血管內皮功能障礙與2型糖尿病研究進展

張留弟+李群益+施孝金

摘 ? 要 ? 糖尿病和心血管疾病中的血管內皮功能障礙的特征是血管張力調節改變、活性氧族產生增多、炎癥激活和屏障功能改變，內皮細胞通過分泌多種因子調節細胞黏附、平滑肌細胞增殖及血管張力。血管內皮功能損傷是糖尿病血管并發癥發生的始動因素和主要病理生理學基礎。本文綜述了血管內皮功能障礙與2型糖尿病研究進展。

關鍵詞 ? ?2型糖尿病 ? ?血管內皮 ? ?一氧化氮 ? ?內皮素

中圖分類號：R587.1 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-1533（2014）23-0045-05

Research progress on endothelial dysfunction and type 2 diabetes mellitus*

ZHANG Liudi， LI Qunyi， SHI Xiaojin

（Laboratory of Clinical Pharmacy， Huashan Hospital， Fudan University， Shanghai 200040， China）

ABSTRACT ? Endothelial dysfunction associated with diabetes and cardiovascular disease is characterized by the changes in vasoregulation， the enhancement of the generation of reactive oxygen intermediates， the inflammatory activation and the alteration in barrier function. Endothelial cells produce a wide range of factors that can also regulate cellular adhesion， smooth muscle cell proliferation， and vascular tone. It is well known that endothelium dysfunction is an early manifestation in the development of diabetic vascular complications. This review focuses on a research progress on endothelial dysfunction and type 2 diabetes mellitus.

KEY WORDS ? ?type 2 diabetes mellitus; vascular endothelium; nitric oxide; endothelin

近年來，糖尿病的患病率和患病人數急劇增加，中國成人糖尿病總數達9 240萬人，己成為世界上糖尿病患病人數最多的家。2012年美國糖尿病協會（ADA）發布的最新糖尿病診療指南，根據不同的發病機制仍將糖尿病分為4種類型：1型糖尿病、2型糖尿病、特殊類型糖尿病和妊娠糖尿病。2型糖尿病（T2D）在糖尿病患者中占90%，糖尿病合并冠心病、心肌梗死及急性腦血管病是糖尿病的主要死亡原因。因而，深入探討糖尿病血管并發癥發生發展的機制，并尋求藥物干預對于降低糖尿病致死率、致殘率，改善糖尿病患者預后具有極其重要的意義。

內皮功能障礙

各種心血管疾病都存在血管內皮功能的損傷，如胰島素抵抗、肥胖及2型糖尿病。內皮功能障礙的特點是內皮依賴的血管舒張減弱、屏障功能減弱、血液動力學反常、溶解纖維蛋白的能力受損，生長因子大量產生、黏附分子的炎癥基因的表達增加、氧化應激增強等[1]，內皮功能障礙的主要標志是一氧化氮（NO）的生物利用度降低。許多風險因子可以直接導致內皮功能障礙，最重要的包括血液中氧化低密度脂蛋白（LDL）膽固醇和氧化修飾的低密度脂蛋白（ox-LDL）升高、高密度脂蛋白（HDL）膽固醇較低、甘油三酯升高、高血壓、高血糖、高胰島素血癥、高同型半胱氨酸水平、吸煙和維生素不足等[2]。內皮功能障礙的存在與動脈粥樣硬化和血栓形成的發病機理相關，內皮功能的損傷減弱了內皮對誘導動脈粥樣硬化和血栓形成機制的保護抑制作用。

2型糖尿病促內皮功能紊亂的機制

最近研究表明，血管內皮功能紊亂在1型糖尿病和2型糖尿病患者中的發病機理并不相同。1型糖尿病多發生在兒童和青少年，其起病比較急劇，體內胰島素絕對不足，容易發生酮癥酸中毒。在1型糖尿病中，主要是高糖引起代謝改變誘導內皮功能障礙，隨著年齡的增長，1型糖尿病患者漸漸產生微血管并發癥，尤其是視網膜病變、腎病和傷口愈合受損[3]。在2型糖尿病患者中，內皮功能障礙和糖尿病之間聯系更為復雜，高糖會誘導所有類型糖尿病患者內皮功能障礙，而2型糖尿病患者內皮功能損傷的機制還包括血脂異常、胰島素信號通路損傷等，本章節就2型糖尿病致內皮功能障礙的機制展開綜述。

糖毒性

研究已經證實，不管是長期高血糖還是急性高血糖都能對人和動物內皮功能造成損傷[4]，高血糖對血管內皮造成損傷的機制各不相同。

多元醇通路活性增高

多元醇途徑廣泛參與糖尿病血管病變，這條通路由一系列酶組成，醛糖還原酶最為重要。正常情況下，葡萄糖很少經多元醇通路代謝，當糖尿病血糖水平升高時，己糖激酶呈飽和狀態，過剩的葡萄糖不能通過正常的氧化或酵解途徑代謝，于是，醛糖還原酶活性增加，多元醇代謝通路激活。多元醇代謝通路激活后使細胞內山梨醇和果糖過度堆積，繼而引起細胞滲透性損傷，同時細胞內肌醇和谷胱甘肽（GSH）水平下降，還原煙酰胺腺嘌呤二核苷酸/煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH/NAD+）比值增高，Na+ - K+ - ATP酶活性下降，細胞和組織缺氧，內皮細胞受損。一般認為，多元醇通路激活發生于糖尿病微血管病變信號通路中的上游，因此，醛糖還原酶抑制劑可以阻斷多元醇通路代謝，延緩糖尿病微血管病變的進展[5]。

糖基化終末產物形成增多

高血糖可以促進蛋白質的糖基化，促進糖基化終末產物 （AGEs）的生成。AGEs是在非酶促條件下，蛋白質、氨基酸、脂質或核酸等的游離氨基與還原糖的羰基經過縮合、重排、裂解、氧化修飾后所產生的一組穩定的終末產物。正常人體內只有少量的AGEs，但在長期高血糖過程中，糖尿病患者體內的AGEs生成積累，通過與內皮細胞表面的糖基化終末產物受體（RAGE）結合，干擾活性氧的作用，導致血管內皮細胞功能紊亂，影響血管的結構和功能，使血管舒張功能受損。這可能是引起糖尿病微血管病變發生發展的始動因素之一。

正常情況下，RAGE在血管內皮細胞、周細胞、足細胞和神經膠質細胞中都有低水平表達。糖尿病發生后細胞RAGE表達水平隨著其配體濃度的增加而上調。糖化作用改變了蛋白質、氨基酸、脂質或核酸的分子結構、功能及與受體的識別，AGEs與RAGE受體的結合促進了細胞內酶超氧化物的產生和巨噬細胞介導的細胞壁的炎癥反應。AGEs通過線粒體活性氧族（ROS）和過氧硝酸鹽及過氧亞硝酸鹽降低NO的生物利用度和內皮型一氧化氮合成酶（eNOS）的表達[6]，提高內皮細胞中內皮素（ET-1）的釋放。但是AGEs引起微血管內皮細胞損傷的具體機制尚不完全清楚。

PKC 信號通路激活

目前認為，蛋白激酶C（PKC）激活可能是糖尿病微血管損傷的共同通路。糖尿病情況下多種途徑可激活PKC，包括多元醇途徑通過NADH/NAD+比值升高利于二酯酰甘油（DAG）的形成，從而激活PKC;AGEs和RAGE相互作用也可激活PKC;氧化應激反應和游離脂肪酸增加均可導致PKC激活[7]。高血糖和ACE-RAGE系統均可使細胞內DAG增多，激活PKC，PKC激活進一步影響一系列血管功能，包括血管的舒縮反應、通透性、內皮細胞增生、新生血管形成以及血液流變學的改變。PKC可抑制內皮細胞的eNOS活性，降低NO的產生，并且增加血管ET-1的釋放，導致血管舒縮功能障礙;PKC也可促使血管內皮生長因子（VEGF）表達，從而促進新生血管形成，增加血管通透性，改變毛細血管滲透壓，使組織缺氧。

氧化應激

Kiritoshi等[8]在30 mmol/L葡萄糖濃度下培養腎小球系膜細胞，發現線粒體膜電位升高，同時細胞內ROS增多，而用線粒體代謝抑制劑或者通過解偶聯蛋白（UCP-1）和錳型超氧化物歧化酶（MnSOD）超表達可以抑制上述現象，這說明高糖環境下可以產生ROS。大量研究表明，高糖條件下細胞內產生ROS可使細胞內DNA單鏈斷裂，而對于能夠表達eNOS的血管內皮細胞，超氧陰離子還可以與NO相互作用生成氧化能力更強的過氧亞硝酸鹽，過氧亞硝酸鹽和羥基作為DNA損傷的強有力的始動因素使DNA單鏈發生斷裂，繼而誘導ADP-核苷酸聚合酶（PARP）活化。線粒體DNA（mtDNA）位于產生ROS的呼吸鏈的近端，因此與核DNA相比更容易受到ROS的損傷，而這種損傷一旦形成，就會引起多種關鍵蛋白的表達量減少，促使線粒體ROS的形成進一步增多，從而形成ROS和mtDNA損傷之間的惡性循環。Obrosova等[9]在對糖尿病神經病變的研究中發現PARP活化，并證明PARP活化作為氧化劑誘導的DNA損傷的下游效應器，是引發糖尿病神經功能和代謝改變的一個必須步驟。應用PARP抑制劑PJ-34或ION-1001可抑制高糖所致血管損傷的每一條途徑，這表明PARP活化在糖尿病并發癥中的發病機制中可能位于中心位置。

研究發現，糖尿病大鼠胚胎細胞磷酸甘油脫氫酶（GAPDH）的活性下降40%～60%，而在高糖培養液中加入抗氧化劑N-乙酰半胱氨酸，可使GAPDH的活性增加，提示GAPDH活性的下降是高糖誘導產生ROS所致，高糖時GAPDH活性下降與PARP活化有關，PARP的活化可消耗細胞內其作用底物氧化型輔酶I（NAD+）的濃度，使還原性輔酶I（NADH）的濃度相對升高，從而NADH/NAD+的比值升高，繼而GAPDH活性降低，糖酵解途徑受到抑制。正常情況下，細胞中葡萄糖主要通過氧化磷酸化生成ATP進行分解代謝，除此之外，還可以經過磷酸無糖途徑，高血糖時GAPDH活性下降，糖酵解受到抑制，糖酵解的中間產物累積，磷酸無糖途徑及其他代謝途徑被激活，如多元醇通路、PKC通路、己糖胺通路、AGEs通路等。Brownlee等[10]研究發現，抑制ROS的產生可以阻斷上述途徑，提示糖尿病血管并發癥的發生可能存在一個共同機制。還有研究認為，ROS的可能作用機制還包括：激活核因子NF-κB、增加血管內皮細胞表面的黏附因子等。

越來越多的研究表明，氧化應激反應是糖尿病各種并發癥的共同通路和中心環節，而糖尿病患者體內增加的氧化應激水平是高血糖、胰島素抵抗、高胰島素血癥和血脂異常共同作用的結果，它們均可導致血管內皮細胞ROS過度產生。

脂毒性

脂肪組織的過度釋放和骨骼肌攝入的減少導致糖尿病患者的游離脂肪酸（FFA）的濃度升高，游離脂肪酸的脂毒性對內皮功能造成損傷有幾個途徑，包括ROS升高、AGEs生成增多、激活PKC和己糖胺信號通路等，游離脂肪酸通過線粒體解偶聯和提高NADPH氧化酶類蛋白的含量增加血管中ROS的產生，游離脂肪酸誘導的超氧化物的過量產生使兩種重要的抗動脈粥樣硬化的酶失活，這兩種酶分別是前列環素合酶和eNOS， ROS的產生也使細胞內谷胱甘肽的濃度降低，使細胞更容易受到氧化損傷。游離脂肪酸誘導的ROS可以激活NF-κB，NF-κB會進一步刺激其它促炎性細胞分子，通過激活IKKα，游離脂肪酸會損傷胰島素誘導的eNOS的激活和NO的生成[11]。游離脂肪酸激活PKC通路導致胰島素受體底物1（IRS1）的絲氨酸磷酸化，進而導致胰島素誘導的PI3K、Akt、eNOS的激活降低和內皮中NO的產生減少。最終，游離脂肪酸導致內皮細胞凋亡，提高了血管的氧化應激，降低了NO的生物利用度，提高了內皮和單核細胞的激活和炎癥的加強。

血脂異常對血管內皮起損傷作用的另一個主要因素是ox-LDL，內皮細胞由于其屏障功能，會對進入內膜的LDL進行氧化修飾后成為ox-LDL，后者具有的細胞毒性可以直接引起內皮細胞的功能障礙甚至損傷壞死。巨噬細胞吞噬LDL后形成泡沫細胞，而泡沫細胞是動脈粥樣硬化早期病變及脂斑的主要成分，當攝取的LDL超過巨噬細胞清除ox-LDL的能力時，可導致巨噬細胞的壞死，釋放出許多溶酶體酶，從而進一步引起內膜細胞的損傷及壞死。ox-LDL可使血管內皮產生NO降低，增加ET-1的含量。在糖尿病中，高糖和高水平的ox-LDL會導致黏附分子和纖連蛋白的表達增加，誘導巨噬細胞浸潤內皮，導致動脈粥樣硬化斑塊的形成。

胰島素抵抗

胰島素調節血管張力主要通過兩條信號通路，分別是NO通路和ET-1通路[12]，正常生理狀態下，胰島素的這兩種拮抗作用的結果是血管舒張或抵消。在胰島素受體、IRS1、磷脂酰肌醇3激酶（PI3K）、磷酸肌醇依賴的激酶1（PDK1）、Akt/蛋白激酶B和eNOS被激活后，胰島素誘導NO的產生[13]。最近發現除了IRS1，胰島素受體底物2（IRS2）也能夠直接介導胰島素對血管內皮的效應。盡管胰島素誘導的ET-1的信號通路還不完全清晰，但這條信號通路一定依賴raf-1、MEK和ERK1/2的激活[14]。

血管胰島素抵抗（IR）即抵抗胰島素介導的血管舒張，是肥胖和高血壓動物胰島素抵抗的特征。胰島素抵抗和受損的胰島素介導的血管舒張與Akt和eNOS的高度磷酸化有關，然而在胰島素抵抗的患者中，胰島素的血管收縮效應卻完好無損，胰島素受體底物信號的改變與損傷有關，存在胰島素抵抗時，IRS-1和IRS-2的表達下調，刪除血管內皮IRS-2會導致血管內皮功能障礙[15]，IRS-1基因缺陷小鼠表現出內皮依賴的血管舒張受損，除此之外，還發現IRS-/-小鼠胰島素激活的eNOS的激活受損。

在血管內皮中，已經證實有很多細胞內機制抑制胰島素信號，胰島素信號的抑制可以發生在胰島素受體和胰島素受體底物水平上，也可以發生在下游的胰島素受體信號蛋白質水平上。在胰島素受體水平上，類胰島素生長因子1（IGF-1）的受體與胰島素受體形成混合受體減弱胰島素受體的活性，在IRS蛋白水平上，幾種激酶可以通過磷酸化IRS-1抑制胰島素信號，包括c-Jun氨基末端激酶（JNK）、p38絲裂原活化激酶（p38MAPK）、IκB激酶（IKK）[16]。這些激酶靶向IRS-1的絲氨酸殘基。胰島素的血管收縮效應也受細胞內的信號級聯反應調節，多域適配器蛋白質（APPL1）可以通過減少raf-1的磷酸化抑制胰島素刺激的ET-1的合成，raf-1介導了內皮細胞中胰島素誘導的ERK1/2和ET-1的釋放。APPL1可以恢復肥胖小鼠中胰島素介導的血管反應。用AMPK的激動劑AICAR和球形脂連素作用肌抵抗動脈，發現AMPK的激活可以通過抑制胰島素介導的ERK1/2的激活提高胰島素介導的血管舒張。這些研究表明，可以從胰島素受體水平到eNOS和ERK1/2調節內皮細胞中胰島素信號，這些調節通路的平衡最終決定胰島素對血管內皮的作用。

IR是2型糖尿病基本的臨床發病機制，目前認為正常水平的胰島素對于維持血管內皮的正常功能起著重要作用，胰島素能刺激血管內皮釋放NO或直接作用于血管平滑肌。胰島素還可增加內皮型NO合成酶的表達從而增加NO的釋放。

血管內皮功能障礙在2型糖尿病發病機制中的作用

血管內皮功能障礙是糖尿病血管并發癥發生的重要原因，血管內皮功能的改變也是糖尿病其他發病機理的重要因素，主要體現在胰島素抵抗、脂毒性和胰島素分泌受損。胰島素在內皮中的轉運直接決定了從血液中到血管內皮再到肌間質和肌細胞中的胰島素的含量，胰島素的這種內皮效應與兩個過程有關：內皮表面的調節和胰島素的跨內皮轉運。胰島素到達心肌細胞取決于胰島素的敏感性，而胰島素抵抗對這種效應影響大小至今還不明確。在人體中ET-1會降低胰島素的敏感性，降低ET-1可以提高肥胖患者的胰島素敏感性[17]。

骨骼肌、心肌、肝臟中脂質的累積是引起這些組織中胰島素刺激的葡萄糖攝取受損的重要原因，最近的兩個研究表明，血管內皮生長因子B（VEGF-B）和脂質轉運到血管內皮的調節決定了脂質在肌肉、心臟甚至是肝臟的累積[18-19]，抑制VEGF-B的表達可以預防2型糖尿病和恢復胰島素的敏感性。這些表明脂質轉運到內皮決定了異常的脂質累積的敏感性和2型糖尿病的發展。

結語

目前認為，血管內皮功能損傷是糖尿病血管病變發生的始動因素和主要病理生理學基礎，甚至尚未出現慢性血管并發癥的糖尿病患者已出現內皮功能明顯降低。上述途徑可在一定程度上解釋糖尿病血管病變的發生機制，為其防治提供重要的靶點，對糖尿病血管并發癥的防治具有重要意義。

參考文獻

Hirose A， Tanikawa T， Mori H， et al. Advanced glycation end products increase endothelial permeability through the RAGE/Rho signaling pathway [J]. FEBS Lett， 2010， 584（1）： 61-66.

Grover-Paez F， Zavalza-Gomez AB. Endothelial dysfunction and cardiovascular risk factors[J]. Diabetes Res Clin Pract， 2009， 84（1）： 1-10.

Giacco F， Brownlee M. Oxidative stress and diabetic complications[J]. Circ Res， 2010，107（9）：1058-1070.

Ceriello A. Point： postprandial glucose levels are a clinically important treatment target[J]. Diabetes Care， 2010， 33（8）： 1905-1907.

Banerjee M， Vats P. Reactive metabolites and antioxidant gene polymorphisms in type 2 diabetes mellitus[J]. Indian J Hum Genet， 2014， 20（1）： 10-19.

Xu B， Chibber R， Ruggiero D， et al. Impairment of vascular endothelial nitric oxide synthase activity by advanced glycation end products[J]. FASEB J， 2003， 17（10）： 1289-1291.

Tuttle KR， Anderberg RJ， Cooney SK， et al. Oxidative stress mediates protein kinase C activation and advanced glycation end ?product formation in a mesangial cell model of diabetes and high protein diet[J]. Am J Nephrol， 2009， 29（3）： 171-180.

Kiritoshi S， Nishikawa T， Sonoda K， et al. Reactive oxygen species from mitochondria induce cyclooxygenase-2 gene expression in human mesangial cells： potential role in diabetic nephropathy[J]. Diabetes， 2003， 52（10）： 2570-2577.

Obrosova IG， Li F， Abatan OI， et al. Role of poly（ADP-ribose） polymerase activation in diabetic neuropathy[J]. Diabetes， 2004， 53（3）： 711-720.

Brownlee M. Biochemistry and molecular cell biology of diabetic complications[J]. Nature， 2001， 414（6865）： 813-820.

Kim F， Tysseling KA， Rice J， et al. Free fatty acid impairment of nitric oxide production in endothelial cells is mediated by IKKbeta[J]. Arterioscler Thromb Vasc Biol， 2005， 25（5）： 989-994.

Potenza MA， Marasciulo FL， Chieppa DM， et al. Insulin resistance in spontaneously hypertensive rats is associated with endothelial dysfunction characterized by imbalance between NO and ET-1 production[J]. Am J Physiol Heart Circ Physiol， 2005， 289（2）： H813-H822.

Eringa EC， Stehouwer CD， Merlijn T， et al. Physiological concentrations of insulin induce endothelin-mediated vasoconstriction during inhibition of NOS or PI3-kinase in skeletal muscle arterioles[J]. Cardiovasc Res， 2002， 56（3）： 464-471.

Wang Y， Cheng KK， Lam KS， et al. APPL1 counteracts obesity-induced vascular insulin resistance and endothelial dysfunction by modulating the endothelial production of nitric oxide and endothelin-1 in mice[J]. Diabetes， 2011， 60（11）： 3044-3054.

Kubota T， Kubota N， Kumagai H， et al. Impaired insulin signaling in endothelial cells reduces insulin-induced glucose uptake by skeletal muscle[J]. Cell Metab， 2011， 13（3）： 294-307.

Wang C， Liu M， Riojas RA， et al. Protein kinase C theta （PKCtheta）-dependent phosphorylation of PDK1 at Ser504 and Ser532 contributes to palmitate-induced insulin resistance[J]. J Biol Chem， 2009， 284（4）： 2038-2044.

Lteif A， Vaishnava P， Baron AD， et al. Endothelin limits insulin action in obese/insulin-resistant humans[J]. Diabetes， 2007， 56（3）： 728-734.

Hagberg CE， Mehlem A， Falkevall A， et al. Targeting VEGF-B as a novel treatment for insulin resistance and type 2 diabetes[J]. Nature， 2012， 490（7420）： 426-430.

Hagberg CE， Falkevall A， Wang X， et al. Vascular endothelial growth factor B controls endothelial fatty acid uptake[J]. Nature， 2010， 464（7290）： 917-921.

（收稿日期：2014-07-22）