糖尿病血管并發癥病理機制研究進展

趙蕙琛 ,扈艷雯 ,劉元濤 ,柴家超 ,馬小莉

(1.康復大學青島醫院(青島市市立醫院)內分泌科,山東 青島 260071;2.菏澤市立醫院營養科,山東 菏澤 274000;3.山東大學齊魯醫院(青島)內分泌科,山東 青島 266035;4.青島市婦女兒童醫院小兒骨科,山東 青島 266034)

目前,DM 呈全球流行趨勢,我國DM 患病總人數大約為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 的微血管并發癥包括腎病、視網膜病變和神經病變。大血管并發癥包括早期的AS,最終可表現為心血管疾病、腦血管疾病和外周血管疾病[2-3]。

現有研究表明,DM 作為獨立的危險因素增加AS風險。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生DM 足的風險更高。AS是一種廣泛存在的動脈壁慢性炎癥性疾病,發病機制復雜,始于脂質積累,內皮功能障礙,隨后導致循環免疫細胞的募集。循環中的單核細胞粘附在動脈壁的損傷區域并滲入其中,分化成巨噬細胞,通過吞噬作用參與脂質攝取,形成泡沫細胞并促進脂肪條紋的形成。隨后基質金屬蛋白酶的激活、膠原降解、血管平滑肌細胞和內皮細胞的遷移和增殖,直至AS 斑塊形成[4]。AS表現為動脈壁內膜層的損傷和斑塊的積聚。最終,由炎性細胞分泌的基質金屬蛋白酶可降解細胞外基質,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 與血管并發癥聯系的分子機制。

1 高血糖導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胞生理和穩態的功能。ROS的生成和清除失衡,可能會導致氧化應激的發生,過量的活性氧對蛋白質、DNA 和脂質的修飾與DM 并發癥密切相關。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的內皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase,eNOS)在血管壁的生成發揮作用[5]。

高血糖通過高氧耗、高氧化還原電位和線粒體分裂狀態導致線粒體ROS的過度產生。ROS的增加導致核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)。這些途徑通過促進過量的ROS生成,來促進內皮功能障礙和炎癥因子的表達[6]。多元醇途徑通過消耗NADPH 和GSH 產生ROS,并在山梨醇轉化為果糖的過程中增加NADH的氧化。抑制GAPDH 有助于DHAP 的產生及PKC和AGE的增加,這兩種酶均會導致NADPH氧化酶、炎癥因子表達增加和eNOS 活化降低。PKC通過抑制PI3K-AKT 下游的表達促進胰島素抵抗。此外,過量的ROS通過增加氧化低密度脂蛋白的形成,促進胰島素抵抗,激活泛素化相關途徑,并通過降低脂聯素、嘌腺呤核苷一磷酸活化蛋白激酶和eNOS的激活間接促進AS中的炎癥反應發生和泡沫細胞的形成。

動物實驗證實DM 中ROS 生成的增加與AS有關[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,敲除后可延緩AS進展[8]。谷胱甘肽過氧化物酶1(Glutathione peroxidase 1,Gpx1)為抗氧化酶主要調節因子之一,缺乏Gpx1的apoE-/-小鼠證實了氧化應激在DM 相關AS中的作用。缺乏Gpx1的糖尿病小鼠加速了AS的形成,上調了巨噬細胞浸潤和炎性因子的表達,而Gpx1的恢復延緩了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與AS密切相關。

2 AGEs在AS中的作用

AGEs是在蛋白質和糖殘基之間的非酶反應過程中形成的分子。高血糖會增加AGEs的形成,導致RAGE 信號、氧化應激和炎癥反應的增加,氧化的AGEs激活AGEs受體(RAGE)通過刺激NADPH 氧 化 酶-1 來 促 進DM 患 者ROS 的 產 生[10]。AGEs在浸潤性單核細胞/巨噬細胞和血管壁細胞中高表達,并作為蛋白質翻譯后的修飾,激活促AS過程,包括氧化應激、炎癥和腎素-血管緊張素系統[11]。抑制AGEs可減緩DM 相關AS的進展[12]。甲基乙二醛由糖酵解中間產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缺失小鼠進行處理,將血漿甲基乙二醛濃度增加到DM 水平會導致內皮炎癥和AS的發生,結果與DM小鼠相似[14]。另一種可能性是,血糖升高誘導蛋白質的糖基化和糖氧化,糖基化終產物在DM 患者體內累積。AGE-RAGE結合增加血管細胞粘附分子1(vascular cell adhesion molecular-1,VCAM-1)、巨噬細胞炎性蛋白-1、基質金屬蛋白酶-9及炎性因子的表達,影響內皮細胞活化和粘附分子的表達,從而在斑塊形成的初始階段促進單核細胞/巨噬細胞粘附和進入內皮下間隙。此外,這些分子促進巨噬細胞釋放細胞因子,從而在斑塊形成過程中維持促炎癥環境。

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胞上ATP結合膜盒轉運蛋白A1和G1的表達來抑制膽固醇的反向轉運,通過增加內皮素-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參與細胞外基質分子的修飾,促進了AS進展[15]。細胞外基質蛋白的過度糖基化修飾可促進巨噬細胞、內皮細胞、血管平滑肌細胞等細胞的AGE 與RAGE 的相互作用,導致促炎作用和細胞內ROS生成增加[16]。

DM 患者的紅細胞糖基化可能通過吞噬作用損害內皮功能,形成不穩定斑塊,進而導致血栓形成[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的發展提供了可能性。

3 T2DM 相關慢性炎癥與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,核苷酸結合寡聚結構域樣受體3水平升高,促炎細胞因子水平升高。中性粒細胞胞外陷窩激活是炎癥途徑中確定的AS和DM 之間的直接聯系之一。壞死性凋亡(NETosis),一種特殊類型的巨噬細胞死亡,在此期間,細胞將染色質釋放到胞外間質以捕獲和殺死細菌。該過程在慢性無菌性炎癥和自身免疫性疾病中加劇,從而導致病理過程的發生。在DM 患者中發現NETosis標記物水平的升高[18]。在動物模型中證實了NETosis在AS發展中的可能作用。

4 循環非編碼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。其中一些在DM 發病機制中起作用,同時與AS相關。如,miR-378a在能量和葡萄糖穩態代謝調節中起著重要作用[19],并與AS 的發展密切相關[20]。miR-146a和miR-146b在內皮細胞中發揮重要作用,它們的表達由炎癥細胞因子信號誘導,并抑制炎癥內皮激活[21]。miR-126的表達是T2DM 發展的危險因素,并在AS的小鼠模型中起到了保護作用[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、平滑肌細胞增殖和單核細胞粘附。在DM 相關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,有對AS 的潛在保護作用[23]。DM 相關AS的長鏈非編碼RNA Dnm3os(dynamin 3相反鏈),其在DM 小鼠的巨噬細胞以及T2DM患者的單核細胞中表達增加。其過表達促進了炎癥基因的表達和巨噬細胞的吞噬作用,還可導致染色質表觀遺傳變化,進一步促進炎癥反應的發生。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發生的影響。

5 高血糖導致的表觀遺傳修飾在AS形成中的作用

表觀遺傳學是指在不改變基因結構和內容的情況下調節基因表達和表型,其不僅可以調整特定基因的表達,使身體對外部環境的變化做出快速反應,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 并發癥相關的基因表達仍會持續的現象[24],表觀遺傳學通過干擾巨噬細胞、內皮細胞和血管平滑肌細胞的生理活動而參與DM 患者AS的發生。

高血糖與影響血管內皮細胞遺傳特征的染色質修飾范圍有關,對暴露于高糖水平的主動脈內皮細胞進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 甲基化呈負相關。這一發現與AS效應和血管疾病相關通路轉錄激活相關[25]。暫時性高血糖也會觸發賴氨酸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。細胞因子、趨化因子和粘附分子通過調節與血管和代謝并發癥(其中包括AS)相關的促炎癥轉錄因子而受到高血糖的影響[26]。在這些高血糖誘導的變化最終結果是轉錄激活與內皮功能障礙相關的基因[27]。因此,高血糖可誘導與AS發展相關的血管內皮細胞表觀遺傳變化,從而提供DM 與AS發病機制之間的另一種聯系。

結語

DM 已被證明是加速AS 發展的獨立危險因素。DM 和AS的發病機制是密切相關的,但這種聯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、年齡相關的高血糖、氧化應激增加和炎癥等。盡管不斷尋求新的治療方法,但鮮有藥物在DM 患者發生AS的風險方面作用顯著。目前,適當的血糖控制和減少已知的危險因素仍然是保護此類患者最常用的策略。仍需更多的研究來揭示DM 相關大血管損傷的確切信號機制,并確定具體的治療靶點。