膜增生、内皮过度收缩引起的再狭窄。但是由于整个血管系统相互关联,单靶点治疗可能对整个伤口愈合没有显著效果。传统单一的抗糖尿病药物存在明显的局限性,糖尿病溃疡临床治疗需要联合用药方案。尽管血管生成对伤口愈合有重要影响,但并非全部,糖尿病延迟性愈合创面的发病机制及具体治疗方案有待进一步研究和完善。