內(nèi)皮細胞功能異常與動脈粥樣硬化的研究進展

畢一鳴 曹豐

(解放軍總醫(yī)院第二醫(yī)學(xué)中心國家老年疾病臨床醫(yī)學(xué)研究中心 解放軍醫(yī)學(xué)院，北京 100853)

內(nèi)皮細胞不僅參與構(gòu)成外周組織和循環(huán)系統(tǒng)之間的生理性屏障，還能主動調(diào)節(jié)血流變化、血管張力、血小板功能和參與維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)。心血管疾病患病率隨年齡增加而逐漸增加，與年齡增加相關(guān)的動脈管壁硬化和內(nèi)皮細胞功能障礙與心血管疾病的發(fā)生密切相關(guān)[1]。高血糖、高脂血癥、炎癥反應(yīng)以及其他代謝性應(yīng)激因素導(dǎo)致內(nèi)皮細胞功能障礙的發(fā)生，同時更多研究表明內(nèi)皮功能障礙直接導(dǎo)致代謝紊亂發(fā)生，因此內(nèi)皮細胞功能障礙在心血管疾病的病理生理過程中，尤其是在動脈粥樣硬化、心肌梗死后缺血再灌注損傷和心室重塑方面發(fā)揮重要作用[2]。

1 血管內(nèi)皮細胞的生理功能

血管內(nèi)皮細胞主要構(gòu)成心血管系統(tǒng)的血管內(nèi)壁，參與血液和組織液之間的選擇性體液滲透交換過程，同時其細胞間連接和囊泡的跨膜轉(zhuǎn)運參與血液和人體組織細胞中的物質(zhì)轉(zhuǎn)運和信息交換[3]。探究心臟中血管內(nèi)皮細胞的結(jié)構(gòu)及其功能有助于幫助認識血管內(nèi)皮細胞在心血管疾病的病理生理過程中的作用[4]。正常情況下，血管內(nèi)皮細胞在人體中處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，同時參與器官組織的氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)供應(yīng)，但在發(fā)生內(nèi)皮細胞損傷或缺氧等病理生理狀態(tài)下，內(nèi)皮細胞可迅速激活并發(fā)生血管新生過程，能及時為缺血、缺氧組織提供氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)以減緩長時間缺血、缺氧導(dǎo)致的組織損傷[5]。

多種炎癥因子和代謝因素對內(nèi)皮功能具有損傷效應(yīng)。氧化低密度脂蛋白膽固醇(oxidized low-density lipoprotein cholesterol，ox-LDL-C)促進內(nèi)皮細胞表面黏附分子的表達，例如細胞間黏附分子-1和血管細胞黏附分子-1(vascular cell adhesion molecule-1，VCAM-1)，進而促進免疫細胞轉(zhuǎn)移至內(nèi)皮細胞下組織間隙，啟動動脈粥樣硬化斑塊的形成過程，同時免疫細胞在動脈粥樣硬化斑塊形成的終末階段通過新生血管遷移進入斑塊內(nèi)部，加快穩(wěn)定斑塊向不穩(wěn)定斑塊的轉(zhuǎn)變[6]。同時內(nèi)皮細胞的解聚素-金屬蛋白酶10(ADAM10)/Notch信號通路可釋放Notch細胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域，激活細胞核中Notch相關(guān)靶基因的表達，參與調(diào)控血管新生過程，促進血管床的生長發(fā)育過程[7]。

內(nèi)皮細胞在血栓形成過程中發(fā)揮重要作用。生理條件下，血管內(nèi)皮細胞分泌多種信號分子調(diào)節(jié)凝血系統(tǒng)和血小板功能，防止血小板在生理狀態(tài)下發(fā)生黏附和聚集。內(nèi)皮細胞主要通過分泌前列腺素和一氧化氮(nitric oxide，NO)發(fā)揮其生理性抗血小板作用，前列腺素2和NO發(fā)揮協(xié)同作用，共同增加血小板內(nèi)部的環(huán)磷酸腺苷含量來阻止血小板聚集[8]。當(dāng)病理狀態(tài)下，例如動脈粥樣硬化斑塊破裂，內(nèi)皮細胞構(gòu)成的生理性屏障的完整性遭到破壞，血液循環(huán)中的血小板通過其表面的糖蛋白與暴露于血液循環(huán)中的內(nèi)皮細胞下膠原和血管性血友病因子相結(jié)合完成血小板的黏附過程，同時血管局部的高強度血管剪切力或腎上腺素誘導(dǎo)血管內(nèi)皮細胞分泌大量血管性血友病因子多聚體，捕獲血液循環(huán)中的血小板，上述兩種病理生理過程均能激活血小板，進一步促進血小板分泌5-羥色胺和血栓烷A2，最終導(dǎo)致更多血小板的募集和激活并促進血栓形成[9]。

2 血管內(nèi)皮細胞穩(wěn)定性的調(diào)節(jié)因素

人體中的血流動力學(xué)改變直接參與動脈粥樣硬化性疾病的病理生理過程，并且調(diào)控內(nèi)皮細胞功能的穩(wěn)定。由于人體血管的結(jié)構(gòu)和形態(tài)差異性導(dǎo)致人體中存在兩種血流形式，分別是平直血管中的單向?qū)恿?unidirectional laminar flow，UF)和血管彎曲以及分叉處的紊亂血流(disturbed flow，DF)，UF產(chǎn)生的層流剪切力有助于維持血管內(nèi)皮細胞的正常功能和表型穩(wěn)定，同時發(fā)揮抗動脈粥樣硬化斑塊形成的作用，而DF往往使血管局部形成振蕩剪切力，導(dǎo)致局部血管內(nèi)皮細胞功能障礙和內(nèi)皮細胞表現(xiàn)為促炎表型，加速局部血管的動脈粥樣硬化斑塊生成過程[10]。

UF和DF主要通過機械敏感性轉(zhuǎn)錄因子依賴的基因表達參與調(diào)控內(nèi)皮細胞功能和內(nèi)皮細胞表型，其中DF增強內(nèi)皮細胞的增殖、炎癥反應(yīng)和氧化還原反應(yīng)，同時增加內(nèi)皮細胞向間充質(zhì)細胞的表型轉(zhuǎn)化，最終導(dǎo)致內(nèi)皮細胞激活和內(nèi)皮細胞功能障礙，而UF抑制內(nèi)皮細胞的增殖、炎癥反應(yīng)和氧化還原反應(yīng)，并且抑制內(nèi)皮細胞向間充質(zhì)細胞的表型轉(zhuǎn)化和糖酵解，有助于維持內(nèi)皮細胞的結(jié)構(gòu)和功能穩(wěn)定[11]。肌細胞增強因子2(myocyte enhancer factor 2，MEF2)是維持血管穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵調(diào)節(jié)分子，在維持內(nèi)皮細胞的抗動脈粥樣硬化表型中發(fā)揮重要作用，UF激活細胞外信號調(diào)控激酶5使得MEF2a和MEF2c發(fā)生磷酸化，進而增強Krüppel樣因子(Krüppel-like factor，KLF)家族中的KLF2和KLF4的轉(zhuǎn)錄過程，有助于維持內(nèi)皮細胞的抗炎癥反應(yīng)和抗血栓形成細胞表型[12]。

人體免疫系統(tǒng)和體內(nèi)炎癥反應(yīng)參與調(diào)控內(nèi)皮細胞的穩(wěn)定性，自身免疫性疾病往往加速動脈粥樣硬化斑塊的進展。Ⅰ型干擾素在人體抗病毒防御反應(yīng)和自身免疫反應(yīng)中發(fā)揮重要作用，但Ⅰ型干擾素處理后的人臍靜脈內(nèi)皮細胞(human umbilical vein endothelial cell，HUVEC)表達更高水平的黏附因子和趨化因子，例如VCAM-1和單核細胞趨化蛋白-1，進而趨化免疫細胞進入內(nèi)皮細胞下間隙，參與動脈粥樣硬化斑塊的形成和進展[13]。轉(zhuǎn)錄因子EB對于人體的脂質(zhì)代謝具有重要作用，參與促進脂肪降解和脂肪代謝相關(guān)基因的表達[14]，同時轉(zhuǎn)錄因子EB通過促進內(nèi)皮細胞的抗氧化基因表達來減弱氧化應(yīng)激對內(nèi)皮細胞的損傷，例如血紅素加氧酶-1和超氧化物歧化酶-2，從而發(fā)揮抗炎作用，在內(nèi)皮細胞中過表達轉(zhuǎn)錄因子EB能抑制內(nèi)皮細胞的炎癥反應(yīng)和延緩小鼠動脈粥樣硬化斑塊的進展[15]。

3 血管內(nèi)皮細胞功能異常參與動脈粥樣硬化的病理生理過程

血管內(nèi)皮細胞功能障礙是指內(nèi)皮細胞在不同病理生理刺激下，包括高膽固醇血癥、糖尿病和代謝綜合征、高血壓、性激素失調(diào)、衰老、氧化應(yīng)激反應(yīng)以及感染性因素等，導(dǎo)致血管內(nèi)皮細胞的正常功能表型發(fā)生多種非適應(yīng)性改變，從而影響血管內(nèi)皮細胞調(diào)節(jié)止血/血栓平衡、血管局部張力、氧化還原平衡以及急性和慢性炎癥反應(yīng)之間的平衡的正常生理功能[16]。內(nèi)皮細胞功能障礙參與多種心血管系統(tǒng)疾病的病理生理過程，人體內(nèi)活性氧和抗氧化系統(tǒng)之間失衡是導(dǎo)致內(nèi)皮細胞功能障礙的主要原因。同時NO生物利用度降低，包括NO生成減少和降解增加往往意味著內(nèi)皮細胞功能障礙的開始[17]。動脈血管的易損區(qū)在動脈粥樣硬化的早期病理生理過程容易出現(xiàn)血管內(nèi)皮細胞功能障礙，導(dǎo)致血液循環(huán)中的脂蛋白顆粒局限性滲透至內(nèi)皮下間隙，同時發(fā)生脂蛋白的理化修飾作用，例如形成氧化低密度脂蛋白，隨后選擇性招募血液循環(huán)中的單核細胞進入內(nèi)皮下間隙，單核細胞在內(nèi)皮下間隙轉(zhuǎn)變?yōu)榫奘杉毎?，吞噬?jīng)理化修飾的脂蛋白而形成泡沫細胞[18]。

動脈粥樣硬化斑塊的進展與間充質(zhì)細胞，例如血管平滑肌細胞和成纖維細胞在動脈內(nèi)膜的沉積密切相關(guān)，且間充質(zhì)細胞通過分泌促炎因子，合成細胞外基質(zhì)蛋白和金屬蛋白酶來促進動脈粥樣硬化斑塊的進展[19]。目前認為動脈粥樣硬化中的間充質(zhì)細胞主要來源于內(nèi)皮細胞，由于血流動力學(xué)變化導(dǎo)致內(nèi)皮細胞激活，內(nèi)皮細胞間的細胞通透性增加導(dǎo)致血管內(nèi)膜下脂質(zhì)沉積，同時持續(xù)激活的內(nèi)皮細胞發(fā)生內(nèi)皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化，最終導(dǎo)致炎癥細胞募集、泡沫細胞形成和平滑肌細胞增殖[20]。內(nèi)皮細胞表面存在凝集素樣氧化型低密度脂蛋白受體-1，能與ox-LDL-C相結(jié)合并促進ox-LDL-C的跨內(nèi)皮細胞轉(zhuǎn)運過程，參與調(diào)控巨噬細胞和平滑肌細胞吞噬ox-LDL-C形成泡沫細胞的過程，最終促進脂質(zhì)成分沉積至血管內(nèi)膜下組織[21]。

內(nèi)皮細胞的新陳代謝紊亂在動脈粥樣硬化的病理生理過程中發(fā)揮重要作用。叉形頭轉(zhuǎn)錄因子O亞型(the O subfamily of forkhead，F(xiàn)OXO)家族是磷脂酰肌醇3激酶/蛋白激酶B(PI3K/Akt)信號通路的重要組成部分，能調(diào)控人體細胞的生長分化及其新陳代謝水平，其中FOXO1作為FOXO家族的關(guān)鍵分子，不僅參與調(diào)控血管生長發(fā)育，同時通過調(diào)控內(nèi)皮細胞的糖代謝和脂代謝參與調(diào)控內(nèi)皮細胞的新陳代謝水平和動脈粥樣硬化的病理生理過程[22]。

內(nèi)皮細胞凋亡是參與動脈粥樣硬化過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，內(nèi)皮細胞作為血管壁的重要組成部分，在維持內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定和組織細胞與血液循環(huán)之間信息交換方面發(fā)揮重要作用。內(nèi)皮細胞凋亡過程中產(chǎn)生的細胞外囊泡主要包括外泌體、微囊泡或微粒(microparticles，MPs)和凋亡小體，通過參與蛋白質(zhì)、microRNA和環(huán)狀RNA等物質(zhì)的跨膜轉(zhuǎn)運進行細胞間信號傳遞，抑制或促進動脈粥樣硬化斑塊的進展[23]。人體血液循環(huán)中內(nèi)皮細胞來源的MPs是由質(zhì)膜形成的直徑≤1 μm的小囊泡，其中人體中MPs水平升高常意味著內(nèi)皮細胞激活和細胞凋亡[24]。人體處于3 800 m的高海拔地區(qū)相較于處于海平面水平具有更高的血液循環(huán)MPs水平，且在高海拔地區(qū)通過袖帶加壓的方式人為給予振蕩剪切力更易導(dǎo)致人體血管的舒張功能障礙，進一步提示處于缺氧環(huán)境中的血管內(nèi)皮細胞更易受到振蕩剪切力的影響而發(fā)生內(nèi)皮細胞功能障礙[25]。同時內(nèi)皮細胞來源的MPs中包含多種microRNA，在細胞遷移、增殖和炎癥反應(yīng)中發(fā)揮重要作用，當(dāng)內(nèi)皮細胞受到外界刺激時，例如氧化應(yīng)激反應(yīng)、高膽固醇血癥和炎癥反應(yīng)，MPs中的microRNA通過調(diào)節(jié)多種信號通路參與動脈粥樣硬化的病理過程和調(diào)節(jié)血管功能穩(wěn)定[26]。白介素-17A在參與體內(nèi)炎癥反應(yīng)過程的同時，會通過加速損傷血管內(nèi)皮細胞來促進動脈粥樣硬化斑塊的進展，而miR-151通過抑制白介素-17A的表達來阻礙炎癥反應(yīng)下的血管內(nèi)皮凋亡過程，最終阻礙動脈粥樣硬化的病理生理過程[27]。

4 針對血管內(nèi)皮細胞功能異常參與動脈粥樣硬化過程的治療策略研究進展

為降低內(nèi)皮細胞功能異常對動脈粥樣硬化病理過程的不良影響以及對內(nèi)皮細胞功能異常分子機制的深入探討，目前針對內(nèi)皮細胞功能異常的治療策略主要集中在藥物治療、非藥物治療和新技術(shù)應(yīng)用等多種方面，包括降低血脂、抗炎癥反應(yīng)、降低氧化應(yīng)激、選擇合理膳食、調(diào)節(jié)細胞外囊泡的功能和應(yīng)用新型技術(shù)手段構(gòu)建人造血管等。

人體內(nèi)的脂質(zhì)代謝紊亂促進動脈粥樣硬化病理生理過程的進展，同時人體內(nèi)的氧化應(yīng)激反應(yīng)導(dǎo)致細胞膜和脂蛋白中包含多不飽和脂肪酸的磷脂和膽固醇酯發(fā)生脂質(zhì)過氧化反應(yīng)，生成包含ox-LDL-C在內(nèi)的多種氧化產(chǎn)物，最終發(fā)生氧化反應(yīng)的脂質(zhì)與巨噬細胞和內(nèi)皮細胞發(fā)生相互作用，參與動脈粥樣硬化的炎癥反應(yīng)和斑塊進展[28]。醛固酮和ox-LDL-C通過加快HUVEC的衰老過程來導(dǎo)致內(nèi)皮細胞發(fā)生功能障礙，進一步提示體內(nèi)膽固醇水平升高人群更應(yīng)注重控制ox-LDL-C的水平[29]。目前主要通過他汀類藥物控制人體的ox-LDL-C水平以達到穩(wěn)定動脈粥樣硬化斑塊和降低心血管疾病終點事件發(fā)生率的目的，同時他汀類藥物能減輕ox-LDL-C導(dǎo)致的內(nèi)皮細胞凋亡、氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)。hsa_circ_0004831作為一種新型環(huán)狀RNA參與調(diào)控ox-LDL-C導(dǎo)致的內(nèi)皮細胞損傷，ox-LDL-C促進HUVEC表達hsa_circ_0004831，而阿托伐他汀通過調(diào)控hsa_circ_0004831對miR-182-5p/CXCL12信號通路的作用來減弱內(nèi)皮細胞損傷[30]。

采取合理的生活方式是改善心血管疾病患病現(xiàn)狀的有效途徑，其中選取合理膳食對于動脈粥樣硬化性心臟病的防治具有重要作用。大豆中含量豐富的大豆異黃酮能與人體內(nèi)雌激素受體結(jié)合發(fā)揮雌激素的抗動脈粥樣硬化作用，大豆異黃酮及其代謝衍生物能增加體內(nèi)NO的產(chǎn)生和調(diào)節(jié)氧化還原反應(yīng)，最終通過抗氧化和抗炎反應(yīng)改善動脈粥樣硬化的病理生理過程和阻止內(nèi)皮細胞功能障礙的發(fā)生[31]。增加蔬菜和水果的攝入有助于降低心血管疾病的患病率，血紅素加氧酶-1是細胞內(nèi)重要的抗氧化劑，在許多病理因素刺激下，例如氧化應(yīng)激、炎癥因子和缺氧下，內(nèi)皮細胞中的血紅素加氧酶-1含量會急劇增加，習(xí)慣素食人群體內(nèi)相較于非素食人群的血紅素加氧酶-1水平含量較低，并且在相同應(yīng)激環(huán)境下，僅非素食人群血漿培養(yǎng)的內(nèi)皮細胞表現(xiàn)出活性氧增加和細胞凋亡增多，進一步證明增加蔬菜和水果的攝入量對于減弱人體內(nèi)氧化應(yīng)激反應(yīng)的重要作用[32]。

內(nèi)皮細胞來源的MPs通過抑制內(nèi)皮細胞介導(dǎo)的血管舒張過程和減少生成來促進動脈粥樣硬化的進展，并且MPs中攜帶的多種非編碼RNA通過調(diào)節(jié)平滑肌細胞表型來維持血管的完整性[33]。血管內(nèi)皮細胞來源的外泌體通過釋放miR-126來減少巨噬細胞浸潤至血管壁和動脈粥樣硬化斑塊中，同時通過抑制內(nèi)皮細胞VCAM-1的表達來減少動脈粥樣硬化斑塊募集炎癥細胞[34]。經(jīng)由血小板、紅細胞、白細胞和內(nèi)皮細胞釋放的外泌體具有其供體細胞的標志分子，因此具有成為新型動脈粥樣硬化分子標志物的應(yīng)用前景，同時外泌體相較于納米顆粒具有較低的免疫原性和逃避巨噬細胞吞噬的特性[35]。通過人工構(gòu)建裝載5-氨基酮戊酸己酯鹽酸鹽的M2型巨噬細胞來源的外泌體，能增強外泌體的抗炎作用來抑制動脈粥樣硬化的疾病進展[36]。

運用組織工程學(xué)方法構(gòu)建人造血管可能是治療動脈粥樣硬化導(dǎo)致缺血性疾病的治療策略，但由于人造血管在恢復(fù)組織血液供應(yīng)的同時需具備相應(yīng)的血管新生能力以完成組織再生和重塑，目前該治療策略仍需進一步完善[37]。通過靜電紡絲技術(shù)將聚二惡烷酮結(jié)合至微纖維結(jié)構(gòu)中構(gòu)建新型血管移植物支架能有效增強血管移植物內(nèi)的細胞浸潤效果，有助于維持血管移植物的長期通暢[38]。將微流體體外模型與水凝膠相結(jié)合，促進內(nèi)皮細胞通過出芽方式生長進入水凝膠，運用水凝膠的黏附性和可降解性有助于促進血管管腔的形成[39]。

5 總結(jié)與展望

內(nèi)皮細胞功能障礙和動脈粥樣硬化之間存在密切聯(lián)系，多種危險因素，例如炎癥反應(yīng)、代謝紊亂、不良膳食習(xí)慣、心理應(yīng)激以及缺氧等，均可能導(dǎo)致內(nèi)皮細胞功能異常及損傷。同時內(nèi)皮細胞功能障礙、內(nèi)皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化和內(nèi)皮細胞凋亡等均會進一步加重動脈粥樣硬化斑塊進展和斑塊不穩(wěn)定性。目前傳統(tǒng)治療策略多針對不穩(wěn)定斑塊進行降脂、穩(wěn)定斑塊、抗炎癥反應(yīng)和改善生活方式等，新技術(shù)的應(yīng)用仍存在缺陷，主要集中于人造血管的再血管化以及如何維持人造血管的長期通暢等問題，需進一步解決。同時針對內(nèi)皮細胞功能異常的相關(guān)靶點采取治療措施仍存在很大進步空間，如何在疾病早期或進展階段通過改善內(nèi)皮細胞功能和調(diào)節(jié)內(nèi)皮細胞凋亡開發(fā)新型藥物來減弱甚至逆轉(zhuǎn)動脈粥樣硬化的病理生理過程仍需進一步探索。