富亮氨酸α-2糖蛋白-1在2型糖尿病大血管病變中的研究進展

梁書瑾,張真穩

(1.大連醫科大學,遼寧 大連 116044;2.揚州大學臨床醫學院,江蘇 揚州 225001)

2型糖尿病(T2DM)是由遺傳和環境因素共同作用所引起的代謝性疾病,病理生理機制為胰島素分泌減少和(或)靶細胞(器官)對胰島素敏感性下降,導致肝臟的葡萄糖輸出增多,骨骼肌和脂肪組織對葡萄糖的利用減少,主要臨床表現為高血糖及蛋白質、脂肪、水和電解質等代謝紊亂。隨著經濟的高速發展、肥胖人數的增加、不規律的生活作息以及淀粉類食物為主的飲食習慣等因素的影響［1］。參照WHO診斷標準,我國成人糖尿病總患病率11.2%,其中T2DM患者占據90%［2］,長期慢性高血糖會對全身血管造成不可逆的損傷,導致眼睛、腎臟、心臟等多器官及系統功能障礙,嚴重時威脅生命,不僅嚴重影響患者的生活質量,也給家庭和社會帶來沉重的經濟負擔。糖尿病大血管病變與T2DM患者高致殘率及高致死率密切相關,主要以動脈粥樣硬化為特征,多侵犯主動脈、冠狀動脈、腦動脈以及外周動脈等,引起動脈粥樣硬化性心血管疾病(ASCVD)、缺血性腦血管性病及外周動脈疾病(PAD)等,其中ASCVD是T2DM患者的主要致死原因［3］。作為顱內動脈狹窄及粥樣硬化的獨立危險因素,T2DM患者更易出現腦梗死及認知功能障礙。下肢動脈粥樣硬化性病變(LEAD)不僅會導致下肢缺血缺氧性潰瘍、壞疽及截肢外,而且往往與ASCVD和腦血管疾病同時存在,增加T2DM患者心腦血管疾病的發生風險及死亡率。

富亮氨酸α-2糖蛋白-1(LRG1)是新型炎癥因子及促血管生成因子,通過依賴Smad和非依賴Smad途徑影響轉化生長因子-β(TGF-β)信號通路,進而促進炎性介質釋放、血管生成、皮膚創傷修復和腫瘤轉移等病理過程［4］。目前研究證明,其不僅在人類多種惡性腫瘤中異常表達,參與調控腫瘤細胞的增殖凋亡、侵襲轉移、上皮-間質轉化和腫瘤血管生成,而且在感染性疾病、心功能不全、神經系統退行性病變和自身免疫性疾病的病理過程中有著重要的作用［5］。針對LRG1與糖尿病大血管病變關系已有了初步研究,但由于其發生機制復雜,目前仍需進一步研究及探討。本文對LRG1的生物學特點、傳導通路以及與T2DM合并大血管病變之間的關系進行綜述。

1 LRG1的生物學特點

1.1結構:LRG1是富含亮氨酸重復序列家族的高度保守成員,1977年首次在人類血清中由Haupt等［6］發現。人LRG1基因定位于染色體 19p13.3,含有2 810個堿基對。其氨基酸序列于1985年由Takahashi等［7］測定,由312個氨基酸殘基的單個多肽鏈組成,包含66個亮氨酸殘基及8個富含亮氨酸重復序列(LRR),LRR由19～29個氨基酸組成,主要為蛋白質間的相互作用、信號轉導提供多用結構框架［5］。

1.2功能:LRG1是一種分泌性糖蛋白,廣泛參與細胞的增殖、遷移、入侵、黏附、存活和凋亡以及信號的傳導,其異常表達被認為可能與組織炎癥、惡性腫瘤、自身免疫性疾病的發生有相關性。LRG1通常在各種炎癥(感染、損傷、自身免疫性疾病和腫瘤相關炎癥)刺激后在局部組織或系統產生,主要的來源包括肝細胞、中性粒細胞和內皮細胞,以及組織微環境的上皮細胞、成纖維細胞和其他類型的髓樣細胞［5］。LRG1的致病功能可以大致分為以下方面。

1.2.1促炎癥作用:在早期研究中,LRG1被描述為一種急性期蛋白,在中性粒細胞分化中發揮作用［8］,參與多種炎癥性疾病與自身免疫疾病,如類風濕性關節炎［9］、成人斯蒂爾病［10］、青少年特發性關節炎［11］等。且在感染流感嗜血桿菌、沙門氏菌和化膿性鏈球菌感染及水痘-帶狀皰疹病毒、麻疹和腮腺炎病毒的患者血清中所檢測的LRG1水平有所升高［12］,由此LRG1被認為是一種比CRP有前途的炎癥反應替代物。研究者在骨關節炎小鼠模型的軟骨下骨和關節軟骨中發現LRG1水平增加,可能與腫瘤壞死因子(TNF-α)誘導LRG1分泌相關,在TNF-α 刺激下LRG1可募集骨髓間充質干細胞,促進異常骨形成,加速骨關節炎的發展［13］。同時血清LRG1被證明是監測潰瘍性結腸炎(US)疾病活動性的新型血清生物標志物［14］。此外,針對急性闌尾炎(AA)的研究顯示,兒童及成人患者血漿LRG1濃度均升高［15-17］,說明持續高水平的LRG1可以維持炎癥反應,促進疾病進展。

1.2.2代謝:目前研究證明LRG1參與脂肪代謝過程,可抑制肝細胞的脂肪酸分解,促進脂肪生成從而導致肝脂肪變性和高血糖［5］。

1.2.3傷口愈合和纖維化:LRG1是一種新型促生長因子,可參與某些傷口的修復愈合及再生過程。在小鼠皮膚傷口模型中,LRG1通過增強因子的穩定性而促進角質形成細胞的遷移,加速創面修復和愈合［18］。一項針對高血糖小鼠角膜上皮的研究發現,外源性應用LRG1可促進正常小鼠和糖尿病小鼠角膜上皮的傷口修復愈合和神經再生,可能與其參與調節角膜上皮基質金屬蛋白酶(MMP)3和MMP13的表達相關［19］。此外,小鼠角膜堿燒傷后LRG1的表達水平上升,可激活白細胞介素-6/信號傳導與轉錄激活因子3(Stat3)通路,增加中性粒細胞浸潤,促進受損角膜的纖維化及創面的愈合［20］。

1.2.4致癌:在所有涉及LRG1的研究中,大部分的關注點在于腫瘤的發生、發展及轉移上,其已被確定為多種惡性腫瘤診斷和臨床評估的生物標志物,具有較高的診斷和預后價值,包括食管癌［21］、結直腸癌［22-24］、胰腺癌［25］、卵巢上皮癌［26］、B細胞［27］和T細胞［28］急性淋巴細胞白血病等。這可能是由于LRG1在上皮細胞向間充質細胞的轉化過程中起到了一定的作用,使細胞的增殖和抗凋亡功能活躍而導致細胞惡性化［29］。同時LRG1促進了新生血管的形成,為腫瘤細胞的生長提供氧氣等營養物質,可能會導致腫瘤的發展及轉移。

1.2.5血管形成:作為新型致病性新生血管調節器,LRG1最引人注目的作用是參與多種疾病中病理性血管的生成,如糖尿病腎病(DKD)、增殖性糖尿病視網膜病變(PDR)、年齡相關性黃斑變性(AMD)和腫瘤性疾病,其需要TGF-β1信號通路的存在來激活內皮細胞TGFβⅡ-ALK1-Smad1/5/8通路,進而誘導血管內皮生長因子(VEGF)和血管生成素-2(Ang-2)等促血管生成因子的表達來協調病理性血管形成［5］。

2 LRG1與其TGF-β通路

TGF-β信號通路參與調節細胞增殖、分化、遷移和黏附等過程,以維持細胞內穩態［30］。LRG1作為TGF-β信號傳導的上游調節劑,首先與特定的I型(TβRI)和Ⅱ型絲氨酸/蘇氨酸激酶受體(TGFβRⅡ)結合,繼而誘導下游途徑Smad轉錄因子的激活來發揮生物學效應［31-32］。TGF-β1與內皮TGFβRⅡ的結合可以通過兩種不同的酪氨酸激酶受體,即激活素受體樣激酶1(ALK1)和5(ALK5)啟動典型信號［5］。ALK5激活導致Smad2/3信號抑制內皮細胞增殖、遷移和血管形成,從而產生抗血管生成功能;而ALK1激活導致Smad1/5/8信號傳導,促進內皮細胞增殖、遷移和血管形成,導致促血管生成作用。在生理條件下,TGF-β1激活內皮細胞ALK5和轉錄因子Smad2/3,最終保持細胞靜止［33］。然而,病變環境中較高水平的LRG1可以重新定向內皮細胞的TGF-β信號,將血管抑制TGF-β1-Smad2/3信號轉換為促血管生成TGF-β1-Smad1/5/8信號［31］,進而促進內皮細胞增殖、遷移和血管生成［34-35］。研究發現,在TGF-β1通路下,結合輔助受體內皮素(ENG)存在時LRG1與之結合,并通過TGFβRⅡ-ALK1-Smad1/5/8途徑來促進視網膜疾病小鼠模型中的眼部致病性血管生成。而缺乏ENG時,LRG1與ALK5結合激活TGFβRII-ALK5-Smad2/3途徑,導致內皮細胞增殖減少,細胞外基質沉積較前增加,趨向于達到細胞內穩態［34］。因此,決定血管生成轉換的關鍵是ALK1和ALK5信號通路之間的平衡,ENG被認為是ALK1通路信號傳導的關鍵調節分子。

3 LRG1與糖尿病大血管病變之間的關系

3.1外周血管疾病:T2DM患者的PAD是由于外周動脈病變而導致血管的狹窄甚至閉塞,通常累及下肢動脈,主要臨床表現為下肢發涼、疼痛、感覺異常,嚴重時出現間歇性跛行,甚至出現肢體壞疽等需要進行截肢手術。Pek等［36］研究發現,PAD患者血漿LRG1濃度高于不合并PAD患者,表明LRG1可能與血管硬度和微循環有關,并可能作為血管僵硬、內皮功能障礙和PAD的潛在生物標志物。且LRG1與脈搏波速度(PWV)和踝肱指數(ABI)呈正相關,與內皮依賴性血管舒張呈負相關。據報道,ENG可通過調節TGF-β信號通路和Smad2蛋白水平來增加內皮型一氧化氮合酶(eNOS)的表達進而發揮血管舒張作用［37］。也有學者認為LRG1與ENG結合后可能抑制TGFβRII-ALK5-Smad2/3信號的激活,進而抑制內皮eNOS的表達來減弱血管的舒張作用［38］。目前仍需要進一步的前瞻性臨床工作和動物研究以驗證LRG1與內皮功能和血管張力相關性的機制和病理生物學基礎。

3.2心血管疾病:眾所周知,T2DM患者的心血管疾病主要包括ASCVD和心力衰竭(HF),且其主要的死亡原因為ASCVD［3］。而T2DM患者因冠狀動脈粥樣硬化引起的心肌缺血早期通常無癥狀發生,當因相關癥狀就診時往往處于中晚期,診治效果及預后不佳。LRG1被證明可作為監測和診斷心力衰竭的有價值的生物學標志物［39］,對于心衰的早期識別有一定的積極意義。在Kumagai等［40］研究的心肌梗死小鼠模型中,LRG1主要是由心肌梗死心臟中的浸潤髓樣細胞(如巨噬細胞和中性粒細胞)產生的,其水平在急性炎癥反應期間顯著升高,然后隨著組織重塑進展到纖維增殖期而逐漸下降。而且在缺乏LRG1的情況下,心肌梗死后的心功能不全會進一步加重,這是因為梗死后心肌中的LRG1具有心臟保護作用,可通過激活TGFβR-ALK1-Smad1/5/8信號通路而促進心肌梗死后亞急性期血管生成,以此阻止不良的心臟重塑,減少心肌細胞的死亡。且在心肌成纖維細胞中,LRG1通過與TGFβ1競爭,形成ALK5/TGFβRII受體復合物,并拮抗細胞外基質的合成,防止心肌纖維化。此外,有研究發現缺氧誘導因子(HIF)-1α作為低氧適應性反應的調節因子,在急性心肌梗死中發揮重要作用。Feng等［41］通過缺氧處理心肌細胞建立體外模型,研究得出LRG1上調會顯著增加HIF-1α的表達,進而促進缺氧誘導的心肌細胞凋亡和自噬,導致心肌細胞數量下降,由此說明LRG1在心肌缺氧時也會對機體存在不利作用。綜上,LRG1參與糖尿病心血管并發癥形成的病理過程并起到重要的作用,但其確切作用尚不清楚,仍需深入的研究來探討。

3.3腦血管疾病:臨床上T2DM患者的腦血管疾病主要以缺血性腦卒中為主,不僅致殘率和死亡率逐年升高,而且發病逐漸年輕化,嚴重威脅了患者的生命健康。Miyajima等［42］研究發現,帕金森病癡呆、阿爾茨海默病、進行性核上性麻痹和特發性正常壓力腦積水患者的腦脊液LRG1濃度顯著升高,故推測LRG1可能與神經退行性疾病的發病機制相關,并可作為以上疾病存在或進展的生物學標志物。作為新型促血管生成因子,LRG1在缺血性腦卒中后新血管生長過程中發揮積極作用。研究表明,在小鼠大腦中LRG1的表達局限于大腦皮層,在深皮質部分星形膠質細胞末梢的毛細血管周圍區域中有顯著表達,因此認為LRG1可能與膠原蛋白和纖維連接蛋白結合并沉積在毛細血管上,從而導致動脈硬化［43］。在大鼠大腦中動脈堵塞(MCAO)卒中模型中,Meng等［44］通過研究發現LRG1水平及LRG1 mRNA在MCAO后6 h顯著升高,3 d時達到最大值,14 d時仍然處于較高水平,同時發現模型大鼠腦內TGF-β1蛋白水平、VEGF及Ang-2表達均升高。綜合上述結果,可得出結論:MCAO后的缺血大鼠腦中LRG1表達顯著增加,并分泌到細胞外環境中,通過增加TGF-β1信號而誘導VEGF及Ang-2的表達,促進新生血管的形成并減輕腦梗死后的缺血再灌注損傷。然而,Jin等［45］研究的MCAO小鼠模型腦組織中LRG1的蛋白質和轉錄物均過度表達,其可通過上調ALK1的表達而增強TGFβ-Smad1/5信號通路,促進神經細胞的凋亡和自噬,進而破壞血腦屏障,損傷神經細胞內線粒體功能,最終導致閉塞腦血管再通時腦損傷進一步加重,臨床癥狀較前惡化。此外,對急性幕上梗死患者進行研究發現,此類患者血清LRG1水平與梗死面積、卒中嚴重程度和6個月隨訪的預后呈正相關,同樣證明了LRG1可能會誘導神經細胞壞死及凋亡,加劇缺血再灌注損傷。故針對LRG1在缺血性腦卒中的生物學功能還需要進一步的研究來全面確定。

4 小結與展望

綜上所述,LRG1作為新型促血管生成因子,破壞了成熟血管形成和維持所需的細胞相互作用,通過增強TGF-β 信號傳導而激活Smad蛋白來參與糖尿病大血管病變中病理性血管的形成。目前有學者認為LRG1抗體阻斷可減少小鼠模型中的脈絡膜新生血管和腫瘤生長,故推測LRG1可作為部分惡性腫瘤及PDR、DKD早期腎損傷的治療靶點。由此,LRG1-TGFβ-Smad信號通路也有可能成為糖尿病心腦血管疾病和臨床研究的一個潛在的重要治療靶點。希望隨著研究者們對LRG1及其抗體逐漸深入的了解及探索,LRG1能為糖尿病大血管病變的預防、治療和預后提供新策略,減少致殘量,提高患者的生活質量。