血管內皮細胞功能的影響因素及其研究進展

郝曉娟(綜述)，朱旅云(審校)

(白求恩國際和平醫院內分泌科，石家莊050082)

自1865年首次提出內皮這一概念以來，人們開始對血管內皮細胞(vascular endothelial cell，VEC)有了初步的認識，認為VEC是襯附在血管內壁，維持血管內膜的光滑，作為半透膜將血管內外分開。隨著內皮細胞所分泌的多種活性物質，如內皮素、前列腺素、內皮衍生舒張因子的發現，人們對VEC逐漸有了更深入的認識。VEC參與體內多種重要的平衡調節及細胞功能的調控，既作為各種外界刺激和體液介質的靶細胞，本身又具有非常活躍的代謝功能，通過分泌多種活性物質維持血管的舒縮狀態，調節器官血流的同時對血液凝固、白細胞活性、血小板聚集起調節作用，在臟器的缺血、炎癥、免疫等反應過程中發揮重要作用。VEC為覆蓋于血管內膜表面的單層扁平或多角形的細胞，由于VEC直接與循環血液接觸，所以很容易受到血液中活性物質的影響，已有研究表明，VEC的損失及功能紊亂與多種疾病密切相關，包括冠心病、高血壓、腦卒中、糖尿病等［1］。現將近年來研究發現的各種與VEC相關的影響因素進行概述。

1 血氧含量對VEC的影響

1.1 缺氧 缺氧是指細胞幾乎無氧供應的一種狀態。早期缺氧可以刺激VEC分泌活性物質代償缺氧，隨著缺氧時間延長VEC受損加重。缺氧可引起內皮細胞的激活，繼而一些黏附分子［2］及血管內皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)等引起相關變化及代謝產物的增加。目前認識的黏附分子主要有細胞間黏附分子1、血管細胞黏附分子1、E選擇素和P選擇素。黏附分子表達增加可加強細胞間的黏附，同時缺氧可誘發炎性反應，增加白細胞黏附分子的表達，從而促進VEC與中性粒細胞的黏附，加重內皮細胞的損傷。而且隨著缺氧時間的延長，出現VEC凋亡及抑制VEC有絲分裂。

1.2 低氧 低氧是指機體氧氣供需不平衡的狀態。低氧狀態下可以抑制細胞或促進細胞凋亡，影響細胞周期，而VEC不但不會凋亡，反而會增殖形成新生血管，以代償低氧造成的供氧不足。Matina等［3］發現內皮細胞在低氧狀態下之所以能夠不產生細胞抑制效應，這與H2A組蛋白家族成員X(H2AX)，一個DNA損傷修復途徑的關鍵分子密切相關。H2AX是Rad3相關激酶的底物，磷酸化的H2AX(γ-H2AX)是對各種形式的DNA損傷產生反應的主要分子，其信號轉導途徑能夠阻止DNA復制停止，使得細胞得以存活并促進細胞增殖。研究發現，H2AX可作為抗低氧誘導血管新生的一個新靶點。低氧環境下，低氧誘導因子是主要的調控因子。低氧誘導因子是由α和β兩個亞單位構成的異二聚體轉錄因子復合體。低氧誘導因子對低氧條件下的反應主要由α亞甲基單位上的多聚羥化酶結構域介導，其中低氧誘導因子α被認為是使VEGF表達增加的關鍵因子，調控著對VEC的增殖及血管形成。

1.3 高氧 氧氣在臨床上的應用已逐漸被接受，運用廣泛，途徑多樣，可以經鼻給氧、高壓氧艙和機械通氣給氧等，隨后又開辟了經靜脈途徑給氧。賈赤宇等［4］制造缺血缺氧動物模型，并予高氧液靜脈輸注，通過檢測發現動脈血氧分壓、血氧飽和度、二氧化氮分壓、酸堿值等血氣指標有明顯的改善，超氧化物歧化酶、一氧化氮、依前列醇等有益指標升高，而血栓素、丙二醛等有害指標降低，光鏡等檢查病理損害減輕，多項生理功能有不同程度的恢復。Sander等［5］用大洞機在雄性裸鼠耳背部制造環形傷口，將其放在高壓氧艙中治療，無論是損傷傷口愈合模型還是非損傷傷口愈合模型，高壓氧治療組傷口愈合處新生微血管數都明顯增加，通過免疫組織化學檢測治療組內皮細胞分泌的基質金屬蛋白酶2降低，而基質金屬蛋白酶9、腫瘤壞死因子α、組織金屬蛋白酶抑制劑1明顯增加。基質金屬蛋白酶家族可提高促血管生成因子的作用。腫瘤壞死因子α可誘發炎性反應，且可促進白細胞對內皮的黏附。組織金屬蛋白酶抑制劑1可促進細胞增殖，考慮高氧促進傷口愈合的機制為腫瘤壞死因子α含量的增加，其次是金屬蛋白酶的釋放增多。Brueckl等［6］模擬機械通氣的方法，原位觀察離體大鼠肺VEC相關信號分子的變化，發現活性氧簇(reactive oxygen species，ROS)和Ca2+在高氧時均增高，轉錄因子和一氧化氮也會發生相應的變化。

2 血糖對VEC的影響

2.1 高血糖 高糖作用下內皮功能障礙的機制可能與ROS的過度產生有關，而且呈濃度依賴性［7］。ROS可激活細胞內多種蛋白質和酶，導致轉錄因子，如核因子κB和激活蛋白1表達的上調。且可活化蛋白激酶C，導致一氧化氮合酶、E-TI、VEGF、轉化生長因子的差異基因表達，這些轉錄因子調節者編碼多種炎性介質的基因，從而導致與血管細胞生理及病理功能密切相關的眾多基因表達。Inoguchi等［8］報道，細胞內ROS上升可能與蛋白激酶C和NAD(p)H氧化酶的相繼激活有關，而后兩者活性與葡糖糖代謝中間產物有關。ROS過多導致細胞脂質過氧化和細胞膜、蛋白質、DNA的不可逆損害，而且自由基清除酶的糖化從而抗氧化能力下降，通過受體途徑和線粒體途徑來誘導VEC的凋亡，無論何種途徑，最終結果都是凋亡信號蛋白的活化，使其將凋亡信號傳入核內，裂解DNA片段，導致細胞凋亡。高糖及其所產生的糖基化終產物可以增加內皮的通透性，使單核巨噬細胞的浸潤增加，致使血管壁腫瘤壞死因子α的濃度上升。研究表明［9］，波動性高糖較持續性高糖對人臍靜脈內皮細胞的凋亡具有更強的作用，可抑制內皮細胞的增殖，阻滯細胞周期的轉化，較持續性高糖更增強VEC中細胞間黏附分子1和腫瘤壞死因子α的表達。

2.2 低血糖 研究表明低血糖可以促進內皮細胞的分化［10］。Wang等［11］通過將人臍帶內皮細胞在2.2～5.0 mmol/L血糖中培養，發現低血糖可以使一氧化氮生物利用度減少，而線粒體過氧化物及一氧化氮依賴性的線粒體超極化增加。提示低血糖也可誘發內皮細胞氧化應激。Jin等［12］通過胰島素誘導低血糖，觀察胸主動脈內皮細胞，結果顯示低血糖可以增加單核細胞在內皮細胞的黏附，激活腎上腺素，而腎上腺素刺激細胞內的環磷酸腺苷升高可導致內皮細胞釋放核因子κB等一系列黏附分子損傷內皮細胞。低血糖可誘發內皮細胞炎性反應。Wright等［13］通過胰島素誘導低血糖，結果顯示非糖尿病患者及糖尿病患者CD40/CD40L、血小板聚集增加。結果顯示無論患者是否合并1型糖尿病，低血糖均可通過炎性因子的上調和活性物質的釋放來損傷血管內皮。依前列醇水平及熱休克蛋白增加與血糖濃度呈反比，表明內皮細胞對低血糖存在耐受性或適應過程，通過分泌依前列醇擴張血管提高血流量，增加血糖運輸，改善低血糖癥狀。體外培養細胞中發現，低糖或缺糖使細胞供能減少可抑制細胞的生長，但是內皮細胞會出現增殖，隨著時間的延長，內皮細胞損害加重而凋亡。

3 生物機械信號對血管VEC的影響

3.1 剪切應力 剪切應力指血液沿血管腔壁表面流動，必然對排列于腔壁的VEC施加一個切向力。VEC最直接感受血流剪切力的變化。許多研究表面剪切力對VEC的形態、結構和功能都有著重要的影響［14］。多項研究［15］通過模擬人體內環境，通過對其形態、生長狀況及相關參數進行評估，表明靜態環境下VEC呈多角形，輪廓清除，細胞鑲嵌呈鋪路石樣無方向排列，經受一定流暢剪切力后，內皮細胞逐漸拉長，成為梭行，其長軸方向逐漸與流場方向一致，表現為與活體細胞一致的形態。最初研究建立在層流對VEC的影響，隨著對疾病的研究，血流不僅有層流，還有渦流、分流。當血流為層流時，VEC受到高剪切力的作用，細胞呈長梭形，細胞間緊密連接完整，故其對大分子蛋白通透性低;當血流為渦流，分流時，內皮細胞受低剪切力的作用，細胞呈圓形，對大分子蛋白的通透性增高［16］。在恒定剪切力作用下，VEC的影響隨作用時間而改變，早期剪切力強度的增加能刺激內皮細胞上的VEGF和VEGF-2的表達增加，并促進一氧化氮合酶的表達增加，促進一氧化氮的釋放，最終促進微小血管的生成增加;后期主要通過一氧化氮的釋放增加起作用。不同器官或是相同器官的不同部位，甚至在同一個微血管襻不同節段之間的VEC都可表現出異質性，如動脈內皮細胞相對于靜脈和毛細血管內皮細胞承受更高的剪切力。肖正華等［17］通過形態的觀察及剪切力作用前后肌動蛋白絲的變化發現，VEC形態的改變和重排與F-肌動蛋白的排列方式有密切關系。推測內皮細胞形態的改變是對流體剪切力的適應結果，目的是降低血液流動對其產生的牽拉作用，以保持VEC結構的完整性。于鳳旭等［18］研究發現，低剪切力下調VEC表面B族Ⅰ型清道夫受體mRNA的表達，而高剪切力上調VEC表面mRNA的表達，是第1個分子水平上確定的高密度脂蛋白受體，其參與高密度脂蛋白膽固醇酯的選擇性攝取，通過多種保護機制抑制動脈粥樣硬化的發生。說明高剪切力有利于防治血管粥樣硬化的發生。剪切應力還可以促進血管種子細胞增殖、分化及遷移，可使VEC維持表型及黏附能力，抗血栓能力增加。

3.2 血管緊張度 血管緊張度，即血管張力、血管彈性力，受多種因素的影響，如血管壁結構、VEC內分泌功能、離子通道及腎素-血管緊張素系統(reninangiotensin-system，RAS)等。RAS系統在心、腦、腎等疾病中起重要作用。RAS激活后主要通過兩條途徑影響內皮功能:①使血中血管緊張素Ⅱ濃度增高;②一氧化氮及依前列醇減少。導致血管舒張與收縮因子的平衡失調，促凝血與抗凝血介質間的平衡失調及促生長和抑制生長物質間的平衡失調。從而加重內皮損傷。有研究表明，RAS系統對內皮細胞損傷作用，是離子通道對鈣內外調節失衡導致［19］。

4 磁場、輻射等對血管VEC的影響

4.1 低頻脈沖磁場 低頻脈沖磁場療法，又稱非損傷性脈沖療法。應用頻率1000 Hz以下的脈沖電流治療疾病的方法。低頻脈沖以其機械效應、熱效應、理化效應起到治療作用。其電流種類有感應電流、方波、三角波、調制波等。最早由Yen-Patton等［20］研究表明，磁場能夠明顯促進人臍靜脈VEC和牛主動脈VEC增殖，從而提出磁場對VEC的影響。磁場作為一種外來干預手段，其可促進內皮細胞修復，促進內皮細胞成纖維細胞生長因子的分泌，輕度上調VEGF、血管緊張素Ⅱ，釋放血小板生成素和表皮生長因子，通過旁分泌突途徑影響周圍組織細胞刺激局部血管生成［21］。總之，低頻脈沖作用后局部組織血管擴張，血流加速，細胞膜通透性增加，內皮細胞釋放因子增多，促進局部細胞增生及血管成形。

4.2 輻射 內皮細胞是對電離輻射較為敏感的細胞之一。輻射作為外源性物理因素和應激源，可引起組織激素、神經遞質、局部遞質等信號分子的釋放、激活，這些信號分子或活性物質可通過血液循環直接影響VEC正常的氧化、還原代謝反應，導致ROS大量產生，形成氧化應激狀態并對VEC造成損傷［22］。輻射可增加VEC通透性，抑制細胞增殖，促凋亡，其機制可能是氧化應激和炎性反應導致。通過影響細胞抗氧化應激酶基因的轉錄和(或)蛋白翻譯，使ROS的清除能力降低。VEC通過旁分泌產生并釋放炎性因子，作用于輻射局部組織引起炎性反應。

5 高同型半胱氨酸對VEC功能的影響

同型半胱氨酸又稱巰基丁氨酸，由于體內缺乏葉酸、VB6、VB12導致同型半胱氨酸水平升高。VEC是同型半胱氨酸的重要靶器官。高同型半胱氨酸是VEC損傷的獨立危險因素。主要損傷機制為高同型半胱氨酸導致氧化應激，使過氧化物的產生增加，滅活了一氧化氮的活性，導致一氧化氮生物有效性降低［23］。由于一氧化氮的生成決定四氫生物蝶呤的存在，而氧化應激使四氫生物蝶呤被過氧化氫氧化而耗竭，導致一氧化氮生成減少。同時高同型半胱氨酸誘導產生的過氧化物及增加 Ca2+，激活蛋白激酶C，從而參與核因子 κB活化［24］，而核因子 κB是機體炎性反應放大與持續的分子生物學機制。總之，高同型半胱氨酸誘發VEC氧化應激，使一氧化氮生物活性降低及生成減少，過氧化物的產生及激活蛋白激酶C使核因子κB活化，促進炎性因子(如血管細胞間黏附分子1、細胞間黏附分子1、單核細胞趨化蛋白1、基質金屬蛋白酶和白細胞介素1、白細胞介素6、白細胞介素8等)大量釋放，啟動局部炎性反應，導致VEC功能受損。

6 內皮抑素對VEC功能的影響

內皮抑素最早在體外培養的小鼠血管內皮細胞瘤的細胞培養液中提純出來的，內皮抑素能特異性抑制血管內皮的增生、遷移、誘導VEC凋亡。其作用機制為:①內皮抑素可直接與VEC胞體受體結合，與VEGF、堿性成纖維細胞生長因子等血管生成刺激因子競爭性的與信號轉導系統中的硫酸肝素蛋白聚糖受體結合;②直接作用于EC增殖周期，使VEC停滯于G0期;③抑制抗凋亡蛋白Bcl-2和Bcl-xL的表達;④可與原肌球蛋白結合，破壞微絲結構的完整性，使細胞運動功能喪失［25］。

7 結語

影響內皮細胞的因素多種多樣，且相互影響，相輔相成。而VEC與心腦血管疾病、糖尿病及缺血性疾病的發生、發展息息相關，通過對其影響因素的認識，有助于為這些疾病的治療提供早期的干預及治療靶點。這些因素揭示了內皮細胞損傷的機制，即氧化應激、炎性反應及活性物質失衡。目前已有多種藥物通過抗氧化及維持內皮細胞分泌活性物質的均衡性等改善內皮細胞功能及對血管內皮細胞保駕護航，從而防治心腦血管等疾病的發生、發展。

［1］Loomans CJ，De Koning EJ，Staal FJ，et al.Endothelial progenitor cell dysfunction in type 1 diabetes:another consequence of oxidative stress［J］.Anotioxid Redox Signal，2005，7(11/12):1468-1475.

［2］Kacimi R，Karliner JS，Koudssi F，et al.Expression and regulation of adhesion molecules in cardiac cells by cytokines:response to acute hypoxia［J］.Circ Res，1998，82(5):576-586.

［3］Economopoulou M，Langer HF，Celeste A，et al.Histone H2AX is integral to hypoxia-driven neovascularization［J］.Nat Med，2009，15(5):553-558.

［4］賈赤宇，陳璧，王躍民，等.高氧液治療缺血性心肌功能的研究［J］.中華燒傷雜志，2000，16(5):272-274.

［5］Sander AL，Henrich D，Muth CM，et al.In vivo effect of hyperbaric oxygen on wound angiogenesis and epithelialization［J］.Wound Repair Regen，2009，17(2):179-184.

［6］Brueckl C，Kaestle S，Kerem A，et al.Hyperoxia-induced reactive oxygen species formation in pulmonary capillary endothelial cells in situ［J］.Am J Respir cell Mol Biol，2006，34(4):453-463.

［7］Lee EH，Kim do H，Allen PD.Interplay between intra-and extracellular calcium ions［J］.Mol Cells，2006，21(3):315-329.

［8］Inoguchi T，Sonta T，Tsubouchi H，et al.Protein kinase C-dependent increase in reactive oxygen species(ROS)production in vascular tissues of diabetes:role of vascular NAD(P)H oxidase［J］.J Am Soc Nephrol，2003，14(8 Suppl 3):S227-S232.

［9］陳名道.波動性高血糖與糖尿病并發癥［J］.國際內分泌代謝雜志，2006，26(5):312-314.

［10］Kang PM，Izumo S.Apoptosis in heart:basic mechanisms and implications in cardiovascular diseases［J］.Trends Mol Med，2003，9(4):177-182.

［11］Wang J，Alexanian A，Ying R，et al.Acute exposure to low glucose rapidly induces endothelial dysfunction and mitochondrial oxidative stress:role for AMP kinase［J］.Arterioscler Thromb Vasc Biol，2012，32(3):712-720.

［12］Jin WL，Azuma K，Mita T，et al.Repetitive hypoglycaemia increases serum adrenaline and induces monocyte adhesion to the endothelium in rat thoracic aorta［J］.Diabetologia，2011，54(7):1921-1929.

［13］Wright RJ，Newby DE，Stirling D，et al.Effects of acute insulin-induced hypoglycemia on indices of inflammation:putative mechanism for aggravating vascular disease in diabetes［J］.Diabetes Care，2010，33(7):1591-1597.

［14］Chien S，Li S，Shyy YJ.Effects of mechanical forces on signal transduction and gene expression in endothelial cells［J］.Hypertension，1998，31(1):162-169.

［15］李曉寧.剪切力環境下內皮細胞力學研究的形態學指標［J］.生物醫學工程學雜志，2003，20(3):555-558.

［16］Hudlicka O，Brown MD.Adaptation of skeletal muscle microvasculature to increased or decreased blood flow:role of shear stress，nitric oxide and vascular endothelial growth factor［J］.J Vasc Res，2009，46(5):504-512.

［17］肖正華，張本貴，張爾永，等.流動培養系統內切應力加載不同取材部位內皮細胞黏附能力的比較［J］.生物醫學工程學雜志，2011，28(1):157-162.

［18］于鳳旭，張英，凌生林，等.不同剪切應力對內皮細胞表面SRB1 mRNA表達影響的實驗研究［J］.生物醫學工程學雜志，2011，28(1):81-85.

［19］韓磊，李鳴皋，葉平.血管緊張素Ⅱ對血管內皮細胞游離鈣離子濃度的影響及阿托伐他汀的保護作用［J］.實用醫學雜志，2009，25(4):511-512.

［20］Yen-Patton GP，Patton WF，Beer DM，et al.Endothelial cell response to pulsed electromagnetic fields:stimulation of growth rate and angiogenesis in vitro［J］.J Cell Physiol，1988，134(1):37-46.

［21］Tokg?zoˇglu L，Yorgun H，Gürses KM，et al.The association between circulating endothelial progenitor cells and coronary collateral formation［J］.Atherosclerosis，2011，219(2):851-854.

［22］Tepper OM，Callaghan MJ，Chang EI，et al.Electromagnetic fields increase in vitro and in vivo angiogenesis through endothelial release of FGF-2［J］.FASEB J，2004，18(11):1231-1233.

［23］Ozguner F，Oktem F，Ayata A，et al.A novel antioxidant agent caffeic acid phenethyl ester prevents long-term mobile phone exposure-induced renal impairment in rat.Prognostic value of malondialdehyde，N-acetyl-beta-D-glucosaminidase and nitric oxide determination［J］.Mol Cell Biochem，2005，277(1/2):73-80.

［24］Lawrence de Koning AB，Werstuck GH，Zhou J，et al.Hyperhomocysteinemia and its role in the development of atherosclerosis［J］.Clin Biochem，2003，36(6):431-441.

［25］Zeng XK，GuanYF，Remick DG，et al.Signal pathways underlying homocysteine-induced production of MCP-1 and IL-8 in cultured human whole blood［J］.Acta Pharmacol Sin，2005，26(1):85-91.