糖萼損傷在相關疾病發生發展中的作用

王如夢，曾偉，羅佛全，汪夢蝶，秦佳

糖萼（glycocalyx，GC）是覆蓋于內皮細胞和上皮細胞表面的由多種活性物質組成的絨毛狀結構層，是內皮和上皮屏障的重要組成部分，在許多正常生理功能維護中起重要作用。GC 損傷與機體多種疾病的發生發展有關。本文闡述GC 的結構、功能、降解機制及其在相關疾病發生發展中的作用，旨在為GC 表達失調相關疾病的防治提供新思路。

1 GC 的結構與特點

1.1 結構 GC 在希臘語中被譯為“甜殼”，是由內皮細胞合成分泌的蛋白多糖復合物，主要附著在血管內皮細胞的腔面。1966 年Luft 等[1]首次利用釕紅染色技術證實了GC 結構層的存在。2018 年研究者利用鑭堿性固定劑，在電鏡下發現GC 呈苔蘚狀覆蓋在內皮細胞表面[2]。同年，Haeger 等[3]在脂多糖誘導的急性肺損傷的研究中證實了肺泡上皮GC 的存在，并對其在肺泡通透性中的作用進行了描述。

GC 的骨架結構由糖蛋白和蛋白多糖（proteoglycans，PGs）構成，PGs 由核心蛋白主鏈和帶負電荷的糖胺聚糖（glycosaminoglycan，GAG）側鏈組成。PGs的核心蛋白分為多配體聚糖家族（syndecans）和磷脂酰肌醇蛋白聚糖家族（glypicans）。GAG 的組分包括硫酸乙酰肝素（heparan sulfate，HS）、硫酸軟骨素（chondroitin sulfate，CS）、透明質酸（hyaluronic acid，HA）、硫酸皮膚素（dermatan sulfate，DS）等。其中HS 的含量最高，占50%～90%。特殊的是HA 不與核心蛋白直接結合，而是與細胞表面的CD44 受體結合，在GC 結構的穩定性中起重要作用。血漿中的可溶性組分，如抗凝血酶、超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、血漿黏附分子等隱藏在GC 的網孔結構中[4]，見圖1。

圖1 糖萼結構示意圖

1.2 特點 GC 結構存在不穩定性，GC 層是一個非靜態的結構且極易損傷脫落。GC 結構在正常生理條件下也會發生脫落，一般需要6 ～8 h 恢復再生。在病理條件下，更易損傷脫落，且其修復需要更長時間，需要一至數周[5]。引起GC 損傷的病理條件主要包括高血壓、高血糖、缺血再灌注、高血容量及炎癥等[6]。

2 GC 的分子生物學功能

GC層是血管內外液體平衡調節的關鍵，其可阻止血液中的血漿蛋白及大分子通過，起到調節血管通透性、維持血管內外滲透壓的作用[7]。在大鼠的模型中證實血管內皮GC 的缺失會造成微循環障礙、組織水腫及蛋白尿的產生[8]。另相關研究指出，GC具有電荷屏障功能，可阻止血液中血小板、白細胞等帶負電的分子在血管內皮的黏附，對預防血栓形成及血管內膜增生有益[9]。GC 表面成分HS 可通過與血管緊張素（angiopoietin，Ang）/酪氨酸激酶受體2（Tie2）的相互作用，發揮細胞間信號轉導的作用[10]。此外，GC 還具有剪切力傳感器的功能，其成分HA是應對剪切力所必需的，可將剪切應力轉移到肌動蛋白細胞骨架上，并啟動內皮細胞相關信號通路，介導一氧化氮合酶（endothelial nitric oxide synthase，eNOS）的激活和NO 的釋放，有助于血管擴張，保護血管內皮免受剪切力損傷[11]。Cosgun 等[12]從納米力學角度對GC 的結構與功能進行深入研究中亦發現其具有調節血管通透性、抑制白細胞黏附、抗組織水腫等生物學功能。

3 GC 降解機制

3.1 氧化應激 在正常情況下，機體的氧化系統與抗氧化系統處于動態平衡之中。機體在受到機械刺激或缺血再灌注等傷害性應激時發生氧化應激反應，進而產生大量活性氧（reactive oxygen species，ROS）、活性氮（reactive nitrogen species，RNS）、過氧化氫（H2O2）等自由基導致GC 損傷。Kazuma 等[13]研究發現，機體在缺血再灌注期間，氧化應激誘發H2O2的釋放可破壞GC中的唾液酸，導致血管舒張功能減退。體外研究證實，缺氧狀態下ROS 增多可介導GC損傷，但ROS 不直接造成內皮GC 損傷，而與內質網三磷酸肌醇受體離子通道介導的Ca2+釋放有關[14]。另外，過多的ROS 還可通過間接激活基質金屬蛋白酶（matrixmetalloproteinases，MMPs）活性，導致GC損傷[15]。

3.2 炎癥反應 GC 是血管最內層結構，是炎癥最先侵及的部位。現有許多研究經證實GC 降解與炎癥反應有關。在炎性條件下，炎性細胞釋放大量的酶和反應性物質導致GC 損傷，手術所致的炎癥反應同樣可以引起GC 損傷[16]。肥大細胞可直接釋放HPSE，降解連接在核心蛋白上的HS 側鏈，脫落的HS 片段可通過與內皮細胞上Toll 樣受體4（TLR4）結合并激活核因子- B（NF- B）信號通路，導致促炎因子TNF- 、IL-8 等大量生成，形成炎癥級聯反應，加重內皮GC 損傷[17]。活化的嗜中性粒細胞可通過產生ROS/RNS 或激活MMPs 導致GC 成分脫落[18]。

3.3 酶激活 機體是一個復雜的酶促反應系統，當機體的內環境發生改變后，會使無活性的酶原轉變為有活性的酶，引發機體生理功能紊亂。肝素酶、MMPs、透明質酸酶等過表達均可誘發GC 結構裂解。肝素酶是一種-葡糖醛酸內切酶，正常情況下HPSE的表達處于被抑制狀態；炎癥刺激下HPSE表達增加，可特異性降解GC 乙酰肝素側鏈[19]。MMPs是以鋅離子為活性中心的內肽酶，具有降解細胞外基質的作用。發生炎癥反應時，炎性細胞和內皮細胞可分泌大量MMPs，其中MMP-9 可剪切GAG 側鏈與蛋白聚糖之間的共價連接，使GC 裂解。研究顯示，MMPs還可通過抑制機體Ang1/Tie2 抗炎系統活性，促進HPSE 釋放，從而導致GC 降解[20]。息肉脈絡膜血管病變模型中透明質酸酶表達上調，可使HA 降解加速，從而促進GC 損傷[21]。

4 GC 在疾病發生發展中的作用

越來越多研究發現，GC結構的完整與否與諸多疾病的發生發展有相關，包括血管疾病、癌癥、COVID-19、肺水腫及纖維化等。

4.1 癌癥 體外研究顯示，培養基中GC 損傷脫落物Syndecan-1、HA含量上升可抑制乳腺癌細胞凋亡，加速癌細胞生長[22]。抑制GC 中HS、HA 的表達可顯著抑制腎癌細胞在重度聯合免疫缺陷（SCID）小鼠體內的轉移[23]，抑制腫瘤細胞CS 的表達也會延遲前列腺癌的進展[24]。分子力學研究亦證實，腫瘤發生發展與GC損傷有關，GC可對腫瘤血管的間質做出反應，當GC 受到剪切力的影響受損時，可促進MMPs 分泌，加速細胞外間質降解，從而促進腫瘤的轉移[25]。

4.2 COVID-19 現有證據提示，內皮細胞GC 在COVID-19 的發病機制中起重要作用[26]。2020 年相關研究顯示，COVID-19 患者血漿中GC脫落成分顯著增加[27]。前瞻性對照研究發現，患者血漿中GC 損傷標志物的含量與COVID-19 的嚴重程度相關[28]。近期，Preez 等[29]對GC 的硫酸化程度與COVID-19的相關性進行了分析，發現上皮完整且高度硫酸化的GC 可通過其靜電力排斥呼吸病毒侵入，相反硫酸化程度不足的GC 則會增加機體對SARS-CoV-2病毒的易感性，并提出通過調控內皮GC 的完整性預防COVID-19 的發生。

4.3 心臟疾病 研究發現，缺血性心臟疾病或心力衰竭患者血清中syndecans 水平顯著升高與疾病惡化有關[30]。Wernly 等[31]在分析血漿syndecan-1 濃度對急性ST段抬高型心肌梗死（STMI）患者未來發生心血管不良事件的預測作用中發現，syndecan-1 與傳統的心肌損傷標志物關系不明，而與STMI后6 個月死亡率獨立相關。心肌梗死小鼠模型研究發現，重組syndecan-1（rSyn-1）預處理可減輕GC 成分的脫落，并減輕心肌細胞損傷[32]。

4.4 其他疾病 GC 除與腫瘤、COVID-19、心臟疾病等密切相關外，還與糖尿病并發癥（腎病、眼病、心肌疾病）、急性肺水腫及腎纖維化等相關。糖尿病腎臟早期病理損傷可能與Syndecan1 表達降低有關，補充GC 成分可減輕糖尿病所致腎臟損傷[33]，這與GC損傷可加劇急性腎損傷的早期發現相一致[34]。眼球表面上皮細胞中的GC 主要起潤滑、濕潤、屏障作用,增加syndecan-1 的合成，對糖尿病所致視網膜病有治療作用[35]。恢復內皮GC 可逆轉Ⅰ型糖尿病小鼠的心臟舒張功能障礙，因此維護GC 完整性可能是糖尿病的治療靶點之一[36]。有研究發現，肺泡上皮GC 脫落可導致肺泡通透性及炎性滲出增加，從而誘發急性肺水腫[37]。最近有證據提示，GC 功能障礙還可能參與了腎臟纖維化過程，機制可能與GC損傷后激活G蛋白偶聯受體信號通路，導致血管收縮、細胞外基質生長和纖維化有關[38]。

5 GC 表達與修復調控

正常情況下GC的修復是一個自發再生的過程，這個修復過程需要數天的過程，破壞嚴重的情況下需要更長的修復時間。以GC 為治療靶點，通過調控GC 的生物表達已成為研究的熱點[39]。研究顯示，舒洛地特作用于GC靶點，具有抗炎抗血栓和免疫調節作用，可促進GC 的合成從而有效預防COVID-19引發的血管并發癥[40]。術前使用大劑量糖皮質激素可減少全膝關節置換術患者早期內皮的活化，降低GC 損傷，減輕全身炎癥反應[41]。圍術期烏司他汀的使用能減輕全身炎癥反應，減少血管內皮GC 的破壞，降低血漿白蛋白的外滲[42]。研究顯示在小鼠的膿毒癥模型中，抗凝血酶可抑制syndecan-1 和HA等的降解，保護GC 結構的完整性，有效維持微循環的穩定，延緩膿毒癥的進展[43]。與之不同的是腫瘤細胞表面GC的增厚可促進腫瘤的生長，基于這一生物相關性，Li 等[44]報道了通過抑制GC 中HS 表達可減少乳腺癌細胞在血腦屏障中的轉移和黏附，并提出可通過藥物靶向治療HS 介導的乳腺癌腦轉移，提示將GC 作為腫瘤的治療靶點具有可行性。因此，通過調控GC 的表達可為疾病的治療提供新思路。

6 小結與展望

綜上所述，GC是保護內皮和上皮細胞的第一道屏障，在維持內皮及上皮細胞的屏障結構和功能完整性方面具有重要作用。GC 損傷與多種疾病的發生發展有關，其脫落物如GAGs、PGs 的含量亦可作為COVID-19、癌癥、創傷、膿毒癥等疾病嚴重程度的評價指標。調控GC 的表達與修復有望成為某些疾病的防治新策略。

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