高血糖對血管內(nèi)皮細(xì)胞損傷機(jī)制的影響

廖凱斌，李潮生

(1.廣東醫(yī)科大學(xué)研究生學(xué)院，廣東 湛江 524023； 2.深圳市寶安區(qū)人民醫(yī)院心血管內(nèi)科，廣東 深圳 518101)

糖尿病是繼心腦血管疾病、腫瘤之后另一個(gè)嚴(yán)重危害人類健康的重要慢性非傳染性疾病。在糖尿病引起的慢性并發(fā)癥中，糖尿病性視網(wǎng)膜病變導(dǎo)致的失明、糖尿病腎病導(dǎo)致的慢性腎功能不全和糖尿病導(dǎo)致的心腦血管及外周動(dòng)脈疾病等的血管并發(fā)癥是糖尿病危害人類生命健康的重要原因，給人類帶來巨大危害，不僅會(huì)導(dǎo)致殘疾和早亡，還造成巨大的資金和資源浪費(fèi)，是糖尿病患者死亡的最主要原因[1-2]。內(nèi)皮細(xì)胞是人體最大的器官，是血管單元的關(guān)鍵組分，這些特殊分化的細(xì)胞組成血管的內(nèi)層，被覆在血管基膜上，周圍有支持性血管周細(xì)胞(周細(xì)胞或平滑肌細(xì)胞)，不僅在循環(huán)血液和血管壁之間起到天然屏障作用，還能對神經(jīng)、體液，特別是血流動(dòng)力學(xué)刺激做出反應(yīng)，包括調(diào)節(jié)白細(xì)胞的趨附影響炎癥反應(yīng),預(yù)防血小板聚集導(dǎo)致血栓形成,調(diào)節(jié)血管平滑肌細(xì)胞生長和遷移，以及通過合成和釋放血管活性物質(zhì)調(diào)節(jié)血管張力[3]。而高血糖的糖毒性作用作為糖尿病血管并發(fā)癥的主要致病因素，是血管內(nèi)皮細(xì)胞功能障礙的重要原因?，F(xiàn)就高血糖引起血管內(nèi)細(xì)胞損傷的主要作用機(jī)制予以綜述。

1 多元醇通路活化

多元醇通路是機(jī)體正常糖代謝途徑之一，該途徑涉及由醛糖還原酶和山梨糖醇脫氫酶催化的兩個(gè)連續(xù)反應(yīng)：第一個(gè)反應(yīng)是醛糖還原酶以消耗還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH)轉(zhuǎn)化為煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADP+)為代價(jià)將葡萄糖還原為山梨糖醇，第二個(gè)反應(yīng)是在山梨糖醇脫氫酶的催化下將山梨糖醇轉(zhuǎn)化為果糖，同時(shí)伴有還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸產(chǎn)生[4]。醛糖還原酶是多元醇通路的限速酶，但由于其與葡萄糖反應(yīng)的低親和力，醛糖還原酶在生理?xiàng)l件下催化葡萄糖還原的能力幾乎可以忽略不計(jì)。相反當(dāng)葡萄糖水平高時(shí)，醛糖還原酶和多元醇通路成為處理葡萄糖的主要途徑。在正常血糖條件下，多元醇通路通常不活躍，通過該途徑代謝的葡萄糖不到3%，但在糖尿病高血糖狀態(tài)下，進(jìn)入多元醇通路的葡萄糖可增加至30%左右[5]。在多元醇通路激活的過程中，NADPH的消耗、山梨糖醇的累積及果糖和還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸的產(chǎn)生均與高血糖導(dǎo)致血管內(nèi)皮功能損傷的發(fā)病機(jī)制有關(guān)[6]。

山梨糖醇是多元醇通路的特異性產(chǎn)物，不能自由通過細(xì)胞膜，因其在細(xì)胞內(nèi)堆積過多導(dǎo)致滲透壓升高造成細(xì)胞滲透性水腫，使細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能受損，并耗竭細(xì)胞內(nèi)肌醇，降低腺苷三磷酸酶活性，干擾細(xì)胞的正常代謝生理功能，產(chǎn)生病變[7]。另外，血管內(nèi)皮細(xì)胞內(nèi)大量果糖蓄積使細(xì)胞外液進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)引起滲透壓升高，造成血管內(nèi)皮細(xì)胞水腫、缺氧，從而使血管內(nèi)皮細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生障礙[8]。當(dāng)山梨糖醇及果糖在血管內(nèi)皮細(xì)胞大量堆積造成胞內(nèi)滲透壓明顯升高時(shí)，為維持胞內(nèi)滲透壓平衡，?；撬徇@樣的等滲因子被排出細(xì)胞外[9]，而?；撬峥赏ㄟ^調(diào)節(jié)抗氧化信號(hào)通路中的相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子，活化抗氧化信號(hào)通路，減少氧化應(yīng)激反應(yīng)[10]，所以細(xì)胞內(nèi)牛磺酸水平的下降會(huì)減弱細(xì)胞的抗氧化作用，造成血管內(nèi)皮細(xì)胞的功能障礙和損傷。在高血糖狀態(tài)下，多元醇通路活化，醛糖還原酶在將葡萄糖還原為山梨糖醇的同時(shí)將NADPH轉(zhuǎn)化為NADP+，大量消耗NADPH，使得NADPH/NADP+降低，NADPH/NADP+降低會(huì)破壞氧化型谷胱甘肽/還原型谷胱甘肽的氧化還原平衡，不利于氧化型谷胱甘肽轉(zhuǎn)化成還原型谷胱甘肽，因?yàn)镹ADPH是將氧化性谷胱甘肽還原為還原型谷胱甘肽所需關(guān)鍵酶——谷胱甘肽還原酶的輔助因子。谷胱甘肽可以通過過氧化物酶將過氧化氫還原為水，調(diào)節(jié)細(xì)胞的氧化還原反應(yīng)，清除細(xì)胞代謝過程中由電子傳遞鏈產(chǎn)生的自由基，從而降低細(xì)胞內(nèi)氧化應(yīng)激水平；同時(shí)，谷胱甘肽對氧化應(yīng)激時(shí)活性氧自由基的細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)具有重要調(diào)節(jié)作用[11]。從化學(xué)角度來看，多元醇途徑還可以與谷胱甘肽還原酶競爭NADPH，導(dǎo)致葡萄糖代謝的進(jìn)一步損害[4]。另外，由于多元醇途徑的第二反應(yīng)將山梨糖醇轉(zhuǎn)化為果糖的過程會(huì)消耗煙酰胺腺嘌呤二核苷酸生成還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸，而煙酰胺腺嘌呤二核苷酸是糖酵解途徑的關(guān)鍵酶甘油醛-3-磷酸脫氫酶的輔酶，過多地消耗煙酰胺腺嘌呤二核苷酸會(huì)下調(diào)糖酵解途徑。且產(chǎn)生的還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸過量也會(huì)抑制甘油醛-3-磷酸脫氫酶的活性導(dǎo)致更多的葡萄糖轉(zhuǎn)向非常規(guī)途徑，從而加重葡萄糖毒性[12]。此外，還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸的產(chǎn)生過多可以進(jìn)一步加重氧化還原失衡[13]。有證據(jù)表明，類黃酮可以通過抑制醛糖還原酶保護(hù)血管內(nèi)皮細(xì)胞對抗高糖誘導(dǎo)的損傷[14]。

2 晚期糖基化終末產(chǎn)物形成增加

晚期糖基化終末產(chǎn)物(advanced glycation end products，AGEs)是葡萄糖、果糖等還原糖和蛋白質(zhì)、脂質(zhì)及核酸的氨基在非酶促反應(yīng)下經(jīng)過重排、脫水、縮合等步驟形成的不可逆終末產(chǎn)物，且機(jī)體組織在生理衰老和高血糖條件下會(huì)加速AGEs的生成[15]。AGEs不僅可以通過對蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、核酸等的直接修飾影響細(xì)胞和組織功能，也可以通過與其特異受體AGEs受體結(jié)合，引發(fā)細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的改變，誘導(dǎo)蛋白質(zhì)功能的喪失和細(xì)胞凋亡。

細(xì)胞外的AGEs可通過蛋白交聯(lián)的方式對膠原蛋白進(jìn)行修飾，改變一些重要基質(zhì)蛋白分子的功能特征，從而影響基質(zhì)與細(xì)胞之間的相互作用，降低血管的順應(yīng)性，破壞血管壁與基膜結(jié)構(gòu)的完整性，導(dǎo)致血管的通透性增加[16]。同時(shí)，AGEs可以促進(jìn)氧化型低密度脂蛋白的形成，與初始低密度脂蛋白相比，糖基化的低密度脂蛋白更容易氧化，更容易被人單核細(xì)胞衍生的巨噬細(xì)胞吸收，導(dǎo)致并刺激泡沫細(xì)胞的形成，并最終導(dǎo)致早期動(dòng)脈粥樣硬化病變[17]。此外，AGEs在細(xì)胞內(nèi)蓄積可以損傷血管內(nèi)皮細(xì)胞，抑制內(nèi)皮細(xì)胞的活性，促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞的功能障礙和凋亡。AGEs的生物活性主要由AGEs受體介導(dǎo)，當(dāng)機(jī)體內(nèi)的AGEs水平較高時(shí)，AGEs能夠與表達(dá)AGEs受體的血管內(nèi)皮細(xì)胞相互作用，并通過產(chǎn)生氧自由基激活炎癥因子、啟動(dòng)氧化應(yīng)激，造成血管內(nèi)皮細(xì)胞的凋亡和脈管系統(tǒng)的炎癥，最終導(dǎo)致動(dòng)脈粥樣硬化形成[18]。AGEs受體是免疫球蛋白超家族的成員，是一種多配體的單跨膜信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)受體，存在于包括血管內(nèi)皮細(xì)胞在內(nèi)的多種細(xì)胞表面，AGEs與AGEs受體結(jié)合后，不僅刺激了AGEs受體自身的表達(dá)，還能參與激活胞內(nèi)多種信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，如p38促分裂原活化的蛋白激酶、磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B等，導(dǎo)致核轉(zhuǎn)錄因子(核因子κB)活化，促進(jìn)合成、釋放大量促炎因子和細(xì)胞黏附因子，如腫瘤壞死因子-α、白細(xì)胞介素-1、血管細(xì)胞黏附分子-1、血管內(nèi)皮生長因子、細(xì)胞間黏附分子-1等，最后造成內(nèi)皮功能障礙、血管壁炎癥和血管的損傷[2,19-21]。此外，AGEs還可以介導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞發(fā)生氧化損傷致使一氧化氮合酶活性降低，進(jìn)而導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞合成一氧化氮減少，且AGEs能夠與一氧化氮相結(jié)合，形成難以利用的超氧化氮，大大降低一氧化氮的生物利用度[22]。有研究證明，AGEs可以通過介導(dǎo)線粒體能量代謝和糖酵解的功能障礙，對人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞的增殖產(chǎn)生抑制作用[23]。

3 蛋白激酶C活化

蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)是一種鈣、磷脂依賴性的絲氨酸/蘇氨酸蛋白磷酸化酶，迄今為止發(fā)現(xiàn)PKC至少有12種同工酶，其廣泛存在于人體的各種組織細(xì)胞中，與蛋白激酶A和蛋白激酶G共同組成AGC家族。PKC在被激素、神經(jīng)遞質(zhì)、生長因素等細(xì)胞外因素激活后，完成對細(xì)胞外源性信號(hào)的應(yīng)答實(shí)現(xiàn)對靶蛋白的磷酸化，改變靶蛋白的生物活性，構(gòu)成細(xì)胞內(nèi)重要的信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在許多細(xì)胞功能中起關(guān)鍵作用。在糖尿病患者中，血糖升高可以通過多種途徑激活PKC，除了通過AGEs及多元醇通路間接激活PKC外，最主要的途徑為被細(xì)胞接受外來信號(hào)后產(chǎn)生的二酰甘油所激活，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)血糖水平升高時(shí)會(huì)促進(jìn)葡萄糖通過糖酵解途徑生成過多的二酰甘油，從而使PKC的活化水平明顯升高[24]。PKC激活可以引起一系列的繼發(fā)反應(yīng)導(dǎo)致血管內(nèi)皮功能改變：①有研究證明，在高葡萄糖濃度下培養(yǎng)的主動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞中內(nèi)皮型一氧化氮合酶表達(dá)水平下降，導(dǎo)致一氧化氮生成減少。而用PKC抑制劑可以防止這種因血糖水平升高導(dǎo)致的細(xì)胞內(nèi)一氧化氮生成減少[25]。PKC的激活會(huì)減少一氧化氮的生成及改變其生物利用度，影響由一氧化氮、前列環(huán)素及內(nèi)皮依賴性超極化因子介導(dǎo)的血管擴(kuò)張，以及激活由內(nèi)皮素-1、血栓素A2和前列腺素E2介導(dǎo)的血管收縮，導(dǎo)致內(nèi)皮依賴性血管舒張功能障礙[26]。②在血管內(nèi)皮細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞中，PKC的過度激活可通過影響生長因子的表達(dá)來調(diào)節(jié)血管內(nèi)皮的通透性和新生血管的形成，如誘導(dǎo)血管內(nèi)皮生長因子的表達(dá)增加；同時(shí)，PKC的活化還可以誘導(dǎo)血管細(xì)胞黏附分子-1、細(xì)胞間黏附分子-1、環(huán)加氧酶-2 、單核細(xì)胞趨化蛋白-1和E-選擇素等多種炎癥介質(zhì)的表達(dá)增加以及激活核因子κB，促進(jìn)炎癥反應(yīng)相關(guān)基因表達(dá)，參與血管內(nèi)皮細(xì)胞的炎癥過程[27]。③PKC可以促進(jìn)纖溶酶原激活物抑制劑的表達(dá)、細(xì)胞內(nèi)黏附分子的生成及刺激血小板凝聚，使血液黏滯度升高，纖維蛋白系統(tǒng)活性降低，從而造成糖尿病患者的高凝狀態(tài)及增加血栓形成[28]。④PKC的激活還可促進(jìn)細(xì)胞中轉(zhuǎn)化生長因子-β、原癌基因c-fos的表達(dá)及纖連蛋白和Ⅳ型膠原的合成，改變成纖維細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞的增殖和功能，從細(xì)胞外基質(zhì)蛋白及基膜等方面實(shí)現(xiàn)對血管壁的修復(fù)調(diào)節(jié)作用，刺激體內(nèi)新生血管的形成，導(dǎo)致毛細(xì)血管閉塞[29]。有研究證明，高血糖可通過PKC誘導(dǎo)促進(jìn)人腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞凋亡[30]。此外，PKC還參與激活各種膜相關(guān)的NADPH依賴性氧化酶，從而造成氧化應(yīng)激損傷[31]。

4 己糖胺通路過度激活

己糖胺合成通路是機(jī)體的正常糖代謝途徑之一，該途徑中來自糖酵解的6-磷酸果糖在限速酶6-磷酸果糖酰胺轉(zhuǎn)移酶的催化下，由谷氨酰胺提供氨基，生成6-磷酸葡萄糖胺，再經(jīng)過一系列的反應(yīng)最終生成二磷酸尿嘧啶-N-乙酰葡萄糖胺[32]。細(xì)胞或組織中6-磷酸果糖酰胺轉(zhuǎn)移酶的活性及二磷酸尿嘧啶-N-乙酰葡萄糖胺的水平可以反映己糖胺合成通路活性的高低[33]。二磷酸尿嘧啶-N-乙酰葡萄糖胺可以在N-乙酰葡萄糖胺轉(zhuǎn)移酶的作用下，通過糖基化的方式對細(xì)胞質(zhì)和核蛋白上的特定絲氨酸和蘇氨酸殘基進(jìn)行翻譯和修飾，生成O-乙酰葡萄糖胺，進(jìn)而影響細(xì)胞的許多生命活動(dòng)，如導(dǎo)致線粒體功能障礙、刺激心肌成纖維細(xì)胞活化增殖、膠原合成，上調(diào)纖維連接蛋白和轉(zhuǎn)化生長因子-1的表達(dá)，導(dǎo)致細(xì)胞外基質(zhì)沉積增加，最終可能導(dǎo)致糖尿病心臟病的心肌肥大和心肌纖維化[34-35]。同時(shí)，通過己糖胺途徑產(chǎn)生的過量二磷酸尿嘧啶-N-乙酰葡萄糖胺會(huì)改變血管內(nèi)皮細(xì)胞中某些生長因子的基因表達(dá)水平，如纖溶酶原激活物抑制劑-1、成纖維細(xì)胞生長因子-2、腫瘤壞死因子-α和腫瘤壞死因子-β，增加內(nèi)生纖維溶解蛋白活性、改變血管內(nèi)皮細(xì)胞的滲透壓、促進(jìn)血管平滑肌細(xì)胞的有絲分裂、造成基膜增厚，從而影響血管重構(gòu)的調(diào)節(jié)功能和導(dǎo)致動(dòng)脈粥樣硬化[36]。研究發(fā)現(xiàn)，糖尿病大鼠腎臟中可有巨噬細(xì)胞浸潤并伴有炎癥黏附因子(細(xì)胞間黏附分子-1、血管細(xì)胞黏附分子-1和單核細(xì)胞趨化蛋白-1)的表達(dá)增加，而這些因子的表達(dá)均受核因子κB的調(diào)控[37]。因此，己糖胺合成通路作為高糖活化核因子κB的途徑之一，介導(dǎo)高血糖引起的更廣泛的毒性作用。另外，己糖胺通路可通過6-磷酸果糖酰胺轉(zhuǎn)移酶引起動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞損傷[38]，應(yīng)用己糖胺生物合成抑制劑可通過抗氧化作用抑制高血糖引起的內(nèi)皮細(xì)胞炎癥及功能失調(diào)[39]。雖然內(nèi)皮型一氧化氮合酶產(chǎn)生的一氧化氮和蛋白激酶B的上游活化均易受O-乙酰葡萄糖胺修飾的影響，但通過6-磷酸果糖酰胺轉(zhuǎn)移酶抑制劑可以逆轉(zhuǎn)這種內(nèi)皮型一氧化氮合酶的抑制及其翻譯和修飾的變化[40]?？梢?，高血糖激活己糖胺途徑后，通過基因表達(dá)及蛋白質(zhì)功能的改變參與糖尿病所造成的血管內(nèi)皮功能改變[41]。

5 小 結(jié)

高血糖作為糖尿病慢性并發(fā)癥的重要病理特征，主要通過多元醇通路活化、AGEs形成增加、PKC活化及己糖胺通路合成增加等機(jī)制直接或間接地影響血管內(nèi)皮細(xì)胞功能，加重糖尿病血管病變。因此，嚴(yán)格控制血糖，維持血糖水平穩(wěn)定能夠減少甚至避免糖尿病腎臟病變、視網(wǎng)膜病變、神經(jīng)病變和周圍血管病變等糖尿病血管病變的發(fā)生。未來，進(jìn)一步了解高血糖損傷血管內(nèi)皮細(xì)胞的機(jī)制不僅能為防治糖尿病血管并發(fā)癥提供理論依據(jù)，還能為更好地治療糖尿病提供新思路和新途徑。