糖尿病傷口愈合困難的血管病變機制及治療藥物研究進展*

王畇翔,李斌,2,牟曉娟,劉建君,韓琦朋,潘韜文,2,劉靜,2,刁云鵬,2

(1.大連醫(yī)科大學藥學院,大連 116044;2.大連市抗感染中藥開發(fā)工程技術(shù)研究中心,大連 116044)

糖尿病是指胰島素下降或胰島素抵抗而引起的血糖血脂代謝紊亂,作為終身性疾病,長期代謝異常導(dǎo)致延遲性愈合的皮膚潰瘍是糖尿病并發(fā)癥之一[1]。34%的糖尿病患者下肢會發(fā)生皮膚潰瘍,以糖尿病足潰瘍(diabetic foot ulcers,DFUs)為例,若合并微生物感染則易引起大面積開放性壞死,最終導(dǎo)致患者截肢甚至死亡[2]。傷口愈合可以簡單分為4個階段:纖維凝塊形成、炎癥反應(yīng)、血管再形成和結(jié)締組織重塑,血管再形成是其中的關(guān)鍵[3]。血管形成可以分為血管發(fā)生和血管新生,其中血管發(fā)生是指在胚胎發(fā)育時由中胚層起始形成血管的過程,由成血管細胞發(fā)育成血管內(nèi)皮細胞(endothelial cells,ECs)并最終形成血管的過程。血管新生是指在原有的毛細血管或微靜脈基礎(chǔ)上,通過內(nèi)皮細胞的增殖和遷移生成新生血管并通過血管平滑肌細胞(vascular smooth muscle cells,VSMCs)實現(xiàn)血管穩(wěn)定[4]。

然而糖尿病患者傷口中血管新生過程十分遲緩,創(chuàng)面中血管表面積、分支連接數(shù)、總血管長度和總分支數(shù)均明顯減少[5]。血管生成可以有效地支持傷口閉合,而血管病變正是導(dǎo)致糖尿病患者傷口難愈的誘因之一。因此,深入探尋糖尿病患者傷口難愈的血管病變機制以及有效治療難愈合傷口的藥物成為亟待解決的問題。本文從血管構(gòu)成細胞出發(fā),分別從內(nèi)皮細胞和平滑肌細胞2個方面回顧血管病理機制及其對糖尿病延遲性愈合傷口的潛在影響,并總結(jié)當前降糖藥物以及天然化合物對血管病變的療效。

1 糖尿病患者傷口難愈的血管病變機制

1.1高糖誘導(dǎo)內(nèi)皮細胞死亡 血管生成以內(nèi)皮細胞為核心展開,長期高血糖會導(dǎo)致過度氧化應(yīng)激并產(chǎn)生過量的活性氧(reactive oxygen,ROS),這是內(nèi)皮細胞死亡的生化基礎(chǔ)。ROS通過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上應(yīng)激感應(yīng)蛋白來延長未折疊蛋白反應(yīng),磷酸化的跨膜蛋白激酶R樣內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶(protein kinase R-like ER kinase,PERK)會選擇性地增強轉(zhuǎn)錄因子ATF4,從而激活促凋亡轉(zhuǎn)錄因子C/EBP同源蛋白(C/EBP homologous protein,CHOP),引發(fā)凋亡[6]。糖尿病傷口處的內(nèi)皮細胞還體現(xiàn)出鐵死亡特征,即脂質(zhì)過氧化增加以及抗氧化系統(tǒng)的缺乏[7]。蛋白激酶PKCβII可以磷酸化?；o酶A合成酶長鏈蛋白4(achaete-scute family bHLH transcription factor 4,ACSL4),放大脂質(zhì)過氧化,誘導(dǎo)細胞發(fā)生鐵死亡[8]。而磷脂酶iPLA2β可以使多不飽和脂肪?；?polyunsaturated fatty acid,PUFA)部分去氧化,但這是由p53蛋白以ROS閾值依賴性驅(qū)動,即它可以在輕度ROS下由p53激活,在過量ROS下該現(xiàn)象消失[9]。此外,由Gasdermin蛋白主導(dǎo)的細胞焦亡在糖尿病血管病變中也被證實[10]。內(nèi)皮細胞會由于肌醇需求酶IRE-1α介導(dǎo)下的硫氧還蛋白和硫氧還蛋白相互作用蛋白的結(jié)合作用加強而無法中和胞內(nèi)生成的ROS,進而激活NOD樣受體熱蛋白結(jié)構(gòu)域相關(guān)蛋白3(NOD-like receptor thermal protein domain associated protein3, NLRP3)炎癥小體依賴性細胞焦亡[11]。以上證據(jù)指出糖尿病難愈創(chuàng)面是由于血管內(nèi)皮細胞代償機制失衡所導(dǎo)致的多種程序性細胞死亡。

1.2平滑肌細胞的再分化和過度的增殖遷移 與內(nèi)皮細胞不同,血管平滑肌細胞的病理改變是多種刺激下導(dǎo)致的再分化和過度增殖遷移,這是由于血管平滑肌細胞沒有終末分化,具有表型可塑性,靜止期平滑肌細胞表現(xiàn)出低增殖、低合成活性,這種被定義為收縮型;當血管受損時,收縮型細胞會轉(zhuǎn)變?yōu)楹铣尚?這意味著細胞的增殖活性和胞外基質(zhì)分泌物增加[12]。糖尿病帶來的脂質(zhì)代謝異常配合平滑肌細胞的表型轉(zhuǎn)化最終導(dǎo)致血管鈣化[13]。糖尿病患者體內(nèi)去乙?；窼irt1的下調(diào)會增加骨鈣素的濃度,血管鈣化風險因此升高[14]。而成纖維生長因子21(fibroblast growth factor 21,FGF21)可以通過調(diào)節(jié)P38-MAPK信號顯著抑制血管鈣化[15]。高血糖會導(dǎo)致血管平滑肌細胞過度增殖遷移引發(fā)內(nèi)膜侵襲,引起血管內(nèi)膜占位性病變以及損傷后再狹窄,進而影響新生血管各方面的功能重構(gòu)。研究表明Notch家族蛋白對糖尿病患者血管病變的產(chǎn)生和發(fā)展具有重要影響,例如在高糖環(huán)境下跨膜蛋白Notch的配體Jagged-1的表達水平上調(diào),其結(jié)合并水解細胞膜表面的Notch受體,激活Notch相關(guān)信號通路,促進平滑肌細胞增殖[16]。在高糖的負面刺激下,受損的內(nèi)皮細胞削弱其遷移能力導(dǎo)致潰瘍修復(fù)減緩,相反,相對增強的平滑肌細胞遷移對糖尿病血管穩(wěn)態(tài)的破壞或許可以用一種新的遷移依賴性細胞器“遷移體”來解釋[17]。受損或老化的線粒體需要被清除以維持線粒體池的質(zhì)量,而遷移體可以轉(zhuǎn)運線粒體駐留蛋白并從遷移的細胞中清除來介導(dǎo)線粒體質(zhì)量控制過程,從而保護細胞免受應(yīng)激損害。這種自我適應(yīng)與自我修復(fù)的過程與其說是在嚴重應(yīng)激下盡可能地穩(wěn)定細胞器,不如說是在應(yīng)激壓力被克服后有助于迅速恢復(fù)。

1.3血管的舒縮功能和完整性障礙 糖尿病患者的血管舒縮間存在不平衡,這會增加血管反應(yīng)性,具體表現(xiàn)為內(nèi)皮細胞介導(dǎo)的血管過度收縮而舒張相對減弱。鈣離子在調(diào)節(jié)血管收縮中發(fā)揮關(guān)鍵作用,蛋白激酶A(protein kinase A, PKA)通過激活L型鈣離子通道(L-type calcium channel,LTCC),引發(fā)大量鈣內(nèi)流和內(nèi)皮依賴性超收縮[18]。另外高血糖會破壞內(nèi)皮素-1 (endothelin-1,ET-1)和一氧化氮 (nitric oxide,NO)之間的生物利用度平衡,即內(nèi)皮素轉(zhuǎn)換酶 (endothelin converting enzyme,ECE)和內(nèi)皮一氧化氮合酶 (endothelial nitric oxide synthase,eNOs)之間的失衡[19]。這歸因于晚期糖基化產(chǎn)物可以增強酶促協(xié)同作用,促進eNOs降解,降低eNOs磷酸化[20]。同時,炎癥浸潤會加速環(huán)氧合酶(cyclooxygenase,COX)代謝,合成內(nèi)皮源性收縮因子,導(dǎo)致內(nèi)皮功能障礙[21]。血管完整性的復(fù)雜擾動減少血管對損傷的應(yīng)答,不利于潰瘍愈合。正常內(nèi)皮細胞通過細胞間連接維持完整性,而血管生成的開始需要內(nèi)皮尖端細胞獲得間充質(zhì)表型,失去頂端-基底極性并獲得前-后極性,從而能夠降解基底膜和細胞外基質(zhì)(extracellular matrix,ECM)并發(fā)生遷移,這一過程被稱為內(nèi)皮間充質(zhì)轉(zhuǎn)化 (endothelial to mesenchymal transition,EndMT),其中生物變化包括血管內(nèi)皮鈣粘蛋白 (VE-cadherin)的表達降低;層粘連蛋白下調(diào),同時纖連蛋白上調(diào);細胞骨架角蛋白轉(zhuǎn)化為波形蛋白[22]。然而過量的ROS通過激活轉(zhuǎn)錄因子蛋白家族核因子κB(nuclear factor kappa-B, NF-κB)來上調(diào)基質(zhì)金屬蛋白酶9(matrix Metallopeptidase 9,MMP9)的表達,這會持續(xù)切割I(lǐng)V型膠原蛋白和層粘連蛋白從而過度降解ECM[23]。血管內(nèi)皮細胞向底層組織的遷移和分層對于新生血管形成至關(guān)重要,而高血糖限制其遷移和管形成,血管完整性受損的同時也喪失血管對傷口愈合的貢獻。多處證據(jù)支持通透性增加以及內(nèi)皮屏障的破壞不利于維持內(nèi)皮細胞旁粘連的完整性[24]。實際上當創(chuàng)傷形成時,血管通透性適當增加有助于血管生成,但內(nèi)皮通透性的持續(xù)增加則會誘發(fā)隨后的病理發(fā)生,不利于傷口愈合。研究認為Robo受體在調(diào)節(jié)血管通透性和血管生成中起重要作用。Robo1和Robo2通過Slit家族蛋白驅(qū)動血管生成和血管通透性,而Robo4作為負向調(diào)節(jié)因子可以抑制血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factors,VEGF)信號傳導(dǎo)以降低血管通透性[25]。由此可見,VEGF是血管生成和通透性調(diào)節(jié)的樞紐因子。就血管生成而言,低氧條件下VEGF水平升高,這可以確保以VEGF驅(qū)動的血管生成反應(yīng)能夠作為應(yīng)對低氧壓力的核心中樞,這也是其最初被稱為血管通透性因子的原因[24]。

2 糖尿病傷口血管病變治療的藥物研究進展

2.1經(jīng)典降糖藥物的血管療效 隨著研究不斷深入,傳統(tǒng)降糖藥物的應(yīng)用前景發(fā)生巨大變化,甚至作用于血管生成以對抗糖尿病并發(fā)癥。二甲雙胍可以有效抑制高糖誘導(dǎo)的平滑肌細胞過度增殖分化[26]。噻唑烷二酮類藥物吡格列酮作為過氧化物酶體增殖物激活受體γ(peroxisome proliferators-activated receptors-γ,PPAR-γ)激動劑可以加速傷口愈合[27]。α-葡萄糖苷酶抑制劑阿卡波糖可以減少NLRP3炎癥小體來改善內(nèi)皮屏障功能[28]。二肽基肽酶-4(dipeptidyl peptidase-4,DPP-4)抑制劑類藥物西格列汀和維格列汀分別具有抗血管鈣化和抗內(nèi)皮功能障礙,其機制可能是抑制胰高血糖素樣肽-1(glucagon likepeptide-1,GLP-1)的裂解過程[29]。因此,作為 GLP-1 類似物的利拉魯肽可以通過 Sirt1/AMPK 信號通路減少內(nèi)皮細胞的焦亡[30]。臨床數(shù)據(jù)顯示口服司美格魯肽可減少糖尿病患者下肢截肢風險,皮下注射卻增加視網(wǎng)膜病變,但這似乎與藥物本身無關(guān)[31-32]。臨床上以二甲雙胍為基礎(chǔ)的聯(lián)合用藥在血管方面降低全因死亡率要優(yōu)于單藥效果[33]。然而并不是所有降糖藥物都對血管病變有著正向作用,作為鈉-葡萄糖共轉(zhuǎn)運體2 (sodium-dependent glucose transporters 2,SGLT2)拮抗劑之一的卡格列凈卻被發(fā)現(xiàn)可以抑制內(nèi)皮細胞增殖,增加患者截肢概率[34]。

2.2天然化合物的治療潛力 由傳統(tǒng)民族藥物提取而來的天然活性化合物在糖尿病并發(fā)癥治療上也有廣闊前景[35]。由于糖尿病患者通常伴有慢性炎癥,因此具有抗炎抗氧化活性的天然產(chǎn)物具有潛在促愈合作用。在炎癥反應(yīng)方面,例如針對NF-κB信號通路,香芹酚在體內(nèi)外均降低TLR4信號的激活,從而緩解內(nèi)皮功能障礙[36]。此外,雙氫青蒿素通過間接降低轉(zhuǎn)錄因子KLF15的表達來減輕血管處的炎癥浸潤[37]。在針對氧化應(yīng)激途徑上,姜黃素可以抑制糖尿病血管的凋亡和氧化應(yīng)激[14]。五味子多酚可直接與轉(zhuǎn)錄調(diào)控蛋白Keap1作用,激活核因子Nrf2來參與抗氧化途徑[38]。隱丹參酮通過促進管形成并抑制MMP9來增強 ECM 重塑,從而加快傷口閉合速度[39]。

3 結(jié)論與展望

糖尿病患者持續(xù)的高血糖和缺氧狀態(tài),導(dǎo)致包括血管在內(nèi)的整個傷口微環(huán)境復(fù)雜惡劣。在創(chuàng)傷發(fā)生時,受損血管的愈合障礙和新生血管功能障礙,使得血管對創(chuàng)面修復(fù)的貢獻難以實現(xiàn)。糖尿病下血管病變可以簡單概括為內(nèi)皮屏障損傷下的血管再生障礙以及血管內(nèi)膜增生、內(nèi)皮過度收縮引起的再狹窄。但是由于整個血管系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián),單靶點治療可能對整個傷口愈合沒有顯著效果。傳統(tǒng)單一的抗糖尿病藥物存在明顯的局限性,糖尿病潰瘍臨床治療需要聯(lián)合用藥方案。盡管血管生成對傷口愈合有重要影響,但并非全部,糖尿病延遲性愈合創(chuàng)面的發(fā)病機制及具體治療方案有待進一步研究和完善。