生長(zhǎng)分化因子15與微血管病變發(fā)生機(jī)制的研究進(jìn)展

邵義男，路 強(qiáng)

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)包頭醫(yī)學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014040； 2.內(nèi)蒙古自治區(qū)人民醫(yī)院眼科，呼和浩特 010020)

生長(zhǎng)分化因子15(growth differentiation factor-15，GDF-15)是轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β超家族成員，也被稱作前列腺衍生因子[1]、巨噬細(xì)胞抑制因子-1[2]、非甾體抗炎藥啟動(dòng)基因-1[3]、胎盤轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β[4]。細(xì)胞內(nèi)合成的GDF-15以二聚體的形式分泌，其在內(nèi)皮細(xì)胞和巨噬細(xì)胞中的表達(dá)最強(qiáng)。GDF-15具有廣泛的生物學(xué)效應(yīng)，參與能量平衡和減重，具有抗炎特性，可減少炎癥刺激引起的炎癥反應(yīng)，此外還與抗凋亡和抗增殖相關(guān)[5]。GDF-15表達(dá)的增高常見(jiàn)于腫瘤、骨骼肌發(fā)育異常、地中海貧血及神經(jīng)元發(fā)育異常等疾病。研究發(fā)現(xiàn)，GDF-15與代謝性疾病如糖尿病、肥胖等也密切相關(guān)[6]。此外，GDF-15還參與血管發(fā)生和增殖，血管病變患者血漿GDF-15的水平明顯升高[7]。代謝性疾病多合并微血管改變，如微血管內(nèi)皮細(xì)胞增殖、新生血管生成、血管發(fā)生等，并與病情進(jìn)展相關(guān)，對(duì)心肌梗死側(cè)支循環(huán)建立、糖尿病并發(fā)癥的診治等也有指導(dǎo)意義[8]。現(xiàn)就GDF-15在微血管疾病中的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 GDF-15的生物學(xué)特征

生長(zhǎng)因子β超家族成員參與細(xì)胞增殖、程序性凋亡、細(xì)胞外骨架形成等。GDF-15是一個(gè)包含308個(gè)氨基酸的前體蛋白，通過(guò)自分泌和旁分泌的方式作用于自身或周圍細(xì)胞，執(zhí)行基因功能[9]。研究表明，GDF-15的功能與抗炎、抗細(xì)胞凋亡以及抗增殖有關(guān)，生理情況下胎盤是唯一能高表達(dá)GDF-15的組織，而在其余器官如肝臟呈低水平表達(dá)，但當(dāng)組織缺血、缺氧、中毒、炎癥、腫瘤進(jìn)展、急性組織損傷等病理或應(yīng)激條件下GDF-15的表達(dá)上調(diào)[10]。GDF-15也可在玻璃體內(nèi)表達(dá)，并在玻璃體視網(wǎng)膜疾病有炎癥組分時(shí)顯著高表達(dá)，GDF-15在玻璃體中既有眼內(nèi)起源，亦有眼外起源，如視網(wǎng)膜脈管系統(tǒng)，其蛋白表達(dá)可能與玻璃體視網(wǎng)膜的調(diào)節(jié)相關(guān)[11]。GDF-15能夠在不同條件和不同組織中表達(dá)，在人體內(nèi)的分布十分廣泛，但可因年齡、性別或健康狀況不同，其蛋白結(jié)構(gòu)形式與功能不同。有研究表明，GDF-15可作為一個(gè)保護(hù)性因子存在,在心肌缺血再灌注、腫瘤細(xì)胞增殖、新生血管形成等情況下高表達(dá),通過(guò)抑制炎癥反應(yīng)、抑制腫瘤細(xì)胞增殖、促進(jìn)癌細(xì)胞凋亡等發(fā)揮保護(hù)作用[12]。同時(shí)，GDF-15作為一種新的心臟生物標(biāo)志物，具有抑制心肌細(xì)胞肥厚、防止心肌細(xì)胞凋亡等作用，對(duì)于心血管疾病的診斷、危險(xiǎn)分層以及預(yù)后評(píng)估等有指導(dǎo)作用[13]。另有研究表明，高GDF-15人群糖尿病、高脂血癥等的發(fā)病率升高，兩者之間可能存在相關(guān)性[14]。GDF-15具有重要的生物學(xué)特性，對(duì)其進(jìn)行深入研究與探索有重要意義。

2 GDF-15在微血管疾病中的作用機(jī)制

2.1GDF-15參與血管內(nèi)皮修復(fù) GDF-15可作為血管內(nèi)皮損傷的保護(hù)基因。研究發(fā)現(xiàn)，GDF-15>50 ng/mL時(shí)，可抑制血管內(nèi)皮細(xì)胞的生長(zhǎng)[8]；GDF-15<5 ng/mL時(shí)，可促進(jìn)血管內(nèi)皮細(xì)胞生長(zhǎng)和血管生成[8]。在2型糖尿病(type 2 diabetes mellitus，T2DM)及其大血管病變中，因高糖環(huán)境下血紅蛋白的攜氧能力降低導(dǎo)致局部缺氧，進(jìn)而引發(fā)基質(zhì)金屬蛋白酶9表達(dá)上調(diào)，彈性蛋白分解，膠原纖維糖基化，一氧化氮的彌散能力受阻，促進(jìn)GDF-15的表達(dá)，血管內(nèi)皮組織發(fā)生變化，引起功能失調(diào)[6]。研究表明，小鼠心臟暴露于病理狀態(tài)下如短暫性或永久性缺血、心臟壓力超載時(shí)，GDF-15的表達(dá)增加，通過(guò)改變內(nèi)皮組織的小窩蛋白信號(hào)，損害大動(dòng)脈的舒縮功能，內(nèi)皮依賴性血管舒張與GDF-15呈顯著負(fù)相關(guān)[15]。故GDF-15對(duì)血管內(nèi)皮有重要影響。

2.2參與氧化應(yīng)激 GDF-15參與氧化應(yīng)激反應(yīng)，其作為應(yīng)激反應(yīng)蛋白在氧化應(yīng)激反應(yīng)的作用下，可誘發(fā)脂肪細(xì)胞大量分泌GDF-15，從而對(duì)血管起到保護(hù)作用[16]。發(fā)生出血相關(guān)的疾病時(shí)GDF-15的表達(dá)增加，這是由于GDF-15在細(xì)胞應(yīng)激和細(xì)胞損傷時(shí)轉(zhuǎn)錄增多導(dǎo)致的，GDF-15對(duì)血小板活化有抑制作用，通過(guò)類似于糖蛋白的特殊機(jī)制介導(dǎo)，作用于出血性疾病的氧化應(yīng)激反應(yīng)[17]。隨著各種應(yīng)激因子如活性氧類、前炎癥細(xì)胞因子等增多導(dǎo)致氧化應(yīng)激反應(yīng)的發(fā)生，進(jìn)而使GDF-15的表達(dá)隨之增加[17]。

2.3參與炎癥反應(yīng) GDF-15參與炎癥反應(yīng)。在動(dòng)脈粥樣硬化性疾病中，GDF-15蛋白在巨噬細(xì)胞中的表達(dá)上調(diào)，作用機(jī)制為GDF-15將趨化性細(xì)胞因子受體2磷酸化，磷酸化的趨化性細(xì)胞因子受體2與配體偶聯(lián)減少趨化性細(xì)胞因子受體2/β依賴的炎癥反應(yīng)，減少巨噬細(xì)胞的局部浸潤(rùn)和組織壞死的發(fā)生，進(jìn)而改善動(dòng)脈斑塊的穩(wěn)定性[18]。研究發(fā)現(xiàn)，GDF-15缺乏在某種程度上可以抑制血管損傷引起的白細(xì)胞介素-6依賴性炎癥反應(yīng)[19]。川崎病主要表現(xiàn)為全身中、小動(dòng)脈炎性病變，基本病理變化是血管炎癥和血管內(nèi)皮損傷，在疾病急性期血漿GDF-15的水平顯著升高[20]。對(duì)動(dòng)脈標(biāo)本進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，巨噬細(xì)胞中GDF-15也呈高表達(dá)[21]。在部分眼科疾病中，眼部疾病的持續(xù)時(shí)間或類型可能與GDF-15蛋白的抗炎功能有關(guān)[22]。

2.4GDF-15與新生血管形成 GDF-15具有促進(jìn)血管形成的功能，血管的大量生成加速了一些腫瘤、炎癥性疾病以及眼部疾病的發(fā)生發(fā)展。病理性血管生成涉及細(xì)胞增殖、細(xì)胞凋亡及炎癥反應(yīng)等過(guò)程[23]。Schulz等[15]研究發(fā)現(xiàn)，正常生理狀態(tài)下，GDF-15能抑制內(nèi)皮細(xì)胞在體外的血管生成作用。缺氧條件下，心肌微血管內(nèi)皮細(xì)胞中GDF-15的表達(dá)上調(diào)，認(rèn)為GDF-15基因可促進(jìn)心肌微血管內(nèi)皮細(xì)胞增生及血管形成[24]。在人工誘導(dǎo)的新生血管部位發(fā)現(xiàn)，GDF-15刺激內(nèi)皮細(xì)胞增殖,促進(jìn)功能型血管、管腔生成，進(jìn)一步闡明了GDF-15可促進(jìn)側(cè)支循環(huán)的形成[24]。GDF-15通過(guò)加速細(xì)胞周期進(jìn)程,促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞活化，其亦可通過(guò)p53途徑誘導(dǎo)細(xì)胞程序性死亡[22]。p53通過(guò)作用于血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)，促進(jìn)新生血管形成和管腔構(gòu)建,其在促進(jìn)新生血管發(fā)生時(shí)的作用方式與VEGF的作用機(jī)制相似[22]。內(nèi)皮細(xì)胞增殖對(duì)血管生成的生物學(xué)效應(yīng)：GDF-15通過(guò)增加細(xì)胞周期蛋白D1、細(xì)胞周期蛋白E、周期蛋白依賴性蛋白以及轉(zhuǎn)錄因子E2F-1的表達(dá)刺激內(nèi)皮細(xì)胞增殖，認(rèn)為GDF-15可作為潛在的血管生成因子[25]。血管生成主要取決于內(nèi)皮細(xì)胞的啟動(dòng)、增殖、遷移，內(nèi)皮細(xì)胞增殖是關(guān)鍵步驟，所以GDF-15與新生血管的形成密切相關(guān)[26]。

2.5參與啟動(dòng)相關(guān)信號(hào)通路 GDF-15在應(yīng)激、缺氧或炎性因子作用下能夠短暫?jiǎn)?dòng)蛋白激酶B信號(hào)通路和促分裂原活化的蛋白激酶信號(hào)通路，降低核因子κB/c-Jun氨基端激酶通路的活性[22]。在高糖、缺氧條件下，GDF-15與受體結(jié)合可啟動(dòng)含無(wú)菌ɑ結(jié)構(gòu)域蛋白1信號(hào)通路，通過(guò)該信號(hào)作用于磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B/哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路和促分裂原活化的蛋白激酶信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，引起缺氧誘導(dǎo)因子-1α的高表達(dá)，繼而參與新生血管生成[22]。其次，蛋白激酶B信號(hào)通路啟動(dòng)的狀態(tài)下，糖基化終末產(chǎn)物和甲基乙二醛等異常物質(zhì)增加，進(jìn)而啟動(dòng)氧化應(yīng)激，并促使腫瘤壞死因子-α、白細(xì)胞介素-6等炎癥細(xì)胞因子水平上調(diào)，使血清中GDF-15的水平增高，改善血管壁及內(nèi)皮細(xì)胞的功能，阻止糖尿病小動(dòng)脈病變發(fā)展[27]。另外，CDF-15還與心血管疾病有關(guān)。上調(diào)GDF-15的表達(dá)可促進(jìn)過(guò)氧化氫誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞增殖,降低細(xì)胞凋亡,其機(jī)制可能與調(diào)節(jié)細(xì)胞中活性氧類的水平,B細(xì)胞淋巴瘤/白血病2、B細(xì)胞淋巴瘤/白血病2相關(guān)X蛋白表達(dá)及磷脂酰肌醇-3-激酶/蛋白激酶B信號(hào)通路有關(guān)[28]。Brown等[29]認(rèn)為，血清GDF-15的水平在T2DM及其大血管并發(fā)癥中均升高，且在大血管疾病中更為明顯。GDF-15通過(guò)脂質(zhì)代謝和炎癥反應(yīng)參與T2DM及其大血管病變的發(fā)展。

3 GDF-15參與微血管病變相關(guān)疾病

GDF-15參與微血管病變，主要包括糖尿病微血管病變、心血管疾病微血管病變。隨著社會(huì)的發(fā)展，糖尿病、心血管疾病的發(fā)病率也呈逐年升高的趨勢(shì)，由糖尿病、心血管疾病引起的微血管病變主要見(jiàn)于視網(wǎng)膜微血管病變、腎微血管病變、心血管疾病等。

3.1糖尿病視網(wǎng)膜病變 糖尿病視網(wǎng)膜病變是導(dǎo)致糖尿病患者視力喪失的嚴(yán)重并發(fā)癥，表現(xiàn)為退行性視力損傷，嚴(yán)重影響人們的生活質(zhì)量。長(zhǎng)期高糖環(huán)境導(dǎo)致的胰島功能紊亂和組織氧化應(yīng)激反應(yīng)已經(jīng)被證實(shí)是糖尿病各種并發(fā)癥的共同致病機(jī)制[30]。根據(jù)糖尿病視網(wǎng)膜病變國(guó)際分期，視網(wǎng)膜病變分為非增殖性視網(wǎng)膜病變和增殖性視網(wǎng)膜病變，血-視網(wǎng)膜屏障損害是非增殖性視網(wǎng)膜病變的主要表現(xiàn)，而增殖性視網(wǎng)膜病變的特征為新生血管生成和膠原纖維增生[31]。研究發(fā)現(xiàn)，糖尿病視網(wǎng)膜病變時(shí)GDF-15的表達(dá)升高，也能夠觀察到新生血管生長(zhǎng)，因而GDF-15可能與糖尿病視網(wǎng)膜病變相關(guān)。GDF-15可在玻璃體內(nèi)表達(dá)，并在玻璃體視網(wǎng)膜疾病有炎癥組分時(shí)明顯高表達(dá)[11]。在增殖性玻璃體視網(wǎng)膜病變中，炎癥細(xì)胞浸潤(rùn)到脈絡(luò)膜、視網(wǎng)膜或玻璃體中，新生血管增加了視網(wǎng)膜炎癥組分，同時(shí)生長(zhǎng)因子和細(xì)胞因子的表達(dá)增多，使GDF-15呈現(xiàn)出高表達(dá)，因而GDF-15與糖尿病視網(wǎng)膜病變之間有重要聯(lián)系[11]。

3.2糖尿病腎臟并發(fā)癥 炎癥反應(yīng)是糖尿病腎病的主要發(fā)病機(jī)制，而GDF-15是巨噬細(xì)胞抑制因子，能夠發(fā)揮抗炎作用，因此GDF-15與糖尿病腎病可能存在關(guān)聯(lián)性[32]。研究發(fā)現(xiàn)，糖尿病腎病患者血清中GDF-15的水平顯著高于未患病人群，且GDF-15與尿微量白蛋白和表皮生長(zhǎng)因子受體等具有相關(guān)性[19]。此外，GDF-15在血液中的水平與糖尿病本身的疾病進(jìn)展程度呈正相關(guān)，反映出糖尿病腎臟微血管病變?cè)诟咛堑脱鯛顟B(tài)下可上調(diào)GDF-15因子的表達(dá)[32]。因此，GDF-15對(duì)于糖尿病腎病的預(yù)測(cè)、診斷以及治療評(píng)估有重要意義。

3.3心血管疾病 心血管疾病中GDF-15表達(dá)水平升高對(duì)疾病的預(yù)測(cè)有一定價(jià)值，可用于評(píng)估冠心病、心力衰竭、原發(fā)性高血壓及肺栓塞所致的肺動(dòng)脈高壓的發(fā)展與預(yù)后。研究顯示，GDF-15在心肌梗死邊緣區(qū)心肌細(xì)胞中的表達(dá)最高，與心肌梗死患者初期血管成形術(shù)的再灌注和左心室重構(gòu)的預(yù)后相關(guān)[33]。缺氧條件下，心肌梗死后側(cè)支循環(huán)建立，心肌微血管內(nèi)皮的增殖和新生血管形成均在GDF-15的促進(jìn)下形成。此外，GDF-15在心肌缺血再灌注時(shí)對(duì)心肌細(xì)胞的凋亡具有保護(hù)作用，在高血壓患者中具有抗心肌肥大的作用[34]。除此之外，GDF-15也參與硬皮病與肺動(dòng)脈高壓的發(fā)生、發(fā)展[35]。在心血管疾病中，新生血管形成在改善心肌缺血中起重要作用，GDF-15在促進(jìn)新生血管形成、內(nèi)皮細(xì)胞成管的作用下，建立側(cè)支循環(huán)，維持了缺血性心臟疾病及心肌梗死等病理狀態(tài)下的心肌血供[36]。故GDF-15具有很重要的心肌微血管內(nèi)皮成管作用。

視網(wǎng)膜病變與腎臟微血管病變作為糖尿病的主要并發(fā)癥，兩者的發(fā)生機(jī)制具有一定的相似性，故GDF-15對(duì)兩者的作用方式也存在一定的共性，其對(duì)糖尿病并發(fā)癥的診斷和治療具有重要作用[37]。此外，GDF-15對(duì)心肌微血管細(xì)胞具有成管作用，對(duì)心血管疾病預(yù)防及治療同樣起指導(dǎo)意義[24]。因此，GDF-15有望成為早期診斷糖尿病視網(wǎng)膜病變、糖尿病腎病、缺血性心臟疾病等的生物學(xué)標(biāo)志物。

4 小 結(jié)

微血管病變發(fā)生機(jī)制復(fù)雜，盡管目前已對(duì)其進(jìn)行了許多創(chuàng)新性研究，但仍需進(jìn)一步探索。在缺氧、高糖等的作用下，血清中GDF-15的水平在微血管相關(guān)病變中均有不同程度的升高，與糖尿病視網(wǎng)膜病變、糖尿病腎病、心肌缺血再灌注等的發(fā)生發(fā)展相關(guān)。同時(shí)，通過(guò)參與氧化應(yīng)激反應(yīng)、誘導(dǎo)組織新生血管形成、參與炎癥反應(yīng)、啟動(dòng)多種信號(hào)通路等，使GDF-15的表達(dá)增高，作用于微血管病變。因此，GDF-15與微血管病變之間具有相關(guān)性，對(duì)微血管性疾病的早期診斷和預(yù)后有指導(dǎo)作用，但其確切機(jī)制尚未完全闡明。隨著生物醫(yī)學(xué)的發(fā)展，對(duì)微血管相關(guān)病變的研究不斷深入，有望明確其發(fā)生機(jī)制，拓展疾病的診斷途徑，探索疾病治療的新靶點(diǎn)，以期取得更好的治療效果。