糖尿病血管并發(fā)癥的相關機制及糖被的作用

陳熠雯，夏淑東

(浙江大學醫(yī)學院附屬第四醫(yī)院，浙江 義烏，322000)

糖尿病是一種以高血糖為特征的代謝性疾病，主要由胰島素相對缺乏和胰島素抵抗所引起，多在35～40歲之后發(fā)病，占糖尿病患者所有發(fā)病年齡的90%以上。

隨著糖尿病并發(fā)癥發(fā)病率的顯著增加，患者的生存質(zhì)量明顯降低，同時社會的醫(yī)療負擔也越來越沉重。糖尿病并發(fā)癥包括急性和慢性兩大類，急性并發(fā)癥包括因高血糖所引起的糖尿病酮癥酸中毒、高滲高血糖昏迷以及因血糖過低導致的低血糖昏迷；慢性并發(fā)癥大部分涉及血管的病變，包括微血管病變和大血管病變，前者主要表現(xiàn)在視網(wǎng)膜、腎、神經(jīng)和心肌組織，其中以糖尿病腎病和視網(wǎng)膜病變尤為重要。后者主要表現(xiàn)為動脈粥樣硬化，引起冠心病、缺血性或出血性腦血管病等[1]。其他慢性并發(fā)癥還包括神經(jīng)系統(tǒng)病變、糖尿病足以及牙周病等等。血管病變是糖尿病較嚴重的并發(fā)癥。動脈粥樣硬化是糖尿病患者預期壽命受損的主要原因，而糖尿病腎病和視網(wǎng)膜病分別是終末期腎病和失明的最大原因[2]。

糖尿病所導致的血管病變是一個復雜的過程，具體的機制尚未完全清楚。目前，國內(nèi)外有許多相關的研究，但至今沒有作出明確的解釋。主要的機制包括晚期糖基化產(chǎn)物的過度形成、氧化應激、炎癥反應、內(nèi)皮功能障礙、礦物質(zhì)及脂質(zhì)代謝改變、細胞因子的產(chǎn)生、基因作用、血流動力學改變?nèi)缒I素-血管緊張素-醛固酮系統(tǒng)(RAAS)等[3]。

1 發(fā)生機制

1.1 血糖

血糖是糖尿病診斷和監(jiān)測的重要指標，降低糖尿病血管并發(fā)癥風險的最有效方法就是盡早地將血糖控制在最佳水平。當血糖水平過高時，組織內(nèi)的細胞常無法調(diào)節(jié)葡萄糖的轉(zhuǎn)運速率，從而導致細胞內(nèi)葡萄糖的過度積累。最終，細胞為了“自我保護”而減慢葡萄糖的轉(zhuǎn)運速度，這種用于細胞代謝的物質(zhì)“缺乏”可能將能量產(chǎn)生的底物從葡萄糖過渡到游離脂肪酸及其衍生物上，并可能使其相應衍生物濃度增高引起一系列病理生理變化。然而，高血糖并不是影響并發(fā)癥的唯一因素。特別在2型糖尿病中，有多種不同機制的藥物可以控制血糖，但是更嚴格的血糖控制不一定能降低心血管疾病的風險。有研究觀察到低血糖與主要的大血管事件(例如心肌梗死)之間存在關聯(lián)，故而推測低血糖可能是部分血糖控制尚理想但仍可發(fā)生血管并發(fā)癥患者的原因之一[4]。

1.2 肥胖

肥胖在2型糖尿病患者中是比較常見的合并癥。在2型糖尿病中，往往伴有血脂的異常，如甘油三酯、膽固醇的升高和高密度脂蛋白的降低?？刂蒲瑢档吞悄虿⌒难茱L險有較大的影響，包括糖尿病腎病以及糖尿病視網(wǎng)膜病變[5]。

1.3 血流動力學

除了代謝因素外，血液動力學因素也參與了糖尿病的進展，尤其是糖尿病并發(fā)癥的發(fā)生發(fā)展。在臨床研究中，明確強調(diào)了血流動力學因素的重要性，其中，高血壓通常與血管并發(fā)癥(包括大血管疾病、腎病和視網(wǎng)膜病)的發(fā)生相關。盡管高血壓的發(fā)生可以是糖尿病患者進展到腎損傷后的一種繼發(fā)表現(xiàn)，但血壓的升高又加重或促進糖尿病血管并發(fā)癥的形成，從而導致惡性循環(huán)。同時，也是加重或促進糖尿病血管并發(fā)癥的重要系統(tǒng)性因素。在這些血流動力學因素中主要包括RAAS系統(tǒng)的全身和組織衍生成分。RAAS系統(tǒng)被認為是體內(nèi)血壓和體液平衡的主要控制者，它主要通過產(chǎn)生血管緊張素II作用于1型血管緊張素(AT1)和2型血管緊張素(AT2)受體從而參與血壓的調(diào)節(jié)。這兩類受體在糖尿病并發(fā)癥部位廣泛表達。大量研究表明，AT1受體拮抗劑在糖尿病并發(fā)癥中對終末器官具有保護作用。這些研究突顯了RAAS的靶向治療具有有益的作用[6]，而不僅僅是降低血壓。大量的前瞻性、隨機對照研究證實了血管緊張素轉(zhuǎn)化酶抑制劑(ACEIs)或血管緊張素II受體拮抗劑(ARBs)在糖尿病性腎病和心血管疾病中的保護作用。

除此之外，血管緊張素1-7最初被認為是血管舒張肽，對腎功能有保護作用。但在某些情況下血管緊張素1-7本身可能是有害的，如糖尿病動物模型中長期施用血管緊張素1-7會加速腎疾病的發(fā)生[7]。

1.4 蛋白質(zhì)修飾

蛋白質(zhì)的錯誤折疊導致蛋白質(zhì)特性及功能的改變是包括糖尿病并發(fā)癥在內(nèi)的慢性疾病的主要誘因，這些疾病常常都具有錯誤折疊蛋白質(zhì)的聚集和翻譯后蛋白質(zhì)的過度修飾(包括那些通過高級糖基化修飾的蛋白質(zhì))的病理特征。這些功能失調(diào)的蛋白質(zhì)通常無法執(zhí)行細胞內(nèi)的正常功能，并且可能無法從細胞中分泌出來以完成其細胞外功能[8]。

在糖尿病患者中，持續(xù)的高血糖和氧化應激會加速晚期糖基化產(chǎn)物(AGEs)的形成，此外，葡萄糖的糖酵解代謝產(chǎn)物本身就是細胞內(nèi)高級糖基化的有效引發(fā)劑，遠比葡萄糖本身有效。在2型糖尿病微血管病理學中涉及的生化途徑中已證明了AGE的過度形成，證實了AGE在糖尿病性神經(jīng)病、視網(wǎng)膜病變和腎病進展中的重要作用[9]。

1.5 氧化還原失衡

有研究表明，糖尿病并發(fā)癥部位的線粒體功能異常，是一個活躍的研究熱點[10]。這類患者因線粒體功能異常而過度生成超氧化物可能被認為是糖尿病并發(fā)癥發(fā)展的主要促發(fā)之一。一氧化氮(NO)是常見的自由基，在哺乳動物細胞之間的信號轉(zhuǎn)導中起著比較重要的作用。此外，NO也是最有效的血管舒張藥之一，在包括糖尿病在內(nèi)的慢性疾病中也起血管保護的作用。有研究表明，易發(fā)生并發(fā)癥的器官其功能下降往往與NO進行性缺乏有關[11]。此外還發(fā)現(xiàn)，1型和2型糖尿病患者血液中不對稱二甲基精氨酸(ADMA)(一種NO的天然抑制劑)的濃度升高，與心血管疾病的風險增加相關[12]。

1.6 炎癥

慢性炎癥被認為是糖尿病并發(fā)癥中常見的特征之一。在臨床研究中發(fā)現(xiàn)，糖尿病患者的血液循環(huán)中炎性標志物增加，這些標志物的水平似乎可以預測糖尿病并發(fā)癥的發(fā)生和發(fā)展[13]。在糖尿病并發(fā)癥的部位，高血糖、高血壓和血脂異常會通過多種機制誘導內(nèi)皮活化，從而導致炎癥的發(fā)生，包括氧化應激、核因子-κB(NF-κB)活化、NO合酶(NOS)失調(diào)和AGEs形成。

內(nèi)皮的激活是糖尿病的常見表現(xiàn)，其可導致內(nèi)皮的損傷，產(chǎn)生一系列血管并發(fā)癥。在糖尿病并發(fā)癥部位，可以看到炎癥細胞(例如單核細胞和巨噬細胞)的浸潤，這一點在動物實驗中得到了證明[14]。此外，通過阻斷趨化分子的產(chǎn)生從而減少炎癥細胞的浸潤也有助于預防動物模型中糖尿病并發(fā)癥的發(fā)生。阻斷趨化的因子缺乏會影響腎單核細胞和巨噬細胞的積累，并影響糖尿病性腎損傷[15]。

炎癥細胞在受損臟器內(nèi)積累后會產(chǎn)生一系列細胞因子，如白細胞介素-1(IL-1)被認為在糖尿病性神經(jīng)病的早期階段會導致神經(jīng)損傷[16]和細胞溝通的異常。此外，患有1型或2型糖尿病的個體中腫瘤壞死因子-α(TNF-α)的循環(huán)濃度升高，并促進與糖尿病性神經(jīng)病變和視網(wǎng)膜病變相關的病理過程[17]。胰島素樣生長因子(IGF-1)也被認為是糖尿病腎臟早期變化的主要貢獻者，包括細胞肥大和腎小球濾過率(GFR)升高。有證據(jù)證明，生長激素-胰島素樣生長因子1軸(GH / IGF-1軸)與糖尿病患者的腎臟結(jié)構(gòu)和功能異常相關[18]。此外，它們還參與糖尿病大血管并發(fā)癥的發(fā)生和發(fā)展。例如，IGF-1的系統(tǒng)性過表達或IGF-1受體的心臟特異性過表達[18]可預防糖尿病性心肌病的發(fā)作。NF-κB與糖尿病并發(fā)癥的發(fā)生發(fā)展也關系密切，研究發(fā)現(xiàn)，NF-κB抑制劑[如吡咯烷二硫代氨基甲酸酯(PDTC)]在動物模型試驗中表現(xiàn)出腎保護的功能。糖尿病引起的NF-κB活化增加可通過多種治療手段來預防，包括二甲雙胍[19]、阿司匹林[12]和維生素B衍生物等。

1.7 基因

在臨床上可以看到，盡管血糖控制良好，但其并發(fā)癥依然未得到良好的控制，甚至比血糖控制不佳的患者進展更快。當前認為由于強化血糖控制而引起的低血糖可能是導致并發(fā)癥及病死率增加的可能。另一種可能性是“高血糖記憶”或先前高血糖發(fā)作的遺留效應，可能是通過表觀遺傳機制，包括葡萄糖對組蛋白修飾的誘導作用，導致血管基因表達的調(diào)節(jié)等[20]。

2 糖被

上述發(fā)生機制在糖尿病的血管并發(fā)癥中都發(fā)揮了不少的作用，內(nèi)皮損傷是糖尿病血管并發(fā)癥發(fā)展的重要進程之一。糖尿病患者比一般人更容易發(fā)生血管病變是因為正常的內(nèi)皮細胞表面存在松軟且完整平鋪的糖被協(xié)助正常內(nèi)皮功能的維持。研究提示，糖被有可能作為內(nèi)皮細胞剪切力感受器而參與血管的保護。高血糖引起的糖被損傷的介導物包括活性氧、高級糖基化終產(chǎn)物以及糖被降解酶[如透明質(zhì)酸酶(HYAL1)和乙酰肝素酶]等，通過上述介導物質(zhì)的激活，從而增加血漿透明質(zhì)酸水平，并導致內(nèi)皮功能及凝血功能障礙[21]。

2.1 結(jié)構(gòu)

糖被是排列在血管內(nèi)皮腔表面的一層富含黏多糖的絨毛狀納米級結(jié)構(gòu)。糖被可描繪為內(nèi)皮和血漿之間的大分子高水合層，它們或是與內(nèi)皮膜結(jié)合，或是彼此結(jié)合。糖蛋白和蛋白聚糖是其主要成分，可作為內(nèi)皮的錨點。糖蛋白由核心蛋白和2至15個糖殘基共價連接的糖側(cè)鏈組成。基于它們結(jié)合血漿成分以及與內(nèi)皮細胞的連接方式的不同，其具有不同的功能[22]。蛋白聚糖是一類特殊的糖蛋白，其特征是具有200多個非常長的、無支鏈的糖殘基或糖胺聚糖(GAG)側(cè)鏈。糖被中大量存在的另一種GAG是透明質(zhì)酸。它是由結(jié)合到細胞膜上的酶(透明質(zhì)酸合酶1，2和3)合成的，并被排出到細胞外基質(zhì)或膜的腔內(nèi)皮側(cè)。在那里，它形成了糖被的主要成分，對糖被的水結(jié)合能力也起到了重要的作用。此外，它還可以通過與細胞表面受體(尤其是CD44)相互作用而影響細胞行為[23]。透明質(zhì)酸的降解主要由透明質(zhì)酸合酶1，2和3引起。

2.2 功能

糖被是決定血管通透性的關鍵因素之一，可維持液體過濾和毛細血管腔吸收之間的平衡[23]。如前所述，糖被層由帶負電荷的GAG和蛋白聚糖網(wǎng)絡組成，覆蓋在血管內(nèi)皮腔表面，對諸如右旋糖酐的大分子不具有滲透性。同時，帶負電荷的GAG還有助于阻止白蛋白通過血管壁屏障[23]。

糖被還可以調(diào)節(jié)血管壁與血細胞之間的相互作用。帶負電荷的糖被排斥并且不滲透紅細胞(RBC)，從而有助于確保RBC在微循環(huán)中的封閉流動，并削弱白細胞和血小板與血管壁的相互作用，控制血小板和白細胞的黏附以及調(diào)節(jié)止血和炎癥反應[23]。糖被相關的黏附分子充當白細胞和血小板上整合素的配體，并被炎癥誘導，從而促進細胞滾動和白細胞外滲[23]。

糖被還通過配體和酶結(jié)合來控制細胞信號轉(zhuǎn)導和酶的修飾，從而控制與微環(huán)境的相互作用。此外，糖被是關鍵的抗凝介質(zhì)的結(jié)合位點，如通過肝素輔因子II抑制凝血酶。

糖被還可以通過結(jié)合代謝氧自由基的酶(例如細胞外超氧化物歧化酶)來保護內(nèi)皮細胞。這些酶可維持NO的生物利用度，降低氧化應激并防止內(nèi)皮功能障礙[24]。此外，當受到剪切力時，糖被有助于NO的釋放，從而通過擴張血管來降低剪切力[24]。因此，在諸如糖尿病、敗血癥、慢性腎臟病、高鈉血癥、高血容量和缺血/再灌注損傷等情況下，剪切力和氧化應激可能會損壞糖被[23]。

2.3 在疾病中表現(xiàn)

糖被的脫落被認為與血管功能障礙有關。在動物實驗中表明，對于高齡且伴有微血管灌注受損者存在糖被的減少，這也提示了與年齡有關的糖被退化可能是老年人微血管功能障礙和隨后的病理生理進展的重要原因之一。

糖尿病可并發(fā)微血管和大血管的損傷。慢性高血糖會損傷血管壁，導致內(nèi)皮通透性增加和NOS功能受損。糖尿病患者的糖被厚度比健康對照者低50%。通過比較可滲透糖被的示蹤劑(右旋糖酐40)和不滲透糖被的示蹤劑的分布體積，對10名健康受試者的全身糖被體積進行評估，結(jié)果顯示，急性高血糖誘導6 h內(nèi)，全身糖被體積減小了50%[25]。此外，2型糖尿病患者的舌下和視網(wǎng)膜血管中的糖被量較低[26]。在臨床上也發(fā)現(xiàn)：在出現(xiàn)血管并發(fā)癥之前，可以在患有1型糖尿病的兒童中檢測到微血管改變，包括微血管分布的變化和糖被的丟失。總體而言，這些研究表明，急性和慢性高血糖癥均發(fā)現(xiàn)糖被層厚度的降低，這支持糖被劑量降低可能與糖尿病誘導的內(nèi)皮功能障礙有關的觀點。鑒于此，糖被可以作為早期檢測糖尿病微血管病的手段以及據(jù)此作為臨床靶點來改善或延緩糖尿病的血管損傷。已有報道表明，在糖尿病小鼠的飲用水中加入二甲雙胍2周后可看到糖被屏障特性的改善，二甲雙胍在心血管方面也可能涉及內(nèi)皮糖被的修復[27]。此外，在臨床試驗中，服用舒落地特(抗血栓藥)的2型糖尿病患者糖被也有部分恢復[26]。

2.4 透明質(zhì)酸酶

透明質(zhì)酸酶(hyaluronidase,HA)是不與核心蛋白共價結(jié)合的糖胺聚糖聚合物。它的化學結(jié)構(gòu)簡單，由重復的β(1,4)-N-乙酰基-d-葡糖胺和β(1,3)-d-葡萄糖醛酸的二糖所形成的聚合物。但HA的生物學功能是復雜的，并且具有高度相關性[28]。HA一旦被排出到細胞外空間，就會與HA結(jié)合蛋白(透明質(zhì)素)發(fā)生復雜的相互作用。細胞周圍HA的功能取決于其與特定HA受體[例如CD44，RHAMM(HA介導的運動的受體)和Lyve-1]的結(jié)合，產(chǎn)生的相互作用調(diào)節(jié)血管組織中平滑肌細胞(SMC)，成纖維細胞和其他細胞類型的黏附、遷移和增殖。此外，HA聚合物還可以維持體內(nèi)平衡和免疫監(jiān)測。例如在機體損傷時，HA降解和從頭合成會急劇發(fā)生并促進炎癥反應。在穩(wěn)態(tài)條件下，大多數(shù)免疫細胞具有較低的HA結(jié)合能力。然而在炎性環(huán)境中，HA通過CD44的結(jié)合在活化的免疫細胞亞群中特異性增加[29]，從而導致HA合成和HA分解代謝均明顯加快。在健康的血管中，HA既有抗炎又有抗血栓形成的作用。因此，抑制HA的合成以及因炎癥、吸煙或糖尿病引起的糖被中HA的脫落會增加血小板活化和巨噬細胞炎癥的驅(qū)動。動物實驗發(fā)現(xiàn)，糖尿病或HA可降低視網(wǎng)膜內(nèi)皮糖被的厚度，其中,HA在屏障功能中起重要作用[30]。據(jù)此，HA抑制劑可以作為一種預防糖尿病血管并發(fā)癥的新治療方法進行探索。

3 結(jié)語

糖尿病可導致感染、心腦血管疾病、失明、腎功能損傷、下肢壞疽等而成為致死致殘的主要原因，而糖被作為內(nèi)皮細胞的重要屏障，其維持血管通透性、抑制細胞向血管內(nèi)皮黏附等血管保護作用也越來越得到關注，維持糖被層的完整性是保護內(nèi)皮細胞的有效方式。目前，由于臨床試驗手段的不足以及缺乏直接觀察和檢測血管內(nèi)皮糖被層結(jié)構(gòu)及功能變化的方法，糖被相關的基礎研究較少。因此，迫切需要更方便、有效的檢測方式來開展更多的相關研究，為糖尿病患者血管并發(fā)癥的診治提供充足的依據(jù)。