糖尿病血管并发症病理机制研究进展

赵蕙琛 ,扈艳雯 ,刘元涛 ,柴家超 ,马小莉

(1.康复大学青岛医院(青岛市市立医院)内分泌科,山东 青岛 260071;2.菏泽市立医院营养科,山东 菏泽 274000;3.山东大学齐鲁医院(青岛)内分泌科,山东 青岛 266035;4.青岛市妇女儿童医院小儿骨科,山东 青岛 266034)

目前,DM 呈全球流行趋势,我国DM 患病总人数大约为1.298亿[1]。随着DM 患病率的增加,血管疾病的患病率逐年增加。DM 的微血管并发症包括肾病、视网膜病变和神经病变。大血管并发症包括早期的AS,最终可表现为心血管疾病、脑血管疾病和外周血管疾病[2-3]。

现有研究表明,DM 作为独立的危险因素增加AS风险。如DM 患者下肢动脉硬化闭塞症患病率明显高于非DM 患者,DM 合并下肢动脉硬化闭塞症患者发生DM 足的风险更高。AS是一种广泛存在的动脉壁慢性炎症性疾病,发病机制复杂,始于脂质积累,内皮功能障碍,随后导致循环免疫细胞的募集。循环中的单核细胞粘附在动脉壁的损伤区域并渗入其中,分化成巨噬细胞,通过吞噬作用参与脂质摄取,形成泡沫细胞并促进脂肪条纹的形成。随后基质金属蛋白酶的激活、胶原降解、血管平滑肌细胞和内皮细胞的迁移和增殖,直至AS 斑块形成[4]。AS表现为动脉壁内膜层的损伤和斑块的积聚。最终,由炎性细胞分泌的基质金属蛋白酶可降解细胞外基质,造成斑块的腐蚀或破裂,甚至形成血栓,影响血流。下面我们将基于AS讨论DM 与血管并发症联系的分子机制。

1 高血糖导致过多的活性氧并加速AS

活性氧(reactive oxygen species,ROS)包括自由基,如羟基、超氧物、非自由基。ROS的合成和降解维持着众多细胞生理和稳态的功能。ROS的生成和清除失衡,可能会导致氧化应激的发生,过量的活性氧对蛋白质、DNA 和脂质的修饰与DM 并发症密切相关。ROS可通过烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate,NADPH)氧化酶、黄嘌呤氧化酶、线粒体电子传递链和未偶联的内皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase,eNOS)在血管壁的生成发挥作用[5]。

高血糖通过高氧耗、高氧化还原电位和线粒体分裂状态导致线粒体ROS的过度产生。ROS的增加导致核DNA 的损伤并激活核多聚ADP-核糖聚合酶(poly ADP-ribose polymerase,PARP),后者抑制甘油醛-3-磷酸脱氢酶(glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase,GAPDH)活性,早期糖酵解的中间产物激活多元醇通路、蛋白激酶C(protein kinase C,PKC)和高级糖基化末端(advanced glycosylation end,AGE)。这些途径通过促进过量的ROS生成,来促进内皮功能障碍和炎症因子的表达[6]。多元醇途径通过消耗NADPH 和GSH 产生ROS,并在山梨醇转化为果糖的过程中增加NADH的氧化。抑制GAPDH 有助于DHAP 的产生及PKC和AGE的增加,这两种酶均会导致NADPH氧化酶、炎症因子表达增加和eNOS 活化降低。PKC通过抑制PI3K-AKT 下游的表达促进胰岛素抵抗。此外,过量的ROS通过增加氧化低密度脂蛋白的形成,促进胰岛素抵抗,激活泛素化相关途径,并通过降低脂联素、嘌腺呤核苷一磷酸活化蛋白激酶和eNOS的激活间接促进AS中的炎症反应发生和泡沫细胞的形成。

动物实验证实DM 中ROS 生成的增加与AS有关[7]。动物实验揭示了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 小鼠中上调,敲除后可延缓AS进展[8]。谷胱甘肽过氧化物酶1(Glutathione peroxidase 1,Gpx1)为抗氧化酶主要调节因子之一,缺乏Gpx1的apoE-/-小鼠证实了氧化应激在DM 相关AS中的作用。缺乏Gpx1的糖尿病小鼠加速了AS的形成,上调了巨噬细胞浸润和炎性因子的表达,而Gpx1的恢复延缓了AS的形成[9]。综上,在DM 小鼠的实验中,血管活性氧水平的上调与AS密切相关。

2 AGEs在AS中的作用

AGEs是在蛋白质和糖残基之间的非酶反应过程中形成的分子。高血糖会增加AGEs的形成,导致RAGE 信号、氧化应激和炎症反应的增加,氧化的AGEs激活AGEs受体(RAGE)通过刺激NADPH 氧 化 酶-1 来 促 进DM 患 者ROS 的 产 生[10]。AGEs在浸润性单核细胞/巨噬细胞和血管壁细胞中高表达,并作为蛋白质翻译后的修饰,激活促AS过程,包括氧化应激、炎症和肾素-血管紧张素系统[11]。抑制AGEs可减缓DM 相关AS的进展[12]。甲基乙二醛由糖酵解中间产物磷酸三糖非酶裂解形成,是大多AGE 加合物的前体[13]。对非DMapoE缺失小鼠进行处理,将血浆甲基乙二醛浓度增加到DM 水平会导致内皮炎症和AS的发生,结果与DM小鼠相似[14]。另一种可能性是,血糖升高诱导蛋白质的糖基化和糖氧化,糖基化终产物在DM 患者体内累积。AGE-RAGE结合增加血管细胞粘附分子1(vascular cell adhesion molecular-1,VCAM-1)、巨噬细胞炎性蛋白-1、基质金属蛋白酶-9及炎性因子的表达,影响内皮细胞活化和粘附分子的表达,从而在斑块形成的初始阶段促进单核细胞/巨噬细胞粘附和进入内皮下间隙。此外,这些分子促进巨噬细胞释放细胞因子,从而在斑块形成过程中维持促炎症环境。

另外,低密度脂蛋白颗粒的糖基化被视为低密度脂蛋白致AS 的修饰之一。AGE 可能通过降低单核细胞上ATP结合膜盒转运蛋白A1和G1的表达来抑制胆固醇的反向转运,通过增加内皮素-1水平来增强血管收缩,并通过降低一氧化氮水平来减少血管舒张。最后,AGE参与细胞外基质分子的修饰,促进了AS进展[15]。细胞外基质蛋白的过度糖基化修饰可促进巨噬细胞、内皮细胞、血管平滑肌细胞等细胞的AGE 与RAGE 的相互作用,导致促炎作用和细胞内ROS生成增加[16]。

DM 患者的红细胞糖基化可能通过吞噬作用损害内皮功能,形成不稳定斑块,进而导致血栓形成[17]。在AS 的小鼠模型中,RAGE 缺乏可减轻AS病变。为使用RAGE抑制减少DM 患者AS的发展提供了可能性。

3 T2DM 相关慢性炎症与AS

慢性炎症是AS和DM 共同特征。在DM 患者中,炎症小体活性增加,核苷酸结合寡聚结构域样受体3水平升高,促炎细胞因子水平升高。中性粒细胞胞外陷窝激活是炎症途径中确定的AS和DM 之间的直接联系之一。坏死性凋亡(NETosis),一种特殊类型的巨噬细胞死亡,在此期间,细胞将染色质释放到胞外间质以捕获和杀死细菌。该过程在慢性无菌性炎症和自身免疫性疾病中加剧,从而导致病理过程的发生。在DM 患者中发现NETosis标记物水平的升高[18]。在动物模型中证实了NETosis在AS发展中的可能作用。

4 循环非编码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达。其中一些在DM 发病机制中起作用,同时与AS相关。如,miR-378a在能量和葡萄糖稳态代谢调节中起着重要作用[19],并与AS 的发展密切相关[20]。miR-146a和miR-146b在内皮细胞中发挥重要作用,它们的表达由炎症细胞因子信号诱导,并抑制炎症内皮激活[21]。miR-126的表达是T2DM 发展的危险因素,并在AS的小鼠模型中起到了保护作用[22]。

let-7中是目前研究最广泛的miRNA 之一。正常水平的let-7可抑制炎症反应、平滑肌细胞增殖和单核细胞粘附。在DM 相关AS小鼠模型中,let-7水平降低。使用let-7类似物可以降低AS斑块中炎症因子的表达,有对AS 的潜在保护作用[23]。DM 相关AS的长链非编码RNA Dnm3os(dynamin 3相反链),其在DM 小鼠的巨噬细胞以及T2DM患者的单核细胞中表达增加。其过表达促进了炎症基因的表达和巨噬细胞的吞噬作用,还可导致染色质表观遗传变化,进一步促进炎症反应的发生。miRNA 种类较多,作用多样,仍需要更多的研究来识别和描述它们对DM 患者AS发生的影响。

5 高血糖导致的表观遗传修饰在AS形成中的作用

表观遗传学是指在不改变基因结构和内容的情况下调节基因表达和表型,其不仅可以调整特定基因的表达,使身体对外部环境的变化做出快速反应,还可以使身体长期记住这些“遭遇”(即代谢记忆)。代谢记忆是指即使DM 患者的血糖控制在正常水平,与早期高血糖引起的T2DM 并发症相关的基因表达仍会持续的现象[24],表观遗传学通过干扰巨噬细胞、内皮细胞和血管平滑肌细胞的生理活动而参与DM 患者AS的发生。

高血糖与影响血管内皮细胞遗传特征的染色质修饰范围有关,对暴露于高糖水平的主动脉内皮细胞进行全基因组测序研究显示,组蛋白H3K9/K14的高乙酰化模式与Cp G 簇中的DNA 甲基化呈负相关。这一发现与AS效应和血管疾病相关通路转录激活相关[25]。暂时性高血糖也会触发赖氨酸4(H3K4m1)处H3组蛋白的单甲基化和其他组蛋白赖氨酸修饰作用。细胞因子、趋化因子和粘附分子通过调节与血管和代谢并发症(其中包括AS)相关的促炎症转录因子而受到高血糖的影响[26]。在这些高血糖诱导的变化最终结果是转录激活与内皮功能障碍相关的基因[27]。因此,高血糖可诱导与AS发展相关的血管内皮细胞表观遗传变化,从而提供DM 与AS发病机制之间的另一种联系。

结语

DM 已被证明是加速AS 发展的独立危险因素。DM 和AS的发病机制是密切相关的,但这种联系的机制和分子相互作用尚未完全清楚,在已知的DM 和AS的病理机制中,有血脂异常、年龄相关的高血糖、氧化应激增加和炎症等。尽管不断寻求新的治疗方法,但鲜有药物在DM 患者发生AS的风险方面作用显著。目前,适当的血糖控制和减少已知的危险因素仍然是保护此类患者最常用的策略。仍需更多的研究来揭示DM 相关大血管损伤的确切信号机制,并确定具体的治疗靶点。