基于AMPK信號通路抗血管鈣化的研究進展

周樹蘭 王 成

血管鈣化(vascular calcification, VC)被認為是動脈粥樣硬化、慢性腎臟疾病(CKD)、糖尿病、高血壓、絕經(jīng)后綜合征、主動脈狹窄和老年人群的常見病理表現(xiàn)，與心血管及全因病死率顯著相關，但目前臨床上暫無特效治療藥[1]。因此，在早期階段更好地了解疾病的發(fā)病機制對開發(fā)有效的治療方法至關重要。目前，研究者越來越關注細胞分子機制的調控。

多種機制參與VC過程，并且每個機制之間可能存在交互影響。如果僅針對單一途徑用藥難以解決臨床復雜疾病的治療需求，所以，一個具有多靶點的分子信號通路是改善VC的發(fā)展方向。目前研究發(fā)現(xiàn)包括二甲雙胍、阿托伐他汀、中草藥單體或提取物如白藜蘆醇、附子多糖、黃氏多糖、槲皮素等多種藥物可通過激活AMPK相關通路改善VC。本文對激活AMPK改善VC的相關機制和藥物做一系統(tǒng)闡述。

一 AMPK和激活機制

在哺乳動物細胞中AMPK由1個催化亞基(α)和2個調節(jié)亞基(β和γ)聚合而成的一個異三聚體，是一種監(jiān)測細胞能量狀態(tài)并快速協(xié)調代謝途徑以平衡機體營養(yǎng)供應和各組織器官能量需求的酶[2]。主要通過監(jiān)測AMP與ATP比值變化來感知機體能量狀態(tài)，并通過AMP或ADP與AMPKγ亞基結合及通過上游蛋白激酶使AMPKα催化亞基上蘇氨酸(Thr)172殘基發(fā)生磷酸化，同時上游蛋白磷酸酶(PP)去磷酸化，然后被AMP和ATP變構激活，這是AMPK的主要激活位點[3]。而Thr172殘基主要由兩個不同的上游激酶磷酸化:一個是肝激酶B1(LKB1)，LKB1是AMPK感知細胞能量狀態(tài)機制中的關鍵元素，接受機體發(fā)出的大部分應激信號；另一個是鈣(Ca2+)/鈣調素依賴性蛋白2(CaMKK2)，被細胞內Ca2+的增加激活[4]。

二、AMPK與血管鈣化的關系

1.AMPK調控eNOS影響血管鈣化：內皮細胞(ECs)形成血管內壁，將血管壁與血液循環(huán)隔開，其關鍵功能是支持血管穩(wěn)態(tài)，調節(jié)血管壁通透性和提供細胞運輸。其中由內皮型一氧化氮合酶(nitric oxide synthase, eNOS)產(chǎn)生的一氧化氮(NO)在維持血管功能方面具有重要作用，例如凝血功能、收縮功能、分泌功能等。另一項研究表明，eNOS缺乏可導致主動脈鈣化加重[5]。而AMPK是一種定義明確的eNOS調節(jié)劑，在維持血管功能方面具有重大意義。研究發(fā)現(xiàn)，植物提取物白藜蘆醇(resveratrol, RSV)能通過激活AMPK降低氧化型低密度脂蛋白(oxidized low density lipoprotein，Ox-LDL)誘導的氧化應激并保存了eNOS活性，使NO的生物利用度增加，具有顯著改善內皮功能障礙和抑制動脈粥樣硬化作用[6]。中藥提取物黃氏多糖(astragalus polysaccharide, APS)通過激活AMPK信號通路,活化eNOS降低糖尿病大鼠的血糖、血脂水平，明顯抑制糖尿病大鼠動脈粥樣硬化的進展[7]。因此，中草藥提取物作為AMPK激活劑對內皮細胞eNOS信號通路的影響可能是預防VC的治療方法之一。

2.AMPK激活自噬影響血管鈣化：自噬是細胞生存所必需的分解代謝降解過程，負責去除畸形或不必要的蛋白質和受損的細胞器，并更新舊的或損壞的分子，以補充饑餓時期儲存的營養(yǎng)。哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)被普遍認為是一個中央監(jiān)管自噬的關鍵分子結構酶，在自噬激活中起關鍵的負調控作用。研究表明通過AMPK的激活探討了自噬抑制細胞凋亡在VC中的保護作用。Liao等[8]研究發(fā)現(xiàn)，附子多糖(fuzi polysaccharide，F(xiàn)PS)通過降低ox - LDL來增強AMPK/mTOR自噬通路活性從而抑制VSMC凋亡，顯著改善VC。陳雨露等[9]研究發(fā)現(xiàn)，柚皮素通過增加AMPK的磷酸化水平進而增強自噬能力，減輕細胞內膽固醇的含量從而抑制泡沫細胞的形成,有效防治了動脈粥樣硬化。此外，當機體內細胞內鈣濃度升高時Ca2+通過電壓門控Ca2+通道進入血管平滑肌細胞(vascular smooth muscle cell, VSMC)影響血管成骨分化。李云攀等[10]研究發(fā)現(xiàn)，天麻鉤藤飲通過激活Ca2+/AMPK/mTOR自噬通路具有明顯改善高血壓大鼠血管彈性下降繼而有效控制其血壓穩(wěn)定。值得注意的是一項研究發(fā)現(xiàn)，甲狀腺功能減退(hypothyroidism,HT)也是動脈粥樣硬化一大致病因素，機制與HT導致巨噬細胞中TAK1表達減少，從而抑制下游AMPK和ULK1的活化，減弱自噬有關[11]。因此，AMPK相關自噬通路的激活在VC的預防和治療機制中扮演著重要角色。

3.AMPK減弱內質網(wǎng)應激影響血管鈣化：內質網(wǎng)是一個重要的細胞器，參與了大約1/3的細胞蛋白質的產(chǎn)生和折疊，特定的內質網(wǎng)應激(ER stress, ERS)信號通路是維持內質網(wǎng)穩(wěn)態(tài)所必需的。越來越多的證據(jù)表明，延長ERS最終導致多種細胞途徑的調控，包括凋亡、壞死、自噬等[12]。因此，VC與ERS之間存在緊密聯(lián)系，研究發(fā)現(xiàn)在鈣化的主動脈瓣中病變中ERS的生物學標志物顯著增加，其中最常見的是轉錄因子4(transcription factor 4, ATF4)，它在鈣化的主動脈VSMC中活性增加[13]。為進一步研究其機制，Li等[14]研究發(fā)現(xiàn)，死亡相關蛋白激酶3(death associated protein kinase 3, DAPK3)的缺乏能通過激活AMPK抑制VSMC中ERS的相關蛋的表達，進而緩解VC。Xiong等[15]研究發(fā)現(xiàn)，目前臨床上應用的阿托伐他汀正是通過激活AMPK通路抑制ox- LDL誘導的ERS從而改善動脈粥樣硬化。然而，作為動脈粥樣硬化的最后階段，AMPK在ERS介導的血管鈣化中的作用尚未完全闡明，可能與抑制下游ATF4分子有關。但是目前可以肯定的是AMPK的激活可以抑制ERS改善VC進展。

4.AMPK調控 PGC-1影響血管鈣化：過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子-1(PGC-1)是一個轉錄共激活因子家族，由PGC-1α、PGC-1β和PGC-1相關共激活因子組成[16]。AMPK是PGC-1的重要上游介質，研究表明通過激活AMPK上調PGC-1水平在改善動脈粥樣硬化的發(fā)生、發(fā)展中具有重要作用[17]。PGC-1α作為內源性保護調節(jié)劑可以通過上調抗氧化酶活力清除線粒體活性氧(mitochondrial ROS,mtROS)降低線粒體氧化應激從而抑制VSMC的增殖和遷移，改善CKD中鈣、磷失調誘導的VC[18]。Tsai等[19]研究發(fā)現(xiàn)，從杜仲科植物中提取的綠原酸(chlorogenic acid，CA)能通過激活沉默信息調節(jié)因子1(SIRT1)和調節(jié)AMPK/ PGC-1信號通路緩解ox-LDL誘導的內皮氧化應激和線粒體功能障礙，在動脈粥樣硬化的治療中具有重要的潛在意義。此外，二甲雙胍除了具有降糖作用外，還能通過激活AMPK/PGC-1β通路抑制VSMC增殖，其中PGC-1β的下調將完全阻斷了這一作用[20]。因此，PGC-1可能成為一種有吸引力的動脈粥樣硬化治療候選蛋白，以及在VC相關疾病的治療中具有潛在意義。

5.AMPK-Runx2信號通路影響血管鈣化：Runx2是一種公認的成骨細胞分化相關基因的激活因子，Runx2的上調已成為驅動心血管病理的不良細胞事件的重要調節(jié)因子。它在人動脈粥樣硬化鈣化的血管組織標本和小鼠主動脈VSMC中均有表達升高，并且VSMC自主Runx2對血管成骨至關重要[21]。AMPK作為能量傳感器，除了眾所周知的代謝調節(jié)作用外，Gai等[22]研究發(fā)現(xiàn)，激活AMPKα1可以阻止VSMC中Runx2的表達，從而改善血管順應性減低心血管事件的發(fā)生。因此，AMPKα1-Runx2信號通路可能是預防VC相關疾病的潛在作用靶點。

6.AMPK調控DRP1影響血管鈣化：線粒體動力相關蛋白1(dynamin-related protein 1,DRP1)在線粒體裂變中是必需的，這導致線粒體收縮并最終分裂，從而維持能量平衡。而DRP1是AMPK已知的下游因子，研究發(fā)現(xiàn)通過調節(jié)DRP1能減弱氧化應激誘導的血管鈣化[23]。在糖尿病小鼠模型中，Wang等[24]研究發(fā)現(xiàn)二甲雙胍能通過激活AMPK降低DRP1的表達，減少線粒體碎裂和斑塊形成，有效改善高糖誘導的動脈粥樣硬化。此外，Chen等[25]研究發(fā)現(xiàn)，由腦松果體分泌的褪黑素能通過激活AMPK的表達，下調DRP1水平，進而降低VSMC凋亡、Runx2表達和鈣沉積在抑制VC中具有明顯作用。因此，AMPK介導的線粒體裂變通過抑制DRP1的表達來減弱VC，其中DRP1抑制劑可作為VC治療的新靶點。

7.AMPK調節(jié)血管周圍脂肪組織影響血管鈣化：血管周圍脂肪組織(perivascular adipose tissue，PVAT)是一種活躍的內分泌和旁分泌器官，具有血管調節(jié)功能。在小動脈、冠狀動脈、主動脈和全身血管周圍的PVAT能產(chǎn)生一些重要的脂肪因子，在調節(jié)血管炎癥、平滑肌收縮和內皮功能方面具有重要重要[26]。其中AMPK是PVAT的潛在調節(jié)劑，也是血管中PVAT作用的靶點。近年來，PVAT的血管保護作用逐漸被研究者發(fā)現(xiàn)，其中新近發(fā)現(xiàn)的脂肪因子網(wǎng)膜素(omentin-1)可以活化細胞內蛋白激酶(Akt)/ AMPK/核因子-κB (NF-κB)信號通路明顯抑制炎性反應、VSMC的增殖和體外成骨細胞分化，在改善動脈粥樣硬化引發(fā)的缺血性腦卒中發(fā)揮重要作用[27]。這些數(shù)據(jù)表明，PVAT不僅可以激活AMPK相關通路降低血管炎性反應，還可以通過影響VSMC成骨分化和增殖從而調節(jié)血管結構，筆者猜想它可能是一種介導脂肪和心血管交叉的分子機制和潛在治療靶點。

三、展 望

VC是一個復雜的、主動的、可調節(jié)的過程，在世界范圍內非常普遍，同時，VC也是心血管發(fā)生率和病死率的預測因子，其機制目前尚未完全闡明。AMPK作為機體代謝的主要調節(jié)器，是一個非常重要的分子靶點，可以被微小的應激暗示激活以重建細胞內穩(wěn)態(tài)。目前越來越多的證據(jù)表明，通過激活AMPK影響血管成骨分化在改善 VC中發(fā)揮了重要作用(圖1)，并且各個機制之間存在交互作用。其中二甲雙胍和組分中藥，如白藜蘆醇、附子多糖、黃氏多糖等具有多途徑、多靶點、多效應等整合作用特征是目前研究的熱點，可能是預防和治療VC的一個新方向。但AMPK參與VC的研究進展尚處于臨床前階段，精確靶向AMPK或AMPK亞單位的藥物尚未開發(fā)。因此，AMPK治療VC的靶點還需要開展深入的臨床研究，特別是前瞻性隨機臨床試驗予以進一步證實。

圖1 AMPK信號通路在血管鈣化中的作用機制示意圖TAK1.轉化生長因子激酶1;LKB1.肝激酶B1;CaMKK2.鈣調素依賴性蛋白激酶2;ULK2.Unc-51樣自噬激活激酶1;DRP1. 線粒體動力相關蛋白1；ATF4.內質網(wǎng)轉錄因子4；Runx2.骨相關轉錄因子2;PGC-1.過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子-1;NF-κB.核因子-κB