糖酵解與動脈粥樣硬化進展

沈朝乾，趙雪竹，董增祥,2，田野

動脈粥樣硬化（AS）是一種慢性代謝性疾病，伴有持續(xù)的動脈管壁無菌炎癥，可引發(fā)急性心肌梗死、腦卒中、下肢動脈閉塞等嚴(yán)重不良心血管事件，極大威脅人類健康。AS誘發(fā)因素復(fù)雜，其發(fā)生發(fā)展機制至今仍未明確。大量研究提示內(nèi)皮細(xì)胞、血管平滑肌細(xì)胞、巨噬細(xì)胞及樹突狀細(xì)胞、T細(xì)胞等免疫細(xì)胞糖酵解代謝異常誘發(fā)一系列病理改變，加劇系統(tǒng)炎癥，推動AS進展。此外，近期關(guān)于非編碼RNA參與調(diào)控糖酵解代謝的諸多研究亦為AS治療提供了新的思路。本文將圍繞關(guān)于糖酵解代謝方式與AS進展的相關(guān)研究進行綜述。

1 糖酵解及關(guān)鍵酶

癌細(xì)胞葡萄糖攝取和乳酸生成增加，在氧氣充足的環(huán)境下仍以糖酵解為主要代謝方式，該現(xiàn)象被稱為Warburg效應(yīng)，實質(zhì)是細(xì)胞發(fā)生了由線粒體氧化磷酸化（OXPHOS）轉(zhuǎn)向有氧糖酵解的代謝重編程[1]。首先，葡萄糖轉(zhuǎn)運體（GLUT）負(fù)責(zé)細(xì)胞葡萄糖的攝入，通過三種糖酵解關(guān)鍵限速酶：己糖激酶（HK）、6-磷酸果糖激酶-1（PFK-1）和丙酮酸激酶（PK）的共同作用，將葡萄糖轉(zhuǎn)化為丙酮酸，乳酸脫氫酶（LDH）介導(dǎo)糖酵解終反應(yīng)，催化丙酮酸生成乳酸。最后，一元羧酸轉(zhuǎn)運蛋白釋放乳酸到細(xì)胞外基質(zhì)。此外，丙酮酸脫氫酶激酶（PDK）通過對抗丙酮酸脫氫酶（PDH），抑制其將丙酮酸催化成乙酰輔酶A而限制了三羧酸循環(huán)，使糖代謝不斷向糖酵解傾斜[2]。6-磷酸果糖-2-激酶/果糖-2,6-二磷酸酶3（PFKFB3）促進2,6-二磷酸果糖生成，是PFK-1的強效激活劑[3]。

盡管在消耗等量葡萄糖時糖酵解比線粒體OXPHOS產(chǎn)生的ATP少，但其代謝速率較高能夠快速供能且代謝產(chǎn)物還參與蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、核酸等生物合成及細(xì)胞功能調(diào)控[1,4]。越來越多證據(jù)表明，Warburg效應(yīng)實際上是許多病理條件下具有高增殖需求和生理條件下部分細(xì)胞的主動選擇，不僅是腫瘤細(xì)胞的專利，還密切參與著許多非腫瘤（包括炎癥性）疾病進展[1,4]，而在AS中可能涉及內(nèi)皮細(xì)胞功能失調(diào)、血管平滑肌細(xì)胞增殖遷移、巨噬細(xì)胞極化、炎癥反應(yīng)等病理過程。

2 細(xì)胞糖酵解與AS

2.1 內(nèi)皮細(xì)胞糖酵解與ASAS早期動脈血管內(nèi)皮損傷，通透性增強，伴有內(nèi)皮細(xì)胞（ECs）活化和功能障礙，導(dǎo)致脂質(zhì)在動脈壁異常積聚，始動AS斑塊形成。糖酵解是正常生理狀態(tài)下ECs的主要能量代謝方式，為ECs提供占細(xì)胞總量85%的ATP[3]。Xu等報道稱，在人臍靜脈ECs中過表達miR-143可通過靶向下調(diào)HK2抑制糖酵解，導(dǎo)致ECs功能障礙[5]。此外，糖酵解在ECs增殖、遷移及維持血管內(nèi)皮通透性中同樣具有重要作用。AS易發(fā)（atheroprone）區(qū)域動脈管壁異常的剪切應(yīng)力等危險因素導(dǎo)致部分ECs凋亡，損害了內(nèi)皮屏障的完整性，原本處于靜息狀態(tài)的ECs在病理條件下被激活，糖酵解代謝顯著上調(diào)[6]。Yang等[7]發(fā)現(xiàn)能量傳感器PRKAA1/AMPKα1介導(dǎo)的糖酵解保證了AS易發(fā)區(qū)域ECs的正常代謝和增殖，對維持ECs穩(wěn)態(tài)及血管內(nèi)皮單層完整性具有重要意義，選擇性敲除ECs中PRKAA1基因引起ECs糖酵解水平及增殖速率降低，ECs功能障礙、血管內(nèi)皮通透性增強，加速AS進展；通過過表達促葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白SLC2A1挽救PRKAA1基因敲除ECs中受損的糖酵解逆轉(zhuǎn)了上述影響，有效防止脂質(zhì)和炎性浸潤進而延緩AS進展。此外，該團隊在小鼠頸動脈部分結(jié)扎實驗中，將SLC2A1基因轉(zhuǎn)導(dǎo)至PRKAA1完整的內(nèi)皮細(xì)胞，小鼠頸AS斑塊的大小增加，提示過高糖酵解誘發(fā)的ECs過度增殖，亦會觸發(fā)血管內(nèi)皮通透性，損害內(nèi)皮單層屏障功能，加速AS進展。已有證據(jù)表明暴露于AS易發(fā)區(qū)域擾動血流下的ECs糖酵解增加，炎癥反應(yīng)上調(diào)[7]。ECs轉(zhuǎn)錄因子KLF2在正常層流剪切應(yīng)力作用下上調(diào)，通過降低PFKFB3啟動子活性調(diào)控糖酵解速率，增加血管內(nèi)皮鈣黏蛋白（VE-cadherin）表達和屏障功能，以適當(dāng)?shù)奶墙徒馔烤S持ECs靜息狀態(tài)。但AS易發(fā)區(qū)域擾動血流降低KLF2活性和VE-cadherin水平，對PFKFB3表達的抑制減弱，導(dǎo)致糖酵解增加、ECs活化。此外，低剪切應(yīng)力和氧化低密度脂蛋白誘導(dǎo)miR-92a表達，降低KLF2和2B型磷脂酸磷酸酯酶（PPAP2B）水平，協(xié)同增強糖酵解并激活促炎信號通路[8]。ECs還通過糖酵解旁路戊糖磷酸途徑生成煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）維持氧化還原穩(wěn)態(tài)，并可能通過己糖胺途徑參與內(nèi)皮糖萼層生物合成[8]。

PFKFB3能夠上調(diào)ECs的糖酵解，促進ECs增殖和遷移，刺激血管芽生。既往研究指出靶向抑制PFKFB3減少糖酵解通量并抑制血管芽生，在腫瘤治療中獲益[3]。PFKFB3阻斷劑，小分子3-(3-pyridinyl)-1-(4-pyridinyl)-2-propen-1-one（3PO）已被證實通過阻斷PFKFB3，降低了ECs糖酵解并抑制其增殖、遷移，減少了病理性芽生的新生血管[9]。越來越多證據(jù)表明，斑塊內(nèi)（IP）新生血管形成促進AS，加重斑塊不穩(wěn)定性，在易損斑塊模型ApoE-/-Fbn1C1039G+/-小鼠中，3PO通過抑制糖酵解有效減少IP新生血管形成和IP出血，在降低斑塊易損性上同樣表現(xiàn)出巨大潛力[10]。

2.2 血管平滑肌細(xì)胞糖酵解與AS動脈管壁內(nèi)血管平滑肌細(xì)胞（VSMCs）的增殖和遷移是AS進展過程中的重要病理特征。多項研究證實糖酵解及相關(guān)代謝產(chǎn)物直接參與調(diào)控VSMCs表型及增殖、遷移能力。與骨骼肌和心肌細(xì)胞等終末分化細(xì)胞不同，VSMCs具有收縮、合成兩種表型且能夠根據(jù)局部微環(huán)境變化在二者間轉(zhuǎn)換。收縮表型VSMCs提供調(diào)節(jié)血壓所需的機械張力，合成表型VSMCs具有較高增殖率和遷移能力，產(chǎn)生細(xì)胞外基質(zhì)蛋白、生長因子等，參與生理條件下的血管重構(gòu)及內(nèi)膜增生、高血壓、AS等病理過程[11,12]。在AS斑塊形成過程中VSMCs轉(zhuǎn)向合成表型，大量增殖并遷移至內(nèi)膜下，分泌大量基質(zhì)蛋白，加速AS斑塊纖維帽形成并加重其易損風(fēng)險[12]。血小板衍生生長因子（PDGF）可激活并促進VSMCs增殖、遷移及糖酵解代謝增強，上調(diào)葡萄糖攝取和多種糖酵解關(guān)鍵酶表達[13,14]。Kim等通過siRNA沉默LDHA基因和草氨酸鹽藥理抑制LDHA，顯著下調(diào)PDGF刺激所增強的糖酵解，減少葡萄糖攝取、乳酸和ATP生成，并抑制了VSMCs的增殖和遷移[13]。Heiss等研究指出VSMCs遷移抑制劑Indirubin-3′ monoxime（I3MO）能夠通過抑制STAT3/HK2信號通路下調(diào)HK2表達，抑制VSMCs糖酵解代謝，進而抑制VSMCs遷移能力[14]。乳酸是糖酵解代謝產(chǎn)物，Yang等在人類誘導(dǎo)多能干細(xì)胞分化的血管平滑肌細(xì)胞（hiPSCvSMCs）模型實驗中發(fā)現(xiàn)，hiPSC-vSMCs在乳酸刺激下合成表型標(biāo)志物表達上調(diào)，增殖和遷移顯著增加，收縮和凋亡活性明顯下降[11]。因此，靶向VSMCs的糖酵解調(diào)控有望通過抑制VSMCs的增殖、遷移從而延緩AS進展。

2.3 巨噬細(xì)胞糖酵解與AS動脈管壁內(nèi)皮損傷及脂質(zhì)積聚導(dǎo)致循環(huán)系統(tǒng)單核細(xì)胞大量募集，浸潤動脈內(nèi)膜，逐漸向巨噬細(xì)胞分化并吞噬脂質(zhì)形成泡沫細(xì)胞[15]。有報道稱，參與AS進展的巨噬細(xì)胞主要可分為M1、M2兩種表型，斑塊早期M2型巨噬細(xì)胞較多，但隨著斑塊不斷進展，M1型巨噬細(xì)胞逐漸占據(jù)主導(dǎo)。經(jīng)典激活的M1型巨噬細(xì)胞主要通過糖酵解供能，表達腫瘤壞死因子-α（TNF-α）、白介素-1β（IL-1β）、白介素-6（IL-6）、白介素-12（IL-12）等多種促炎介質(zhì)和蛋白水解酶，加劇局部炎癥和細(xì)胞外基質(zhì)成分的降解，促進AS進展；選擇性激活的M2型巨噬細(xì)胞則依賴脂肪酸氧化，表達轉(zhuǎn)化生長因子-β（TGF-β）、白介素-1（IL-1）受體拮抗劑、白介素-10（IL-10）等抑炎因子并維持膠原合成，發(fā)揮抗炎和組織修復(fù)功能，抑制AS進展[16]。巨噬細(xì)胞的表型具有可塑性，一定條件下可在二者間轉(zhuǎn)換，對小鼠AS模型的研究表明，增加巨噬細(xì)胞向M1表型極化或減弱向M2表型極化的條件會加速AS斑塊的形成，給予M2型極化因子IL-13（IL-13）可抑制AS進展[17]，大量證據(jù)表明糖酵解在巨噬細(xì)胞表型極化及炎癥進展中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

研究表明，當(dāng)巨噬細(xì)胞的代謝轉(zhuǎn)向糖酵解時，其促炎表型就會被驅(qū)動[18]，Hu等證實鐵負(fù)荷通過促進巨噬細(xì)胞糖酵解使其向促炎性M1型表型極化并誘導(dǎo)炎癥，加劇了AS進展[19]。有研究稱，AS性冠狀動脈疾?。–AD）患者來源的單核細(xì)胞和巨噬細(xì)胞呈現(xiàn)高炎癥性的M1表型，增加的葡萄糖攝取和糖酵解通量促進了線粒體活性氧的產(chǎn)生，進而促進糖酵解關(guān)鍵酶M2型丙酮酸激酶（PKM2）的二聚體化及其核轉(zhuǎn)位，轉(zhuǎn)錄因子STAT3磷酸化從而促進了IL-6和IL-1β產(chǎn)生，而通過減少糖酵解，抑制了CAD來源巨噬細(xì)胞的促炎表型[20]。同樣，Tannahill等在實驗中使用2-脫氧葡萄糖（2DG）抑制巨噬細(xì)胞糖酵解減少了炎癥因子IL-1β產(chǎn)生[21]。Ouimet等研究表明miR-33過表達使巨噬細(xì)胞糖酵解增加，向M1表型極化，而拮抗miR-33通過靶向能量傳感器AMPK抑制糖酵解，上調(diào)脂肪酸氧化，在致M2型極化同時上調(diào)Aldh1a2基因mRNA水平，誘導(dǎo)FOXP3+Treg細(xì)胞的積累，抑制AS及炎癥進展[17]，進一步提示能量代謝轉(zhuǎn)變與免疫功能的重要相關(guān)性。

此外，Semba等在巨噬細(xì)胞絲狀偽足和板狀偽足發(fā)現(xiàn)了PKM2定位，用二氯乙酸抑制糖酵解顯著影響巨噬細(xì)胞遷移，且靶向HIF-1α-PDK1軸的糖酵解抑制改善系統(tǒng)炎癥[22]。結(jié)合巨噬細(xì)胞在動脈內(nèi)膜下募集及斑塊形成過程中遷移的特點，下調(diào)糖酵解抑制其遷移亦可能在延緩AS中發(fā)揮潛在作用。

2.4 其他免疫細(xì)胞糖酵解與AS樹突狀細(xì)胞（DCs）、T細(xì)胞、中性粒細(xì)胞等免疫細(xì)胞的募集和激活也參與了AS進展，而從OXPHOS轉(zhuǎn)向糖酵解的代謝變化同樣被證明存在于這些細(xì)胞中[23]。Krawczyk等證實，toll樣受體（TLR）依賴PI3K/AKT通路調(diào)節(jié)未成熟DCs能量代謝由OXPHOS轉(zhuǎn)向糖酵解，且TLR介導(dǎo)的糖酵解代謝是維持DCs被激活后完全成熟和正常存活并行使免疫功能所必需的[24]。此外，T細(xì)胞被激活時上調(diào)的糖酵解顯著影響其特定亞型的功能及分化，例如，下調(diào)糖酵解顯著抑制Th1細(xì)胞分泌干擾素γ（IFN-γ）[23]；轉(zhuǎn)錄因子HIF-1α上調(diào)糖酵解活性，促進炎癥性Th17細(xì)胞分化，而抑制HIF-1α介導(dǎo)的糖酵解促進抗炎性Treg細(xì)胞的分化，同時減少Th17細(xì)胞的形成和炎癥進展[25]。另外，Lü等證實紫草素（SKN）通過下調(diào)PKM2介導(dǎo)的糖酵解顯著抑制高同型半胱氨酸血癥誘導(dǎo)的CD4+ T細(xì)胞炎癥性激活、PKM2活性、IFN-γ分泌及其促進巨噬細(xì)胞炎性極化的能力，進而改善AS[26]。

3 非編碼RNA與糖酵解調(diào)控

多種非編碼RNA（ncRNAs）已被證明通過調(diào)控葡萄糖攝取、糖酵解途徑關(guān)鍵酶及相關(guān)代謝通路在糖酵解代謝過程中發(fā)揮重要作用。例如微小RNA（miRNAs）通過調(diào)控葡萄糖轉(zhuǎn)運體GLUT1/3調(diào)節(jié)葡萄糖攝取，作用于HK2、PFKFB2/3、PKM2和LDHA等糖酵解關(guān)鍵酶及HIF、AMPK、PI3K/AKT、TP53、MYC等信號通路直接或間接調(diào)節(jié)細(xì)胞糖酵解水平[27]。此外，長鏈非編碼RNA（lncRNAs）調(diào)控GLUT1/4，影響HK2、PKM2、PFKFB2在內(nèi)的多種糖酵解關(guān)鍵酶表達并參與HIF、PI3K/AKT/mTOR、LKB1-AMPK、Wnt/snail、STAT、p53等相關(guān)信號通路調(diào)控[28]；環(huán)狀RNA（circRNAs）除通過與相應(yīng)miRNAs結(jié)合或直接作用于葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白及其他糖酵解相關(guān)蛋白，還通過調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子HIF-1α、c-myc或介入PI3K/AKT、RAS、STAT3、Wnt/β-catenin等信號通路發(fā)揮糖酵解代謝調(diào)控作用[2]。盡管多種ncRNAs已被證明參與糖酵解代謝調(diào)控，且如前文所述，ncRNAs靶向糖酵解對ECs功能障礙、巨噬細(xì)胞極化及免疫功能調(diào)控的作用影響了AS進展[5,17]，但相較其在腫瘤領(lǐng)域的應(yīng)用，由ncRNAs介導(dǎo)的糖酵解代謝直接調(diào)控AS進展的證據(jù)仍有待進一步挖掘，基于近年來ncRNAs與AS發(fā)生發(fā)展的重要聯(lián)系，將ncRNAs應(yīng)用于調(diào)控AS相關(guān)的糖酵解為AS防治提供了新思路。

4 總結(jié)與展望

糖酵解代謝在ECs、VSMCs、巨噬細(xì)胞等免疫細(xì)胞參與AS病程進展期間發(fā)揮不同作用，這向針對AS的糖酵解干預(yù)提出了細(xì)胞靶向、適度調(diào)控的新要求，以ECs糖酵解阻斷劑3PO為例，僅在局部短暫降低了ECs從靜息狀態(tài)向增殖和遷移轉(zhuǎn)變時誘導(dǎo)的高糖酵解水平，但并不致其死亡，在促進ECs轉(zhuǎn)向可逆靜止的同時達到了減少病理性新生血管形成的目的[9]。此外，相關(guān)研究成果轉(zhuǎn)化仍主要集中于癌癥領(lǐng)域，在AS調(diào)控方面應(yīng)用尚不廣泛。綜上所述，結(jié)合AS進展過程中動脈管壁及斑塊內(nèi)細(xì)胞分布和代謝特點，通過特異性給藥、調(diào)控ncRNAs等技術(shù)手段對糖酵解代謝進行靶向干預(yù)，有望成為延緩AS及其炎癥進展的有力治療策略。