高血糖對血管內皮細胞損傷機制的影響

廖凱斌，李潮生

(1.廣東醫科大學研究生學院，廣東 湛江 524023； 2.深圳市寶安區人民醫院心血管內科，廣東 深圳 518101)

糖尿病是繼心腦血管疾病、腫瘤之后另一個嚴重危害人類健康的重要慢性非傳染性疾病。在糖尿病引起的慢性并發癥中，糖尿病性視網膜病變導致的失明、糖尿病腎病導致的慢性腎功能不全和糖尿病導致的心腦血管及外周動脈疾病等的血管并發癥是糖尿病危害人類生命健康的重要原因，給人類帶來巨大危害，不僅會導致殘疾和早亡，還造成巨大的資金和資源浪費，是糖尿病患者死亡的最主要原因[1-2]。內皮細胞是人體最大的器官，是血管單元的關鍵組分，這些特殊分化的細胞組成血管的內層，被覆在血管基膜上，周圍有支持性血管周細胞(周細胞或平滑肌細胞)，不僅在循環血液和血管壁之間起到天然屏障作用，還能對神經、體液，特別是血流動力學刺激做出反應，包括調節白細胞的趨附影響炎癥反應,預防血小板聚集導致血栓形成,調節血管平滑肌細胞生長和遷移，以及通過合成和釋放血管活性物質調節血管張力[3]。而高血糖的糖毒性作用作為糖尿病血管并發癥的主要致病因素，是血管內皮細胞功能障礙的重要原因。現就高血糖引起血管內細胞損傷的主要作用機制予以綜述。

1 多元醇通路活化

多元醇通路是機體正常糖代謝途徑之一，該途徑涉及由醛糖還原酶和山梨糖醇脫氫酶催化的兩個連續反應：第一個反應是醛糖還原酶以消耗還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH)轉化為煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADP+)為代價將葡萄糖還原為山梨糖醇，第二個反應是在山梨糖醇脫氫酶的催化下將山梨糖醇轉化為果糖，同時伴有還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸產生[4]。醛糖還原酶是多元醇通路的限速酶，但由于其與葡萄糖反應的低親和力，醛糖還原酶在生理條件下催化葡萄糖還原的能力幾乎可以忽略不計。相反當葡萄糖水平高時，醛糖還原酶和多元醇通路成為處理葡萄糖的主要途徑。在正常血糖條件下，多元醇通路通常不活躍，通過該途徑代謝的葡萄糖不到3%，但在糖尿病高血糖狀態下，進入多元醇通路的葡萄糖可增加至30%左右[5]。在多元醇通路激活的過程中，NADPH的消耗、山梨糖醇的累積及果糖和還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸的產生均與高血糖導致血管內皮功能損傷的發病機制有關[6]。

山梨糖醇是多元醇通路的特異性產物，不能自由通過細胞膜，因其在細胞內堆積過多導致滲透壓升高造成細胞滲透性水腫，使細胞膜的結構和功能受損，并耗竭細胞內肌醇，降低腺苷三磷酸酶活性，干擾細胞的正常代謝生理功能，產生病變[7]。另外，血管內皮細胞內大量果糖蓄積使細胞外液進入細胞內引起滲透壓升高，造成血管內皮細胞水腫、缺氧，從而使血管內皮細胞結構和功能發生障礙[8]。當山梨糖醇及果糖在血管內皮細胞大量堆積造成胞內滲透壓明顯升高時，為維持胞內滲透壓平衡，牛磺酸這樣的等滲因子被排出細胞外[9]，而牛磺酸可通過調節抗氧化信號通路中的相關轉錄因子，活化抗氧化信號通路，減少氧化應激反應[10]，所以細胞內牛磺酸水平的下降會減弱細胞的抗氧化作用，造成血管內皮細胞的功能障礙和損傷。在高血糖狀態下，多元醇通路活化，醛糖還原酶在將葡萄糖還原為山梨糖醇的同時將NADPH轉化為NADP+，大量消耗NADPH，使得NADPH/NADP+降低，NADPH/NADP+降低會破壞氧化型谷胱甘肽/還原型谷胱甘肽的氧化還原平衡，不利于氧化型谷胱甘肽轉化成還原型谷胱甘肽，因為NADPH是將氧化性谷胱甘肽還原為還原型谷胱甘肽所需關鍵酶——谷胱甘肽還原酶的輔助因子。谷胱甘肽可以通過過氧化物酶將過氧化氫還原為水，調節細胞的氧化還原反應，清除細胞代謝過程中由電子傳遞鏈產生的自由基，從而降低細胞內氧化應激水平；同時，谷胱甘肽對氧化應激時活性氧自由基的細胞信號轉導具有重要調節作用[11]。從化學角度來看，多元醇途徑還可以與谷胱甘肽還原酶競爭NADPH，導致葡萄糖代謝的進一步損害[4]。另外，由于多元醇途徑的第二反應將山梨糖醇轉化為果糖的過程會消耗煙酰胺腺嘌呤二核苷酸生成還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸，而煙酰胺腺嘌呤二核苷酸是糖酵解途徑的關鍵酶甘油醛-3-磷酸脫氫酶的輔酶，過多地消耗煙酰胺腺嘌呤二核苷酸會下調糖酵解途徑。且產生的還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸過量也會抑制甘油醛-3-磷酸脫氫酶的活性導致更多的葡萄糖轉向非常規途徑，從而加重葡萄糖毒性[12]。此外，還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸的產生過多可以進一步加重氧化還原失衡[13]。有證據表明，類黃酮可以通過抑制醛糖還原酶保護血管內皮細胞對抗高糖誘導的損傷[14]。

2 晚期糖基化終末產物形成增加

晚期糖基化終末產物(advanced glycation end products，AGEs)是葡萄糖、果糖等還原糖和蛋白質、脂質及核酸的氨基在非酶促反應下經過重排、脫水、縮合等步驟形成的不可逆終末產物，且機體組織在生理衰老和高血糖條件下會加速AGEs的生成[15]。AGEs不僅可以通過對蛋白質、脂質、核酸等的直接修飾影響細胞和組織功能，也可以通過與其特異受體AGEs受體結合，引發細胞內信號轉導的改變，誘導蛋白質功能的喪失和細胞凋亡。

細胞外的AGEs可通過蛋白交聯的方式對膠原蛋白進行修飾，改變一些重要基質蛋白分子的功能特征，從而影響基質與細胞之間的相互作用，降低血管的順應性，破壞血管壁與基膜結構的完整性，導致血管的通透性增加[16]。同時，AGEs可以促進氧化型低密度脂蛋白的形成，與初始低密度脂蛋白相比，糖基化的低密度脂蛋白更容易氧化，更容易被人單核細胞衍生的巨噬細胞吸收，導致并刺激泡沫細胞的形成，并最終導致早期動脈粥樣硬化病變[17]。此外，AGEs在細胞內蓄積可以損傷血管內皮細胞，抑制內皮細胞的活性，促進內皮細胞的功能障礙和凋亡。AGEs的生物活性主要由AGEs受體介導，當機體內的AGEs水平較高時，AGEs能夠與表達AGEs受體的血管內皮細胞相互作用，并通過產生氧自由基激活炎癥因子、啟動氧化應激，造成血管內皮細胞的凋亡和脈管系統的炎癥，最終導致動脈粥樣硬化形成[18]。AGEs受體是免疫球蛋白超家族的成員，是一種多配體的單跨膜信號轉導受體，存在于包括血管內皮細胞在內的多種細胞表面，AGEs與AGEs受體結合后，不僅刺激了AGEs受體自身的表達，還能參與激活胞內多種信號轉導通路，如p38促分裂原活化的蛋白激酶、磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B等，導致核轉錄因子(核因子κB)活化，促進合成、釋放大量促炎因子和細胞黏附因子，如腫瘤壞死因子-α、白細胞介素-1、血管細胞黏附分子-1、血管內皮生長因子、細胞間黏附分子-1等，最后造成內皮功能障礙、血管壁炎癥和血管的損傷[2,19-21]。此外，AGEs還可以介導內皮細胞發生氧化損傷致使一氧化氮合酶活性降低，進而導致內皮細胞合成一氧化氮減少，且AGEs能夠與一氧化氮相結合，形成難以利用的超氧化氮，大大降低一氧化氮的生物利用度[22]。有研究證明，AGEs可以通過介導線粒體能量代謝和糖酵解的功能障礙，對人臍靜脈內皮細胞的增殖產生抑制作用[23]。

3 蛋白激酶C活化

蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)是一種鈣、磷脂依賴性的絲氨酸/蘇氨酸蛋白磷酸化酶，迄今為止發現PKC至少有12種同工酶，其廣泛存在于人體的各種組織細胞中，與蛋白激酶A和蛋白激酶G共同組成AGC家族。PKC在被激素、神經遞質、生長因素等細胞外因素激活后，完成對細胞外源性信號的應答實現對靶蛋白的磷酸化，改變靶蛋白的生物活性，構成細胞內重要的信息網絡系統，在許多細胞功能中起關鍵作用。在糖尿病患者中，血糖升高可以通過多種途徑激活PKC，除了通過AGEs及多元醇通路間接激活PKC外，最主要的途徑為被細胞接受外來信號后產生的二酰甘油所激活，當細胞內血糖水平升高時會促進葡萄糖通過糖酵解途徑生成過多的二酰甘油，從而使PKC的活化水平明顯升高[24]。PKC激活可以引起一系列的繼發反應導致血管內皮功能改變：①有研究證明，在高葡萄糖濃度下培養的主動脈內皮細胞中內皮型一氧化氮合酶表達水平下降，導致一氧化氮生成減少。而用PKC抑制劑可以防止這種因血糖水平升高導致的細胞內一氧化氮生成減少[25]。PKC的激活會減少一氧化氮的生成及改變其生物利用度，影響由一氧化氮、前列環素及內皮依賴性超極化因子介導的血管擴張，以及激活由內皮素-1、血栓素A2和前列腺素E2介導的血管收縮，導致內皮依賴性血管舒張功能障礙[26]。②在血管內皮細胞和平滑肌細胞中，PKC的過度激活可通過影響生長因子的表達來調節血管內皮的通透性和新生血管的形成，如誘導血管內皮生長因子的表達增加；同時，PKC的活化還可以誘導血管細胞黏附分子-1、細胞間黏附分子-1、環加氧酶-2 、單核細胞趨化蛋白-1和E-選擇素等多種炎癥介質的表達增加以及激活核因子κB，促進炎癥反應相關基因表達，參與血管內皮細胞的炎癥過程[27]。③PKC可以促進纖溶酶原激活物抑制劑的表達、細胞內黏附分子的生成及刺激血小板凝聚，使血液黏滯度升高，纖維蛋白系統活性降低，從而造成糖尿病患者的高凝狀態及增加血栓形成[28]。④PKC的激活還可促進細胞中轉化生長因子-β、原癌基因c-fos的表達及纖連蛋白和Ⅳ型膠原的合成，改變成纖維細胞和平滑肌細胞的增殖和功能，從細胞外基質蛋白及基膜等方面實現對血管壁的修復調節作用，刺激體內新生血管的形成，導致毛細血管閉塞[29]。有研究證明，高血糖可通過PKC誘導促進人腦微血管內皮細胞凋亡[30]。此外，PKC還參與激活各種膜相關的NADPH依賴性氧化酶，從而造成氧化應激損傷[31]。

4 己糖胺通路過度激活

己糖胺合成通路是機體的正常糖代謝途徑之一，該途徑中來自糖酵解的6-磷酸果糖在限速酶6-磷酸果糖酰胺轉移酶的催化下，由谷氨酰胺提供氨基，生成6-磷酸葡萄糖胺，再經過一系列的反應最終生成二磷酸尿嘧啶-N-乙酰葡萄糖胺[32]。細胞或組織中6-磷酸果糖酰胺轉移酶的活性及二磷酸尿嘧啶-N-乙酰葡萄糖胺的水平可以反映己糖胺合成通路活性的高低[33]。二磷酸尿嘧啶-N-乙酰葡萄糖胺可以在N-乙酰葡萄糖胺轉移酶的作用下，通過糖基化的方式對細胞質和核蛋白上的特定絲氨酸和蘇氨酸殘基進行翻譯和修飾，生成O-乙酰葡萄糖胺，進而影響細胞的許多生命活動，如導致線粒體功能障礙、刺激心肌成纖維細胞活化增殖、膠原合成，上調纖維連接蛋白和轉化生長因子-1的表達，導致細胞外基質沉積增加，最終可能導致糖尿病心臟病的心肌肥大和心肌纖維化[34-35]。同時，通過己糖胺途徑產生的過量二磷酸尿嘧啶-N-乙酰葡萄糖胺會改變血管內皮細胞中某些生長因子的基因表達水平，如纖溶酶原激活物抑制劑-1、成纖維細胞生長因子-2、腫瘤壞死因子-α和腫瘤壞死因子-β，增加內生纖維溶解蛋白活性、改變血管內皮細胞的滲透壓、促進血管平滑肌細胞的有絲分裂、造成基膜增厚，從而影響血管重構的調節功能和導致動脈粥樣硬化[36]。研究發現，糖尿病大鼠腎臟中可有巨噬細胞浸潤并伴有炎癥黏附因子(細胞間黏附分子-1、血管細胞黏附分子-1和單核細胞趨化蛋白-1)的表達增加，而這些因子的表達均受核因子κB的調控[37]。因此，己糖胺合成通路作為高糖活化核因子κB的途徑之一，介導高血糖引起的更廣泛的毒性作用。另外，己糖胺通路可通過6-磷酸果糖酰胺轉移酶引起動脈內皮細胞損傷[38]，應用己糖胺生物合成抑制劑可通過抗氧化作用抑制高血糖引起的內皮細胞炎癥及功能失調[39]。雖然內皮型一氧化氮合酶產生的一氧化氮和蛋白激酶B的上游活化均易受O-乙酰葡萄糖胺修飾的影響，但通過6-磷酸果糖酰胺轉移酶抑制劑可以逆轉這種內皮型一氧化氮合酶的抑制及其翻譯和修飾的變化[40]。可見，高血糖激活己糖胺途徑后，通過基因表達及蛋白質功能的改變參與糖尿病所造成的血管內皮功能改變[41]。

5 小 結

高血糖作為糖尿病慢性并發癥的重要病理特征，主要通過多元醇通路活化、AGEs形成增加、PKC活化及己糖胺通路合成增加等機制直接或間接地影響血管內皮細胞功能，加重糖尿病血管病變。因此，嚴格控制血糖，維持血糖水平穩定能夠減少甚至避免糖尿病腎臟病變、視網膜病變、神經病變和周圍血管病變等糖尿病血管病變的發生。未來，進一步了解高血糖損傷血管內皮細胞的機制不僅能為防治糖尿病血管并發癥提供理論依據，還能為更好地治療糖尿病提供新思路和新途徑。