糖尿病血管并發(fā)癥病理機制研究進(jìn)展

趙蕙琛 ,扈艷雯 ,劉元濤 ,柴家超 ,馬小莉

(1.康復(fù)大學(xué)青島醫(yī)院(青島市市立醫(yī)院)內(nèi)分泌科,山東 青島 260071;2.菏澤市立醫(yī)院營養(yǎng)科,山東 菏澤 274000;3.山東大學(xué)齊魯醫(yī)院(青島)內(nèi)分泌科,山東 青島 266035;4.青島市婦女兒童醫(yī)院小兒骨科,山東 青島 266034)

目前,DM 呈全球流行趨勢,我國DM 患病總?cè)藬?shù)大約為1.298億[1]。隨著DM 患病率的增加,血管疾病的患病率逐年增加。DM 的微血管并發(fā)癥包括腎病、視網(wǎng)膜病變和神經(jīng)病變。大血管并發(fā)癥包括早期的AS,最終可表現(xiàn)為心血管疾病、腦血管疾病和外周血管疾病[2-3]。

現(xiàn)有研究表明,DM 作為獨立的危險因素增加AS風(fēng)險。如DM 患者下肢動脈硬化閉塞癥患病率明顯高于非DM 患者,DM 合并下肢動脈硬化閉塞癥患者發(fā)生DM 足的風(fēng)險更高。AS是一種廣泛存在的動脈壁慢性炎癥性疾病,發(fā)病機制復(fù)雜,始于脂質(zhì)積累,內(nèi)皮功能障礙,隨后導(dǎo)致循環(huán)免疫細(xì)胞的募集。循環(huán)中的單核細(xì)胞粘附在動脈壁的損傷區(qū)域并滲入其中,分化成巨噬細(xì)胞,通過吞噬作用參與脂質(zhì)攝取,形成泡沫細(xì)胞并促進(jìn)脂肪條紋的形成。隨后基質(zhì)金屬蛋白酶的激活、膠原降解、血管平滑肌細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞的遷移和增殖,直至AS 斑塊形成[4]。AS表現(xiàn)為動脈壁內(nèi)膜層的損傷和斑塊的積聚。最終,由炎性細(xì)胞分泌的基質(zhì)金屬蛋白酶可降解細(xì)胞外基質(zhì),造成斑塊的腐蝕或破裂,甚至形成血栓,影響血流。下面我們將基于AS討論DM 與血管并發(fā)癥聯(lián)系的分子機制。

1 高血糖導(dǎo)致過多的活性氧并加速AS

活性氧(reactive oxygen species,ROS)包括自由基,如羥基、超氧物、非自由基。ROS的合成和降解維持著眾多細(xì)胞生理和穩(wěn)態(tài)的功能。ROS的生成和清除失衡,可能會導(dǎo)致氧化應(yīng)激的發(fā)生,過量的活性氧對蛋白質(zhì)、DNA 和脂質(zhì)的修飾與DM 并發(fā)癥密切相關(guān)。ROS可通過煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate,NADPH)氧化酶、黃嘌呤氧化酶、線粒體電子傳遞鏈和未偶聯(lián)的內(nèi)皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase,eNOS)在血管壁的生成發(fā)揮作用[5]。

高血糖通過高氧耗、高氧化還原電位和線粒體分裂狀態(tài)導(dǎo)致線粒體ROS的過度產(chǎn)生。ROS的增加導(dǎo)致核DNA 的損傷并激活核多聚ADP-核糖聚合酶(poly ADP-ribose polymerase,PARP),后者抑制甘油醛-3-磷酸脫氫酶(glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase,GAPDH)活性,早期糖酵解的中間產(chǎn)物激活多元醇通路、蛋白激酶C(protein kinase C,PKC)和高級糖基化末端(advanced glycosylation end,AGE)。這些途徑通過促進(jìn)過量的ROS生成,來促進(jìn)內(nèi)皮功能障礙和炎癥因子的表達(dá)[6]。多元醇途徑通過消耗NADPH 和GSH 產(chǎn)生ROS,并在山梨醇轉(zhuǎn)化為果糖的過程中增加NADH的氧化。抑制GAPDH 有助于DHAP 的產(chǎn)生及PKC和AGE的增加,這兩種酶均會導(dǎo)致NADPH氧化酶、炎癥因子表達(dá)增加和eNOS 活化降低。PKC通過抑制PI3K-AKT 下游的表達(dá)促進(jìn)胰島素抵抗。此外,過量的ROS通過增加氧化低密度脂蛋白的形成,促進(jìn)胰島素抵抗,激活泛素化相關(guān)途徑,并通過降低脂聯(lián)素、嘌腺呤核苷一磷酸活化蛋白激酶和eNOS的激活間接促進(jìn)AS中的炎癥反應(yīng)發(fā)生和泡沫細(xì)胞的形成。

動物實驗證實DM 中ROS 生成的增加與AS有關(guān)[7]。動物實驗揭示了NADPH 氧化酶家族蛋白尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶1在DM 小鼠中上調(diào),敲除后可延緩AS進(jìn)展[8]。谷胱甘肽過氧化物酶1(Glutathione peroxidase 1,Gpx1)為抗氧化酶主要調(diào)節(jié)因子之一,缺乏Gpx1的apoE-/-小鼠證實了氧化應(yīng)激在DM 相關(guān)AS中的作用。缺乏Gpx1的糖尿病小鼠加速了AS的形成,上調(diào)了巨噬細(xì)胞浸潤和炎性因子的表達(dá),而Gpx1的恢復(fù)延緩了AS的形成[9]。綜上,在DM 小鼠的實驗中,血管活性氧水平的上調(diào)與AS密切相關(guān)。

2 AGEs在AS中的作用

AGEs是在蛋白質(zhì)和糖殘基之間的非酶反應(yīng)過程中形成的分子。高血糖會增加AGEs的形成,導(dǎo)致RAGE 信號、氧化應(yīng)激和炎癥反應(yīng)的增加,氧化的AGEs激活A(yù)GEs受體(RAGE)通過刺激NADPH 氧 化 酶-1 來 促 進(jìn)DM 患 者ROS 的 產(chǎn) 生[10]。AGEs在浸潤性單核細(xì)胞/巨噬細(xì)胞和血管壁細(xì)胞中高表達(dá),并作為蛋白質(zhì)翻譯后的修飾,激活促AS過程,包括氧化應(yīng)激、炎癥和腎素-血管緊張素系統(tǒng)[11]。抑制AGEs可減緩DM 相關(guān)AS的進(jìn)展[12]。甲基乙二醛由糖酵解中間產(chǎn)物磷酸三糖非酶裂解形成,是大多AGE 加合物的前體[13]。對非DMapoE缺失小鼠進(jìn)行處理,將血漿甲基乙二醛濃度增加到DM 水平會導(dǎo)致內(nèi)皮炎癥和AS的發(fā)生,結(jié)果與DM小鼠相似[14]。另一種可能性是,血糖升高誘導(dǎo)蛋白質(zhì)的糖基化和糖氧化,糖基化終產(chǎn)物在DM 患者體內(nèi)累積。AGE-RAGE結(jié)合增加血管細(xì)胞粘附分子1(vascular cell adhesion molecular-1,VCAM-1)、巨噬細(xì)胞炎性蛋白-1、基質(zhì)金屬蛋白酶-9及炎性因子的表達(dá),影響內(nèi)皮細(xì)胞活化和粘附分子的表達(dá),從而在斑塊形成的初始階段促進(jìn)單核細(xì)胞/巨噬細(xì)胞粘附和進(jìn)入內(nèi)皮下間隙。此外,這些分子促進(jìn)巨噬細(xì)胞釋放細(xì)胞因子,從而在斑塊形成過程中維持促炎癥環(huán)境。

另外,低密度脂蛋白顆粒的糖基化被視為低密度脂蛋白致AS 的修飾之一。AGE 可能通過降低單核細(xì)胞上ATP結(jié)合膜盒轉(zhuǎn)運蛋白A1和G1的表達(dá)來抑制膽固醇的反向轉(zhuǎn)運,通過增加內(nèi)皮素-1水平來增強血管收縮,并通過降低一氧化氮水平來減少血管舒張。最后,AGE參與細(xì)胞外基質(zhì)分子的修飾,促進(jìn)了AS進(jìn)展[15]。細(xì)胞外基質(zhì)蛋白的過度糖基化修飾可促進(jìn)巨噬細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞、血管平滑肌細(xì)胞等細(xì)胞的AGE 與RAGE 的相互作用,導(dǎo)致促炎作用和細(xì)胞內(nèi)ROS生成增加[16]。

DM 患者的紅細(xì)胞糖基化可能通過吞噬作用損害內(nèi)皮功能,形成不穩(wěn)定斑塊,進(jìn)而導(dǎo)致血栓形成[17]。在AS 的小鼠模型中,RAGE 缺乏可減輕AS病變。為使用RAGE抑制減少DM 患者AS的發(fā)展提供了可能性。

3 T2DM 相關(guān)慢性炎癥與AS

慢性炎癥是AS和DM 共同特征。在DM 患者中,炎癥小體活性增加,核苷酸結(jié)合寡聚結(jié)構(gòu)域樣受體3水平升高,促炎細(xì)胞因子水平升高。中性粒細(xì)胞胞外陷窩激活是炎癥途徑中確定的AS和DM 之間的直接聯(lián)系之一。壞死性凋亡(NETosis),一種特殊類型的巨噬細(xì)胞死亡,在此期間,細(xì)胞將染色質(zhì)釋放到胞外間質(zhì)以捕獲和殺死細(xì)菌。該過程在慢性無菌性炎癥和自身免疫性疾病中加劇,從而導(dǎo)致病理過程的發(fā)生。在DM 患者中發(fā)現(xiàn)NETosis標(biāo)記物水平的升高[18]。在動物模型中證實了NETosis在AS發(fā)展中的可能作用。

4 循環(huán)非編碼RNA在AS中的作用

MicroRNA(miRNA)是短RNA 片段,可以在m RNA 水平上抑制某些基因的表達(dá)。其中一些在DM 發(fā)病機制中起作用,同時與AS相關(guān)。如,miR-378a在能量和葡萄糖穩(wěn)態(tài)代謝調(diào)節(jié)中起著重要作用[19],并與AS 的發(fā)展密切相關(guān)[20]。miR-146a和miR-146b在內(nèi)皮細(xì)胞中發(fā)揮重要作用,它們的表達(dá)由炎癥細(xì)胞因子信號誘導(dǎo),并抑制炎癥內(nèi)皮激活[21]。miR-126的表達(dá)是T2DM 發(fā)展的危險因素,并在AS的小鼠模型中起到了保護(hù)作用[22]。

let-7中是目前研究最廣泛的miRNA 之一。正常水平的let-7可抑制炎癥反應(yīng)、平滑肌細(xì)胞增殖和單核細(xì)胞粘附。在DM 相關(guān)AS小鼠模型中,let-7水平降低。使用let-7類似物可以降低AS斑塊中炎癥因子的表達(dá),有對AS 的潛在保護(hù)作用[23]。DM 相關(guān)AS的長鏈非編碼RNA Dnm3os(dynamin 3相反鏈),其在DM 小鼠的巨噬細(xì)胞以及T2DM患者的單核細(xì)胞中表達(dá)增加。其過表達(dá)促進(jìn)了炎癥基因的表達(dá)和巨噬細(xì)胞的吞噬作用,還可導(dǎo)致染色質(zhì)表觀遺傳變化,進(jìn)一步促進(jìn)炎癥反應(yīng)的發(fā)生。miRNA 種類較多,作用多樣,仍需要更多的研究來識別和描述它們對DM 患者AS發(fā)生的影響。

5 高血糖導(dǎo)致的表觀遺傳修飾在AS形成中的作用

表觀遺傳學(xué)是指在不改變基因結(jié)構(gòu)和內(nèi)容的情況下調(diào)節(jié)基因表達(dá)和表型,其不僅可以調(diào)整特定基因的表達(dá),使身體對外部環(huán)境的變化做出快速反應(yīng),還可以使身體長期記住這些“遭遇”(即代謝記憶)。代謝記憶是指即使DM 患者的血糖控制在正常水平,與早期高血糖引起的T2DM 并發(fā)癥相關(guān)的基因表達(dá)仍會持續(xù)的現(xiàn)象[24],表觀遺傳學(xué)通過干擾巨噬細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和血管平滑肌細(xì)胞的生理活動而參與DM 患者AS的發(fā)生。

高血糖與影響血管內(nèi)皮細(xì)胞遺傳特征的染色質(zhì)修飾范圍有關(guān),對暴露于高糖水平的主動脈內(nèi)皮細(xì)胞進(jìn)行全基因組測序研究顯示,組蛋白H3K9/K14的高乙?；Ｊ脚cCp G 簇中的DNA 甲基化呈負(fù)相關(guān)。這一發(fā)現(xiàn)與AS效應(yīng)和血管疾病相關(guān)通路轉(zhuǎn)錄激活相關(guān)[25]。暫時性高血糖也會觸發(fā)賴氨酸4(H3K4m1)處H3組蛋白的單甲基化和其他組蛋白賴氨酸修飾作用。細(xì)胞因子、趨化因子和粘附分子通過調(diào)節(jié)與血管和代謝并發(fā)癥(其中包括AS)相關(guān)的促炎癥轉(zhuǎn)錄因子而受到高血糖的影響[26]。在這些高血糖誘導(dǎo)的變化最終結(jié)果是轉(zhuǎn)錄激活與內(nèi)皮功能障礙相關(guān)的基因[27]。因此,高血糖可誘導(dǎo)與AS發(fā)展相關(guān)的血管內(nèi)皮細(xì)胞表觀遺傳變化,從而提供DM 與AS發(fā)病機制之間的另一種聯(lián)系。

結(jié)語

DM 已被證明是加速AS 發(fā)展的獨立危險因素。DM 和AS的發(fā)病機制是密切相關(guān)的,但這種聯(lián)系的機制和分子相互作用尚未完全清楚,在已知的DM 和AS的病理機制中,有血脂異常、年齡相關(guān)的高血糖、氧化應(yīng)激增加和炎癥等。盡管不斷尋求新的治療方法,但鮮有藥物在DM 患者發(fā)生AS的風(fēng)險方面作用顯著。目前,適當(dāng)?shù)难强刂坪蜏p少已知的危險因素仍然是保護(hù)此類患者最常用的策略。仍需更多的研究來揭示DM 相關(guān)大血管損傷的確切信號機制,并確定具體的治療靶點。