電離輻射誘導(dǎo)血管內(nèi)皮細(xì)胞衰老的研究進(jìn)展

趙紅玲 宋曼 關(guān)華 周平坤

軍事科學(xué)院軍事醫(yī)學(xué)研究院輻射醫(yī)學(xué)研究所，放射生物學(xué)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室100850

電離輻射（ionizing radiation，IR）是指波長(zhǎng)短、頻率高、能量高的射線或粒子與物質(zhì)作用引起電離的輻射。其可通過直接或間接作用引起生物輻射性損傷[1]。近年來IR廣泛應(yīng)用于X射線檢查、CT檢查、腫瘤治療和介入治療等工業(yè)和醫(yī)療領(lǐng)域。眾所周知，腫瘤患者在接受局部放療時(shí)，射線會(huì)對(duì)腫瘤組織遠(yuǎn)端的正常組織產(chǎn)生影響，誘發(fā)疾病，如乳腺癌患者和霍奇金淋巴瘤患者在高劑量放療后期會(huì)出現(xiàn)輻射誘發(fā)的心血管疾病[2-3]；頭頸部腫瘤患者接受放療后，中風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)增加[4]；IR還會(huì)促進(jìn)與老化相關(guān)的神經(jīng)退行性疾病的發(fā)展等[5-6]。血管內(nèi)皮細(xì)胞（vascular endothelial cells，VEC）對(duì)IR敏感，是位于血液與血管壁之間的單層扁平細(xì)胞，它不僅是血液和組織之間的保護(hù)屏障，也是內(nèi)分泌細(xì)胞。在控制血管張力和血液流動(dòng)性、維持凝血和纖溶之間的平衡、調(diào)節(jié)免疫反應(yīng)和血管生成等方面發(fā)揮著重要的作用[7]。

Bautista-Ni?o等[8]的研究結(jié)果表明，IR可誘導(dǎo)VEC衰老，而VEC衰老會(huì)導(dǎo)致心血管功能障礙，誘發(fā)心血管疾病[9-10]，我們對(duì)IR誘導(dǎo)VEC衰老的特征、作用機(jī)制以及可能誘發(fā)的相關(guān)疾病等方面進(jìn)行簡(jiǎn)要綜述，并簡(jiǎn)單對(duì)非編碼RNA在IR誘導(dǎo)VEC衰老方面的研究進(jìn)行展望。

1 IR誘導(dǎo)VEC衰老及其特征

細(xì)胞衰老是指細(xì)胞經(jīng)過有限的分裂次數(shù)后，進(jìn)入不可逆、永久性的細(xì)胞周期停滯，但仍可保持代謝和轉(zhuǎn)錄活性。根據(jù)其發(fā)生機(jī)制可分為復(fù)制性細(xì)胞衰老和應(yīng)激性細(xì)胞衰老兩類[11]。IR可通過氧化應(yīng)激和DNA損傷誘導(dǎo)細(xì)胞發(fā)生應(yīng)激性衰老。不同劑量的IR均可誘導(dǎo)VEC衰老（表1），由表1可知，IR在體內(nèi)外均可誘導(dǎo)VEC衰老，人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞為常用的實(shí)驗(yàn)材料，多數(shù)研究集中在單次高劑量照射處理，有少數(shù)研究是以低劑量照射或多次累積照射處理。

表1 電離輻射誘導(dǎo)血管內(nèi)皮細(xì)胞衰老的研究Table 1 Research on the senescence of vascular endothelial cells induced by ionizing radiation

IR誘導(dǎo)的VEC發(fā)生的應(yīng)激性衰老會(huì)表現(xiàn)出多種衰老表型（圖1）。（1）在細(xì)胞形態(tài)上與復(fù)制性衰老表現(xiàn)一致，均表現(xiàn)為細(xì)胞扁平且寬大，細(xì)胞核和核仁體積增大[12]。（2）衰老的VEC會(huì)分泌許多炎癥介質(zhì)（細(xì)胞因子、趨化因子和生長(zhǎng)因子等）和細(xì)胞外蛋白酶[白細(xì)胞介素（interleukin，IL）1、IL-6、IL-8、趨化因子2、TNF-α、轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β、纖溶酶原激活物抑制劑1、血管細(xì)胞黏附分子1和細(xì)胞間黏附分子1等][12-13,14-16]，稱為衰老相關(guān)的分泌表型（senescence-associated secretory phenotype，SASP）。除此以外，常見的表現(xiàn)還有活性氧（reactive oxygen species，ROS）產(chǎn)生增加、衰老相關(guān)半乳糖苷酶及與腫瘤抑制作用相關(guān)的基因（如p16、p53和p21）表達(dá)水平增加；NO生成減少、Ki-67（細(xì)胞增殖核抗原）和血栓調(diào)節(jié)蛋白減少；細(xì)胞周期阻滯和血管生成功能受損等[12-13,16]。

圖1 IR誘導(dǎo)VEC衰老及其特征 IR為電離輻射；VEC為血管內(nèi)皮細(xì)胞；ROS為活性氧；NO為一氧化氮；SASP為衰老相關(guān)的分泌表型；IL為白細(xì)胞介素；CCL2為趨化因子2；TNF-α為腫瘤壞死因子α；TGF-β為轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β；VCAM-1為血管細(xì)胞黏附分子1；ICAM為細(xì)胞間黏附分子；SA-β-gal為衰老相關(guān)半乳糖苷酶；Ki-67為細(xì)胞增殖核抗原；TM為血栓調(diào)節(jié)蛋白Figure 1 Characteristics of ionizing radiation induced vascular endothelial cell senescence

2 IR誘導(dǎo)VEC衰老的機(jī)制

IR可誘導(dǎo)VEC衰老，有研究結(jié)果表明，p16/視網(wǎng)膜細(xì)胞瘤基因（retinoblastoma gene，Rb）信號(hào)通路和p53/p21信號(hào)通路在IR誘導(dǎo)的細(xì)胞衰老中起著關(guān)鍵作用[17]。我們從以下方面闡述IR誘導(dǎo)VEC衰老的分子機(jī)制（圖2）。

圖2 IR誘導(dǎo)血管內(nèi)皮細(xì)胞衰老的分子機(jī)制 IR為電離輻射；O2·-為超氧陰離子自由基；CplxⅡ?yàn)榫€粒體呼吸復(fù)合物Ⅱ；GDF15為生長(zhǎng)分化因子15；ROS為活性氧；ERK為細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶；NF-кB為核因子кB；PGC1α為過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活因子1α；SASP為衰老相關(guān)的分泌表型；TNF-α為腫瘤壞死因子α；IL為白細(xì)胞介素；DSB為DNA雙鏈斷裂；ATM為共濟(jì)失調(diào)毛細(xì)血管擴(kuò)張突變基因；CHK為細(xì)胞周期檢測(cè)點(diǎn)激酶；TGF-βR為轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β受體；TGF-β為轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β；IGF為胰島素樣生長(zhǎng)因子；IGF1R為胰島素樣生長(zhǎng)因子1受體；PI3K為磷脂酰肌醇-3-激酶；AKT為蛋白激酶B；mTOR為雷帕霉素靶蛋白；IGFBP5為胰島素樣生長(zhǎng)因子結(jié)合蛋白5；CXCR4為CXC趨化因子受體4；SDF-1為基質(zhì)細(xì)胞衍生因子1Figure 2 The mechanism of ionizing radiation induced vascular endothelial cells senescence

2.1 p16/Rb信號(hào)通路

p16和Rb是生物體內(nèi)重要的抑癌基因，p16對(duì)細(xì)胞周期主要為負(fù)性調(diào)控作用，阻滯細(xì)胞增殖。p16/Rb信號(hào)通路不僅參與細(xì)胞增殖、分化和凋亡過程，而且在細(xì)胞衰老過程中發(fā)揮著重要的調(diào)控作用。研究結(jié)果表明，人主動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞在受到IR后生長(zhǎng)分化因子15表達(dá)水平升高，研究者通過上調(diào)和下調(diào)生長(zhǎng)分化因子15的表達(dá)水平發(fā)現(xiàn)，其主要通過激活ROS相關(guān)的細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶誘導(dǎo)p16的表達(dá)，從而導(dǎo)致人主動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞衰老[18]。研究結(jié)果表明，維生素D在IR誘導(dǎo)的人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞中可以抑制絲裂原活化蛋白激酶/p38信號(hào)通路的激活，上調(diào)沉默調(diào)節(jié)蛋白1的表達(dá)水平，因此，其可以通過正向調(diào)節(jié)絲裂原活化蛋白激酶/沉默調(diào)節(jié)蛋白1信號(hào)通路，減少IR誘導(dǎo)的細(xì)胞衰老[19]。

2.2 p53/p21信號(hào)通路

p53是一種抑癌基因，它既能介導(dǎo)由端?？s短導(dǎo)致的復(fù)制性細(xì)胞衰老，也能介導(dǎo)應(yīng)激性細(xì)胞衰老。p21是位于p53下游的靶分子，是細(xì)胞周期依賴的蛋白激酶抑制劑，能抑制細(xì)胞周期，產(chǎn)生周期阻滯，p53通過p21調(diào)控細(xì)胞的衰老。胰島素樣生長(zhǎng)因子1是雷帕霉素靶蛋白的上游調(diào)節(jié)因子，照射后其表達(dá)水平升高，并使得胰島素樣生長(zhǎng)因子1受體過度磷酸化，參與胰島素樣生長(zhǎng)因子結(jié)合蛋白5/磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B和雷帕霉素靶蛋白信號(hào)通路的激活，使得p53和p21表達(dá)水平升高，從而加速衰老[21-22]。IR誘導(dǎo)胰島素樣生長(zhǎng)因子結(jié)合蛋白5表達(dá)水平升高，并以依賴p53的方式參與調(diào)控VEC衰老[23]。最近有研究者發(fā)現(xiàn)，CXC趨化因子受體4和基質(zhì)細(xì)胞衍生因子1在腦部VEC損傷中起著重要的作用，并且隨著照射時(shí)間和劑量的增加，二者的表達(dá)水平降低，p53和p21的表達(dá)水平升高，從而導(dǎo)致腦部VEC衰老；進(jìn)一步通過CXC趨化因子受體4激活劑AT12341處理后發(fā)現(xiàn)，AT12341可以抑制IR誘導(dǎo)的VEC衰老，減輕IR誘導(dǎo)的腦損傷[24]。

2.3 核因子кB（nuclear factor-κB，NF-кB）信號(hào)通路

NF-кB是細(xì)胞內(nèi)重要的核轉(zhuǎn)錄因子，通常以p50-p65異二聚體的形式與其抑制性蛋白κB結(jié)合呈非活化狀態(tài)。當(dāng)受到刺激因子誘導(dǎo)時(shí)迅速轉(zhuǎn)化為活化狀態(tài)。在人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)，IR可通過DNA雙鏈斷鏈（DSB）/NF-кB必須調(diào)節(jié)蛋白（NEMO）信號(hào)通路使NF-кB活化，活化后的NF-кB會(huì)促進(jìn)VEC形成衰老樣表型，如血管生成功能受損和SASP因子分泌增加，從而導(dǎo)致VEC衰老[25]；另外，通過IR誘導(dǎo)腎小球VEC衰老的研究結(jié)果表明，DNA損傷響應(yīng)（DDR）/NF-кB信號(hào)通路不僅會(huì)促進(jìn)SASP相關(guān)因子[IL-6、IL-8、IL-1、TNF-α、單核細(xì)胞趨化蛋白1、纖溶酶原激活物抑制劑1、血管內(nèi)皮細(xì)胞生長(zhǎng)因子、細(xì)胞間黏附分子1和血管細(xì)胞黏附分子1）分泌導(dǎo)致VEC衰老，而且分泌的SASP因子（如IL-1和TNF-α）還能激活NF-кB信號(hào)通路，加速VEC衰老[13]。

2.4 參與VEC衰老的其他機(jī)制

除以上所述的信號(hào)通路參與VEC衰老的調(diào)控外，還有研究結(jié)果表明，腦部VEC受到IR后，通過蛋白質(zhì)免疫印跡（Western blot）實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活因子1α乙?；缴?，導(dǎo)致線粒體功能障礙而加速IR誘導(dǎo)的VEC衰老。因組蛋白去乙?；?作為一種脫乙酰酶在細(xì)胞衰老過程中起著重要的作用，經(jīng)IR后，組蛋白去乙?；?和沉默調(diào)節(jié)蛋白1表達(dá)水平降低，增加了過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活因子1α乙?；龠M(jìn)VEC衰老[5]；IR還可以通過降低線粒體呼吸復(fù)合物Ⅱ（CplxⅡ）的活性，增加線粒體超氧陰離子自由基的產(chǎn)生來誘導(dǎo)VEC衰老[26]；激活素受體樣酶5激活也與IR誘導(dǎo)的VEC衰老有關(guān)[18]。研究結(jié)果表明，VEC 微小RNA-494和微小RNA-99b可能通過MRN基因修復(fù)復(fù)合體[包括MRE11（減數(shù)分裂重組11同源物a）、Rad50（DNA 修復(fù)蛋白）和Nbs1（DNA 修復(fù)蛋白）3種蛋白質(zhì)]/血管內(nèi)皮細(xì)胞生長(zhǎng)因子受體2信號(hào)通路，靶向MRN（MRE11a-Rad50-Nbs1）復(fù)合物，抑制DNA修復(fù)，從而加劇DNA損傷，導(dǎo)致VEC衰老[27]。

3 IR誘導(dǎo)的VEC衰老在血管疾病中的作用

細(xì)胞衰老是一把雙刃劍，既能阻止受損細(xì)胞的增殖，又是慢性疾病的致病因素。當(dāng)衰老細(xì)胞產(chǎn)生的速度超過免疫系統(tǒng)的清除能力時(shí)，就會(huì)促進(jìn)各種與年齡相關(guān)的疾病發(fā)生。研究者發(fā)現(xiàn)，IR會(huì)對(duì)VEC造成損傷，使VEC功能障礙，從而使與年齡相關(guān)的血管疾病的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)增加[15]。而IR誘導(dǎo)的衰老VEC產(chǎn)生的多種衰老樣表型，也可以導(dǎo)致VEC功能障礙，促進(jìn)血管疾病的發(fā)生。闡明IR（尤其是低劑量IR）誘導(dǎo)的VEC衰老在血管疾病中的作用，有助于防治IR誘導(dǎo)的血管疾病，從而改善患者的生活質(zhì)量。

3.1 心血管疾病

VEC是心臟微血管和大血管系統(tǒng)的主要成分，IR誘導(dǎo)的VEC衰老在心血管疾病的發(fā)病機(jī)制中起著重要的作用，如IR誘導(dǎo)的衰老VEC的ROS產(chǎn)生增加，NO的產(chǎn)生減少，使血管舒張功能受損，導(dǎo)致高血壓的發(fā)生；衰老的VEC分泌的SASP因子會(huì)促進(jìn)動(dòng)脈粥樣硬化和血栓的發(fā)生[15,28]；衰老的VEC血管生成功能受損，使心臟毛細(xì)血管和小冠狀動(dòng)脈的密度降低，加速大血管動(dòng)脈粥樣硬化等[29]。因此，IR誘導(dǎo)的VEC衰老會(huì)促進(jìn)心血管疾病的發(fā)生。

3.2 神經(jīng)血管疾病

腦部微血管VEC對(duì)IR特別敏感，且在腦內(nèi)穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮著重要作用。研究者發(fā)現(xiàn)，γ射線誘導(dǎo)的衰老微血管VEC分泌的SASP因子，如IL-6、IL-1和單核細(xì)胞趨化蛋白1可以改變腦部微血管VEC的微環(huán)境，促進(jìn)神經(jīng)炎癥的發(fā)生并使神經(jīng)元功能受損[30]；IR可通過誘導(dǎo)腦部微血管VEC衰老使血管生成功能受損[30]；IR誘導(dǎo)的衰老腦部微血管VEC中去整合素金屬蛋白酶10的表達(dá)水平降低，這增加了阿爾茲海默病和大腦淀粉樣血管病的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)[6]。腦部微血管VEC表面的蛋白質(zhì)在血腦屏障中的信號(hào)傳遞和運(yùn)輸中起著關(guān)鍵的作用，通過進(jìn)一步識(shí)別更多與衰老相關(guān)的蛋白質(zhì)，對(duì)發(fā)現(xiàn)早期神經(jīng)病變有著重要的意義。

3.3 血栓性微血管疾病

有研究結(jié)果表明，IR誘導(dǎo)的VEC衰老在腎小球損傷和慢性腎功能衰竭中也起著重要的作用[13]。衰老的腎小球VEC的血管生成功能受損，毛細(xì)血管數(shù)量減少，腎小球?yàn)V過率降低，會(huì)促進(jìn)慢性腎功能衰竭的發(fā)生；其次，衰老的腎小球VEC分泌的SASP因子在腎小球疾病中也起著重要的作用，其中IL-6被認(rèn)為是主要的衰老相關(guān)分泌因子。這也是首次闡明IR誘導(dǎo)的衰老腎小球VEC在腎小球損傷的發(fā)生發(fā)展中起著重要的作用。因此，研究者應(yīng)該進(jìn)一步關(guān)注細(xì)胞衰老與慢性腎臟疾病之間的相關(guān)性，預(yù)防和改善IR引起的與細(xì)胞衰老相關(guān)的慢性腎臟疾病。

4 小結(jié)與展望

IR誘導(dǎo)的VEC衰老會(huì)誘發(fā)動(dòng)脈粥樣硬化或阿爾茨海默癥等心腦血管疾病的發(fā)生，闡明其特點(diǎn)及相關(guān)作用機(jī)制對(duì)于有效預(yù)防可能接觸IR的人員（放療患者、放射事故幸存者和宇航員等）的健康和生存質(zhì)量具有重要意義。IR誘導(dǎo)衰老的VEC分泌SASP因子，ROS水平升高，NO水平降低，血管生成功能受損等，這與細(xì)胞周期阻滯、p53/p21信號(hào)通路和p16/Rb信號(hào)通路激活等關(guān)系密切。但對(duì)于非編碼RNA[微小RNA（miRNAs）、長(zhǎng)鏈非編碼RNA（lncRNAs）和內(nèi)源競(jìng)爭(zhēng)RNA（ceRNA）等]在VEC衰老過程中的調(diào)控作用的研究有限，可以通過單細(xì)胞測(cè)序分析和類器官培養(yǎng)系統(tǒng)等新技術(shù)或新方法開展研究。此外，將微血管（毛細(xì)血管和竇血管）、小動(dòng)脈、小靜脈或動(dòng)脈作為VEC來源的研究對(duì)象對(duì)于闡明IR對(duì)VEC衰老的機(jī)制具有重要意義。因此，從細(xì)胞、動(dòng)物、臨床等不同層次開展對(duì)VEC衰老機(jī)制的探索和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，豐富放射生物學(xué)的理論基礎(chǔ)，為臨床相關(guān)疾病的防治提供新的思路和策略具有重要的意義。

利益沖突本研究由署名作者按以下貢獻(xiàn)聲明獨(dú)立開展，不涉及任何利益沖突。

作者貢獻(xiàn)聲明趙紅玲負(fù)責(zé)文獻(xiàn)的收集、綜述的撰寫；宋曼負(fù)責(zé)文獻(xiàn)的收集、圖片的制作；關(guān)華負(fù)責(zé)命題的提出、綜述的內(nèi)容設(shè)計(jì)、綜述的修訂；周平坤負(fù)責(zé)綜述的審閱與修訂。