2型糖尿病對周圍動脈疾病側支動脈生成的影響*

谷嬌嬌 綜述 高懷林,2,# 審校

周圍動脈疾病(Peripheral Arterial Disease,PAD)是指周圍血管部分或完全閉塞引起缺血臨床表現的一類疾病,多發于下肢,可致潰瘍或截肢。2型糖尿病(Type 2 Diabetes Mellitus,T2DM)是PAD發生的危險因素,也是T2DM患者致殘和致死的重要原因。既往文獻報道,T2DM并發PAD風險是非DM患者的7倍,截肢風險是非DM患者的5倍[1]。現有治療手段的臨床效果并不理想,其原因與DM阻礙或破壞側支動脈生成有關。側支動脈是小動脈與小動脈之間的吻合,直徑10-30μm,是除動脈-毛細血管-靜脈循環和淋巴循環外的“第三循環”[2]。側支動脈生成是由特定的動脈信號通路、生長因子及血管壁和循環細胞駐留等參與的管腔擴張和管壁生長的復雜生物學過程,如包括使處于關閉狀態的側支動脈開放、擴大、重塑,從而增加側支動脈生成量然適應性反應、助力PAD患者的康復。本文初步綜述T2DM對側支動脈生成的影響。

1 T2DM降低內皮細胞血流剪切力(FSS)敏感性并導致內皮細胞焦亡使側支動脈生成不良

1.1 側支動脈生成與FSS

動脈生成的早期啟動因素是突然增加的FSS。FSS是血液與血管內皮摩擦產生的切線力,與血液黏度、血流量、血管半徑相關,當血管壓力增大時FSS會顯著增加[3]。內皮細胞豐富的感受器可感知FSS變化,不僅內皮表面糖萼及其組分可以充當感受器,血管內皮鈣黏素(VE-cadherin)、血小板內皮細胞黏附分子-1(PECAM-1)、血管內皮細胞生長因子受體-2(VEGFR-2)復合物也可感受FSS變化[4],還有一些分子如細胞間黏附分子-1(ICAM-1)、轉化生長因子-β(TGF-β)和內皮型一氧化氮合酶(eNOS)的基因啟動子中也發現有FSS反應元件[5]。它們感受到FSS變化后,即行生化分子信息傳導,從細胞外空間到達血管平滑肌,促進平滑肌細胞表型轉變,進而促進側支動脈生成[6]。具體信號通路及分子涉及NOS亞型激活及一氧化氮(NO)大量產生導致內皮細胞分泌(VEGF)[7];內皮細胞和平滑肌細胞合成單核細胞趨化蛋白-1(MCP-1);內皮細胞分泌TGF、粒細胞巨噬細胞集落刺激因子(GM-CSF)等引起單核細胞及其前體被吸引、激活、黏附和聚集[8]。此外,內皮細胞還可通過VEGFR-2激活細胞外調節激酶(ERK)來調節動脈血管的形成、分支范圍和管腔大小[9]。

1.2 T2DM降低內皮細胞FSS敏感性引發側支動脈生成不良

T2DM患者的血管內皮細胞對FSS敏感性下降的機制尚未完全清楚,有研究認為可能與高血糖及血管持續炎癥狀態有關[10]。正常血糖條件下,FSS變化能激活內皮細胞上的PECAM/VE-cadherin/VEGFR2復合物,使磷脂酰肌醇-3激酶(PI3K)磷酸化,磷酸化PI3K又使黏附斑激酶(FAK)磷酸化、并激活蛋白激酶B(Akt),導致eNOS磷酸化和NO釋放,促進側支動脈生成。高血糖會使蛋白激酶C(PKC)升高,影響FAK磷酸化,降低內皮細胞對FSS敏感性[11,12]。T2DM患者血管系統處于炎癥狀態,其PKC、腫瘤壞死因子-α(TNF-α)和核因子-κB(NF-κB)等炎癥因子水平明顯升高[13],也可使內皮細胞對FSS的敏感性降低,從而阻礙動脈生成聯級反應終致側支動脈生成不良。

1.3 T2DM導致內皮細胞焦亡致側支動脈生成受限

細胞焦亡又稱細胞炎性壞死,是一種程序性細胞死亡方式,其特征為炎性小體聚集、膜孔形成和炎性因子IL-1β、IL-18的分泌。經典的細胞焦亡分子機制為不同類型的刺激,誘導細胞內NOD樣受體熱蛋白結構域相關蛋白3(NLRP3)表達上調,招募半胱氨酸蛋白酶1(Caspase-1)前體形成核苷酸結合寡聚化結構域樣受體蛋白3(NLRP3)炎癥小體并活化為Caspase-1,活化后的 Caspase-1 將底物 Gasdermin D(GSDMD)切割為N端和C端兩部分,其中GSDMD-N與細胞膜結合并破壞其穩定性,形成大寡聚孔,導致細胞內容物以及炎癥因子IL-1β、IL-18 釋放,引起炎癥反應[14]。有研究認為內皮細胞,焦亡可增加ICAM-1、血管細胞黏附分子-1(VCAM-1)表達水平,觸發單核細胞募集并跨越內皮細胞遷移成為巨噬細胞,在動脈壁形成脂肪條紋,加速動脈粥樣硬化并進一步加劇PAD的發生,該研究還顯示,內皮細胞焦亡也可影響側支動脈生成,如抑制Caspase-1可改善溶血磷脂酰膽堿(LPC)誘導的人主動脈內皮細胞(HAEC)的小管形成能力,以及敲低實驗小鼠Caspase-1后,其缺血組織的血管新生和血液供應均得到改善[15]。表明抑制內皮細胞焦亡,減輕內皮細胞損傷,可以增強側支動脈生成的能力。

2 T2DM影響單核/巨噬細胞招募致側支動脈生成受限

2.1 單核/巨噬細胞募集與側支動脈生成

單核/巨噬細胞在動脈生成發揮著重要作用,不僅是動脈生成的募集對象,還通過釋放生長因子、蛋白酶、趨化因子等影響動脈生成過程。FSS變化可激活內皮細胞分泌趨化因子等,促進單核細胞聚集,單核細胞受到來自內皮細胞化學信號的吸引,遷移到血管周圍,穿過管壁至內膜,成為巨噬細胞。單核/巨噬細胞可通過表達基質金屬蛋白酶(MMPs)和尿激酶型纖溶酶原激活物(uPA)等消化細胞外支架,為新生細胞提供活動空間,并促進平滑肌細胞的增殖和側支動脈生成[16]。

此外,單核/巨噬細胞還可通過旁分泌作用促進側支動脈生成,如其釋放的成纖維細胞生長因子-2(FGF-2)、VEGF及血小板衍生生長因子(PDGF)等,可直接促進內皮細胞及平滑肌細胞的增殖,及血管生成[17]。單核/巨噬細胞還分泌TGF-β和MCP-1,來促進動脈生成。MCP-1被激活后產生TNF-α,吸引更多單核細胞募集,也有利于加速平滑肌細胞增殖及動脈生成。單核/巨噬細胞的募集還會上調誘導型一氧化氮合酶(iNOS)表達,和生成大量NO,以維持正常氧化還原狀態,進而促進動脈生成[18]。其它因子如GM-CSF可以延長單核細胞壽命,也是重要的動脈生成因子[19]。

2.2 T2DM影響單核/巨噬細胞招募使側支動脈生成受限

T2DM可通過炎癥來影響單核/巨噬細胞的招募而影響側支動脈生成。動物實驗顯示,與野生型小鼠相比,db/db小鼠的單核細胞募集嚴重減少,單核細胞向MCP-1受體配件CCL2的遷移也顯著減少,導致側支區域的血容量降低[20];缺乏MCP-1受體C-C趨化因子受體2或其配體CCL2的小鼠,在缺血區表現出與低水平單核/巨噬細胞浸潤相關的血管重建障礙[21]。還有研究發現,T2DM患者的單核細胞對VEGFR-1的趨化作用完全鈍化,其分子機制主要涉及絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)/P38以及ERK1/2等信號通路障礙[22]。加上DM患者持續高血糖可誘導ROS和AGEs的過度生成,AGEs與RAGE結合直接激活p38和ERK1/2,引發VEGF抵抗,減少單核細胞向側支循環形成區域募集[23,24]。表明T2DM嚴重影響單核/巨噬細胞募集和側支動脈形成。

3 T2DM阻礙平滑肌細胞增殖遷移致側支動脈生成障礙

3.1 平滑肌細胞增殖遷移與側支動脈生成

側支動脈生成過程主要由平滑肌細胞增殖主導。其重要步驟是血管平滑肌細胞從靜止收縮表型轉變到增殖性、遷移型和去分化的合成表型,其標志是肌特殊結構蛋白如肌間線蛋白的消失及肌動蛋白的成熟[25]。側支血管成熟、擴大的結構重建由單核細胞遷徙到側支血管啟動,單核細胞產生炎性和生長因子如TGF-β、TNF-α、表皮生長因子(EGF)、FGF等擴散到側支血管內側,調節平滑肌細胞表型切換。動脈壓力增加后,內皮細胞持續暴露于增加的FSS,可能抑制平滑肌細胞增殖,并誘導其從合成表型向收縮表型的轉變[26]。炎癥引起的平滑肌細胞、內皮細胞和免疫細胞之間的交互作用,也可以使血管平滑肌在側支血管重塑背景下向收縮表型轉變[27]。而肌動蛋白結合蛋白如肌動蛋白結合Rho激活蛋白(ABRA)、切絲蛋白(cofilin)以及胸腺肽β4等在促進平滑肌增殖方面起重要作用,它們可決定肌動蛋白的聚合、成熟并促進整合素和連接蛋白表達上調,從而使血管直徑增加2-20倍(具體增加倍數因物種體積大小而異)[28,29]。

3.2 T2DM 阻礙平滑肌細胞增殖遷移引起側支動脈生成障礙

平滑肌細胞的增殖、遷移是側支動脈生成的關鍵步驟,參與其中起重要作用。MMPs與其抑制物TIMPs之間的平衡是重建血管壁的重要前提。在血管重塑過程中,MMP2、MMP-9和TIMPs在血管內膜中表達均上調。T2DM可能破壞動脈形成過程中的這種平衡[30]。有研究顯示可通過影響MMP表達水平來影響平滑肌細胞表型[31]。如培養細胞中,高糖可抑制平滑肌細胞MMP-1、MMP-2和MMP-9的表達和活性[31]。動物實驗中,Leprdb/db可抑制缺血誘導的小鼠后肢MMP-2、MMP12和MMP-16的上調[32],從而使平滑肌細胞由收縮向增殖、遷移型轉換受阻,或造成增殖遷移型向收縮型轉變。還有研究表明T2DM高血糖可促進AGE積累,降低MMP-1、MMP-2、MMP-3和MMP-13活性,進而影響血管外基質的重構[33]。此外,血管平滑肌功能還受到許多離子通道的精細調節,包括鉀(K+)通道超家族成員和電壓門控L型鈣離子通道,高血糖和離子通道功能可能相互影響[34]。目前,高血糖對血管平滑肌離子通道功能的調節正在成為相關研究的重要內容。

4 小結

PAD患者側支動脈生成主要依賴于內皮細胞對FSS的感知和分子信號的傳導、單核/巨噬細胞的招募及平滑肌細胞的增殖、遷移。T2DM對PAD側支動脈生成的影響一是減弱內皮細胞對FSS的敏感性,并導致內皮焦亡、功能障礙,降低內皮細胞對血管擴張刺激的反應;其次是損害單核細胞的下游信號,導致單核/巨噬細胞招募受損;最后,在側支動脈形成的結構階段,損害基質更新、平滑肌細胞增殖和成纖維細胞遷移。