血管平滑肌細胞糖代謝在血管鈣化中的作用新進展

王小東 , 劉乃豐, 2

(1. 東南大學醫學院，江蘇 南京210009； 2. 東南大學附屬中大醫院心內科，江蘇 南京210009)

血管平滑肌細胞(vascular smooth muscle cells, VSMCs)是動脈中膜的主要組成部分，對于維持血管系統的生理功能起著關鍵作用。完全分化或成熟的VSMCs表現出“收縮”表型。新的證據表明，VSMCs的代謝與表型轉換及多種血管疾病的進展相關。血管鈣化作為一種全身性疾病，與全因死亡率顯著相關[1-2]。近年來鈣化被認為是一個活躍、主動的過程，在某些鈣化危險因素的驅動下，VSMCs由“收縮型”轉分化為“成骨型”。VSMCs的代謝包括糖代謝、脂肪代謝及氨基酸代謝。其中以糖代謝的異常與血管鈣化關系最為密切。本文綜述了近年來VSMCs糖代謝在血管鈣化中的作用。

1 血管鈣化

血管鈣化是由病理性礦物質在血管系統的沉積引起的[3]。根據礦物質沉積的部位不同，血管鈣化可分為內膜鈣化、中膜鈣化和瓣膜鈣化。內膜鈣化與動脈粥樣硬化斑塊有關，是脂質聚積、巨噬細胞侵襲、VSMCs增殖和細胞外基質蛋白功能障礙的結果，是動脈慢性炎癥反應的結果。在動脈粥樣硬化的新生內膜中，鈣化是以微鈣化(<5 μm)開始的，高危斑塊中可以觀察到此類鈣化。此類鈣化主要由脂質核心細胞凋亡、壞死引起。 大鈣化(>5 μm)導致動脈粥樣硬化斑塊逐漸穩定，鈣化進展的過程與VSMCs的凋亡及釋放的基質小泡相關[4]。中膜鈣化與衰老、糖尿病、高血壓、骨質疏松和慢性腎臟病(chronic kidney disease, CKD)有關。中膜鈣化在沒有血管狹窄的情況下也可能發生。血管壁的中層由VSMCs和富含彈性蛋白的細胞外基質組成。在中膜鈣化過程中，VSMCs向成骨樣細胞分化的過程類似于骨形成，與骨形態發生蛋白2、RUNT相關轉錄因子2(RUNX-family transcription factor 2，RUNX2)和堿性磷酸酶等基因有關。鈣化性瓣膜疾病的主要原因是年齡相關的退化[5]。瓣膜鈣化主要與間質細胞的成骨分化相關。

可見VSMCs在血管內膜和中膜鈣化中都起到了重要作用，本文主要討論VSMCs的糖代謝在血管鈣化中的作用機制。

2 VSMCs的主要糖代謝方式

糖代謝包括合成代謝和分解代謝。血管鈣化主要與葡萄糖分解代謝相關。葡萄糖分解代謝的途徑主要包括葡萄糖的有氧氧化、無氧酵解和磷酸戊糖途徑。近來研究表明[6]，對人類冠狀動脈平滑肌細胞行線粒體和糖酵解應激試驗，利用海馬技術發現，線粒體氧化磷酸化占靜止三磷酸腺苷(adenosine triphosphate, ATP)產生的54.5%，其余45.5%是由糖酵解產生的。甚至有研究結果顯示在人主動脈平滑肌細胞中29.89%的ATP來自線粒體氧化磷酸化，而70.11%的ATP由糖酵解產生[7]。因此VSMCs的特點是糖代謝中有氧糖酵解比例較高。即使在富氧的條件下，VSMCs更傾向于通過糖酵解產生能量。VSMCs中乳酸的產生與摩爾耗氧量相當或更高，VSMCs 90%以上的葡萄糖利用可能來自糖酵解。有兩個假說試圖解釋為什么VSMCs依賴于糖酵解(每分子葡萄糖產生2 mol ATP)而不是線粒體葡萄糖氧化(每分子葡萄糖產生36 mol ATP)。首先，糖酵解和葡萄糖氧化產生的ATP為不同過程提供能量，氧化代謝與平滑肌細胞等長收縮密切相關，而糖酵解與鈉鉀轉運過程相關。其次，糖酵解可提供L-乳酸，L-乳酸是增強線粒體儲備能力的底物。線粒體儲備能力指線粒體最大呼吸能力和基礎呼吸能力之間的差異。當能量供不應求時，通過儲備能力獲得能量是一種有效的能量供應方式，從而避免了“ATP危機”，并與延長細胞存活時間有關。有氧糖酵解產生的葡萄糖代謝速率更高，葡萄糖產生乳酸的速度比線粒體中葡萄糖完全氧化的速度快10～100倍[8]。當ATP需求增加時，有氧糖酵解被迅速刺激[9]。

3 VSMCs糖代謝在血管鈣化中的作用

3.1 糖酵解與血管鈣化

乳酸作為VSMCs有氧糖酵解的主要產物，在血管鈣化的發生發展中起著重要作用。丙酮酸脫氫酶激酶4(pyruvate dehydrogenase kinase 4，PDK4) 是調節丙酮酸脫氫酶復合物活性的關鍵酶，在丙酮酸氧化和體內葡萄糖平衡的維持中發揮重要作用。研究表明[10-11]，在β-甘油磷酸誘導鈣化的VSMCs中PDK4表達升高，糖酵解相關基因葡萄糖轉運蛋白1(glucose transporter 1 ,GLUT1),丙酮酸激酶M2,乳酸脫氫酶A和單羧酸轉運蛋白4表達均升高，乳酸生成增加。利用shRNA敲除PDK4后上述基因表達均下降，乳酸生成減少，并伴隨鈣化減輕。這些結果表明PDK4部分通過代謝重編程參與了血管鈣化。

在促進鈣化過程中[12]，維生素D可刺激VSMCs骨鈣素的產生。骨鈣素穩定缺氧誘導因子1α(hypoxia inducible factor 1α, HIF-1α)，導致葡萄糖攝取率增加。在細胞內，骨鈣素通過穩定HIF-1α，增加關鍵酶磷酸果糖激酶和PDK1的表達，關閉線粒體氧化磷酸化，刺激葡萄糖進入糖酵解途徑，乳酸生成增加。并且伴隨糖酵解的增加，骨鈣素抑制關鍵的糖異生酶、葡萄糖-6-磷酸酶和磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶的表達。

蛋白組學研究表明[13]，糖酵解途徑參與了鈣化胸主動脈瘤的炎癥反應。在VSMCs增殖相關的疾病中[14-15]，VSMCs 的GLUT1水平升高，糖酵解/葡萄糖氧化比率增加。氧化磷酸化減少、有氧糖酵解增加的部分機制是因為線粒體受損所致[16-17]。

但Alesutan等[7]研究結果與前述有差異，在VSMCs中，β-甘油磷酸增加了基礎呼吸、線粒體ATP的產生。與對照組相比，β-甘油磷酸處理的人主動脈平滑肌細胞糖酵解和乳酸水平沒有明顯的增加，但糖酵解儲備能力增加。β-甘油磷酸改變了VSMCs線粒體功能和細胞生物能量代謝的關鍵參數，并且β-甘油磷酸對VSMCs生物能譜的影響可能與表型轉分化相關。這與前面的研究不一致，因此糖酵解在血管鈣化中的作用仍需進一步深入研究。

3.2 線粒體呼吸與血管鈣化

線粒體的呼吸作用包括以下幾個方面：① 氧化磷酸化產生ATP；② 三羧酸循環代謝產物用于各種大分子生物合成；③ 釋放活性氧和代謝物來調節細胞的功能。線粒體的呼吸作用可以為VSMCs的等長收縮提供能量。線粒體的呼吸作用主要通過調節活性氧影響鈣化的發生及進展。高氧的環境和高還原態的呼吸鏈使線粒體大量電子漏出并還原氧分子，從而形成活性氧。越來越多的證據表明，活性氧的產生增強了VSMCs向成骨細胞的轉化[18]。

線粒體是活性氧的一個重要來源，煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase，NOX)和線粒體來源的活性氧與鈣化有關。Agharazii等[19]發現在CKD大鼠主動脈中，Nox亞單位p22phox和p47phox的表達增加，抗氧化酶如超氧化物歧化酶1(superoxide dismutase1, SOD1)、SOD2、谷胱甘肽過氧化物酶1和過氧化物酶-1表達下降。這些活性氧產生和清除的改變導致活性氧內穩態失衡。磷酸鹽是CKD中最相關的血管鈣化誘導物，已被證明可以誘導線粒體膜電位降低、線粒體分裂為特征的功能障礙，減少ATP的產生，增加線粒體呼吸鏈活性氧的產生。當呼吸鏈抑制劑錳(Ⅲ) -四 (4-N-甲基吡啶基) 卟啉或SOD1、SOD2和解偶聯蛋白2的過度表達抑制線粒體活性氧產生時，鈣沉積和VSMCs從收縮型向成骨型轉換減少[20-23]。研究表明[24]在磷酸鹽誘導的鈣化中，通過檢測耗氧率反映線粒體呼吸相關功能，結果顯示ATP相關呼吸、備用呼吸能力和最大呼吸均下降。

在缺氧條件下[25]，VSMCs增加HIF-1α及其靶基因GLUT1和血管內皮生長因子A的蛋白表達，活性氧生成增加，并誘導成骨標志物RUNX2、Sry相關高遷移率族盒蛋白9、骨鈣素、堿性磷酸酶的mRNA和蛋白表達，誘導VSMCs向成骨細胞轉化。

4 糖尿病與血管鈣化

糖尿病作為最常見的糖代謝紊亂疾病，嚴重影響VSMCs的糖代謝，從而影響VSMCs的功能及表型轉換，在血管鈣化中起著重要作用。

在高糖和促炎細胞因子激活下，人主動脈平滑肌細胞高表達6-磷酸葡萄糖脫氫酶和NOX，磷酸戊糖途徑活性增強。高糖也強烈影響大鼠肺動脈平滑肌細胞的糖酵解途徑和磷酸戊糖途徑, 活性氧生成也增強，最終導致血管細胞損傷。大鼠原代主動脈平滑肌細胞在高糖處理下細胞的增殖、黏附和遷移均顯著增加[26-28]。

不僅高糖對VSMCs代謝的影響參與血管鈣化，晚期糖基化終末產物(advanced glycation end pro-ducts, AGEs)對VSMCs的代謝影響也促進血管鈣化的發生發展。我們課題組研究提示Nε-羧甲基賴氨酸(Nε-carboxymethyl-lysine，CML)通過PDK4依賴的途徑加速VSMCs的糖酵解，促進了VSMCs鈣化[29]。研究證實AGEs誘導VSMCs中Nox-1、Nox-4和p22phox的表達并增加活性氧的產生[30-31]。Nox-4和p22phox的沉默減弱了AGEs誘導的鈣化，表明Nox-4在AGEs誘導的VSMCs 成骨轉化中發揮致病作用。

5 結語

糖代謝在血管鈣化中的研究還比較少，但其在鈣化中的作用越來越受到重視，尤其是各種因素在血管鈣化中對代謝重編程的作用機制是目前研究的熱點。本綜述總結了VSMCs在生理狀態下和鈣化病理過程中的糖代謝，明確兩種代謝狀態的差別，有助于我們尋找合適的靶點治療血管鈣化，降低心血管疾病的風險。