高血糖对血管内皮细胞损伤机制的影响

廖凯斌，李潮生

(1.广东医科大学研究生学院，广东 湛江 524023； 2.深圳市宝安区人民医院心血管内科，广东 深圳 518101)

糖尿病是继心脑血管疾病、肿瘤之后另一个严重危害人类健康的重要慢性非传染性疾病。在糖尿病引起的慢性并发症中，糖尿病性视网膜病变导致的失明、糖尿病肾病导致的慢性肾功能不全和糖尿病导致的心脑血管及外周动脉疾病等的血管并发症是糖尿病危害人类生命健康的重要原因，给人类带来巨大危害，不仅会导致残疾和早亡，还造成巨大的资金和资源浪费，是糖尿病患者死亡的最主要原因[1-2]。内皮细胞是人体最大的器官，是血管单元的关键组分，这些特殊分化的细胞组成血管的内层，被覆在血管基膜上，周围有支持性血管周细胞(周细胞或平滑肌细胞)，不仅在循环血液和血管壁之间起到天然屏障作用，还能对神经、体液，特别是血流动力学刺激做出反应，包括调节白细胞的趋附影响炎症反应,预防血小板聚集导致血栓形成,调节血管平滑肌细胞生长和迁移，以及通过合成和释放血管活性物质调节血管张力[3]。而高血糖的糖毒性作用作为糖尿病血管并发症的主要致病因素，是血管内皮细胞功能障碍的重要原因。现就高血糖引起血管内细胞损伤的主要作用机制予以综述。

1 多元醇通路活化

多元醇通路是机体正常糖代谢途径之一，该途径涉及由醛糖还原酶和山梨糖醇脱氢酶催化的两个连续反应：第一个反应是醛糖还原酶以消耗还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADPH)转化为烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate，NADP+)为代价将葡萄糖还原为山梨糖醇，第二个反应是在山梨糖醇脱氢酶的催化下将山梨糖醇转化为果糖，同时伴有还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸产生[4]。醛糖还原酶是多元醇通路的限速酶，但由于其与葡萄糖反应的低亲和力，醛糖还原酶在生理条件下催化葡萄糖还原的能力几乎可以忽略不计。相反当葡萄糖水平高时，醛糖还原酶和多元醇通路成为处理葡萄糖的主要途径。在正常血糖条件下，多元醇通路通常不活跃，通过该途径代谢的葡萄糖不到3%，但在糖尿病高血糖状态下，进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过程中，NADPH的消耗、山梨糖醇的累积及果糖和还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸的产生均与高血糖导致血管内皮功能损伤的发病机制有关[6]。

山梨糖醇是多元醇通路的特异性产物，不能自由通过细胞膜，因其在细胞内堆积过多导致渗透压升高造成细胞渗透性水肿，使细胞膜的结构和功能受损，并耗竭细胞内肌醇，降低腺苷三磷酸酶活性，干扰细胞的正常代谢生理功能，产生病变[7]。另外，血管内皮细胞内大量果糖蓄积使细胞外液进入细胞内引起渗透压升高，造成血管内皮细胞水肿、缺氧，从而使血管内皮细胞结构和功能发生障碍[8]。当山梨糖醇及果糖在血管内皮细胞大量堆积造成胞内渗透压明显升高时，为维持胞内渗透压平衡，牛磺酸这样的等渗因子被排出细胞外[9]，而牛磺酸可通过调节抗氧化信号通路中的相关转录因子，活化抗氧化信号通路，减少氧化应激反应[10]，所以细胞内牛磺酸水平的下降会减弱细胞的抗氧化作用，造成血管内皮细胞的功能障碍和损伤。在高血糖状态下，多元醇通路活化，醛糖还原酶在将葡萄糖还原为山梨糖醇的同时将NADPH转化为NADP+，大量消耗NADPH，使得NADPH/NADP+降低，NADPH/NADP+降低会破坏氧化型谷胱甘肽/还原型谷胱甘肽的氧化还原平衡，不利于氧化型谷胱甘肽转化成还原型谷胱甘肽，因为NADPH是将氧化性谷胱甘肽还原为还原型谷胱甘肽所需关键酶——谷胱甘肽还原酶的辅助因子。谷胱甘肽可以通过过氧化物酶将过氧化氢还原为水，调节细胞的氧化还原反应，清除细胞代谢过程中由电子传递链产生的自由基，从而降低细胞内氧化应激水平；同时，谷胱甘肽对氧化应激时活性氧自由基的细胞信号转导具有重要调节作用[11]。从化学角度来看，多元醇途径还可以与谷胱甘肽还原酶竞争NADPH，导致葡萄糖代谢的进一步损害[4]。另外，由于多元醇途径的第二反应将山梨糖醇转化为果糖的过程会消耗烟酰胺腺嘌呤二核苷酸生成还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸，而烟酰胺腺嘌呤二核苷酸是糖酵解途径的关键酶甘油醛-3-磷酸脱氢酶的辅酶，过多地消耗烟酰胺腺嘌呤二核苷酸会下调糖酵解途径。且产生的还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸过量也会抑制甘油醛-3-磷酸脱氢酶的活性导致更多的葡萄糖转向非常规途径，从而加重葡萄糖毒性[12]。此外，还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸的产生过多可以进一步加重氧化还原失衡[13]。有证据表明，类黄酮可以通过抑制醛糖还原酶保护血管内皮细胞对抗高糖诱导的损伤[14]。

2 晚期糖基化终末产物形成增加

晚期糖基化终末产物(advanced glycation end products，AGEs)是葡萄糖、果糖等还原糖和蛋白质、脂质及核酸的氨基在非酶促反应下经过重排、脱水、缩合等步骤形成的不可逆终末产物，且机体组织在生理衰老和高血糖条件下会加速AGEs的生成[15]。AGEs不仅可以通过对蛋白质、脂质、核酸等的直接修饰影响细胞和组织功能，也可以通过与其特异受体AGEs受体结合，引发细胞内信号转导的改变，诱导蛋白质功能的丧失和细胞凋亡。

细胞外的AGEs可通过蛋白交联的方式对胶原蛋白进行修饰，改变一些重要基质蛋白分子的功能特征，从而影响基质与细胞之间的相互作用，降低血管的顺应性，破坏血管壁与基膜结构的完整性，导致血管的通透性增加[16]。同时，AGEs可以促进氧化型低密度脂蛋白的形成，与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，更容易被人单核细胞衍生的巨噬细胞吸收，导致并刺激泡沫细胞的形成，并最终导致早期动脉粥样硬化病变[17]。此外，AGEs在细胞内蓄积可以损伤血管内皮细胞，抑制内皮细胞的活性，促进内皮细胞的功能障碍和凋亡。AGEs的生物活性主要由AGEs受体介导，当机体内的AGEs水平较高时，AGEs能够与表达AGEs受体的血管内皮细胞相互作用，并通过产生氧自由基激活炎症因子、启动氧化应激，造成血管内皮细胞的凋亡和脉管系统的炎症，最终导致动脉粥样硬化形成[18]。AGEs受体是免疫球蛋白超家族的成员，是一种多配体的单跨膜信号转导受体，存在于包括血管内皮细胞在内的多种细胞表面，AGEs与AGEs受体结合后，不仅刺激了AGEs受体自身的表达，还能参与激活胞内多种信号转导通路，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，导致核转录因子(核因子κB)活化，促进合成、释放大量促炎因子和细胞黏附因子，如肿瘤坏死因子-α、白细胞介素-1、血管细胞黏附分子-1、血管内皮生长因子、细胞间黏附分子-1等，最后造成内皮功能障碍、血管壁炎症和血管的损伤[2,19-21]。此外，AGEs还可以介导内皮细胞发生氧化损伤致使一氧化氮合酶活性降低，进而导致内皮细胞合成一氧化氮减少，且AGEs能够与一氧化氮相结合，形成难以利用的超氧化氮，大大降低一氧化氮的生物利用度[22]。有研究证明，AGEs可以通过介导线粒体能量代谢和糖酵解的功能障碍，对人脐静脉内皮细胞的增殖产生抑制作用[23]。

3 蛋白激酶C活化

蛋白激酶C(protein kinase C，PKC)是一种钙、磷脂依赖性的丝氨酸/苏氨酸蛋白磷酸化酶，迄今为止发现PKC至少有12种同工酶，其广泛存在于人体的各种组织细胞中，与蛋白激酶A和蛋白激酶G共同组成AGC家族。PKC在被激素、神经递质、生长因素等细胞外因素激活后，完成对细胞外源性信号的应答实现对靶蛋白的磷酸化，改变靶蛋白的生物活性，构成细胞内重要的信息网络系统，在许多细胞功能中起关键作用。在糖尿病患者中，血糖升高可以通过多种途径激活PKC，除了通过AGEs及多元醇通路间接激活PKC外，最主要的途径为被细胞接受外来信号后产生的二酰甘油所激活，当细胞内血糖水平升高时会促进葡萄糖通过糖酵解途径生成过多的二酰甘油，从而使PKC的活化水平明显升高[24]。PKC激活可以引起一系列的继发反应导致血管内皮功能改变：①有研究证明，在高葡萄糖浓度下培养的主动脉内皮细胞中内皮型一氧化氮合酶表达水平下降，导致一氧化氮生成减少。而用PKC抑制剂可以防止这种因血糖水平升高导致的细胞内一氧化氮生成减少[25]。PKC的激活会减少一氧化氮的生成及改变其生物利用度，影响由一氧化氮、前列环素及内皮依赖性超极化因子介导的血管扩张，以及激活由内皮素-1、血栓素A2和前列腺素E2介导的血管收缩，导致内皮依赖性血管舒张功能障碍[26]。②在血管内皮细胞和平滑肌细胞中，PKC的过度激活可通过影响生长因子的表达来调节血管内皮的通透性和新生血管的形成，如诱导血管内皮生长因子的表达增加；同时，PKC的活化还可以诱导血管细胞黏附分子-1、细胞间黏附分子-1、环加氧酶-2 、单核细胞趋化蛋白-1和E-选择素等多种炎症介质的表达增加以及激活核因子κB，促进炎症反应相关基因表达，参与血管内皮细胞的炎症过程[27]。③PKC可以促进纤溶酶原激活物抑制剂的表达、细胞内黏附分子的生成及刺激血小板凝聚，使血液黏滞度升高，纤维蛋白系统活性降低，从而造成糖尿病患者的高凝状态及增加血栓形成[28]。④PKC的激活还可促进细胞中转化生长因子-β、原癌基因c-fos的表达及纤连蛋白和Ⅳ型胶原的合成，改变成纤维细胞和平滑肌细胞的增殖和功能，从细胞外基质蛋白及基膜等方面实现对血管壁的修复调节作用，刺激体内新生血管的形成，导致毛细血管闭塞[29]。有研究证明，高血糖可通过PKC诱导促进人脑微血管内皮细胞凋亡[30]。此外，PKC还参与激活各种膜相关的NADPH依赖性氧化酶，从而造成氧化应激损伤[31]。

4 己糖胺通路过度激活

己糖胺合成通路是机体的正常糖代谢途径之一，该途径中来自糖酵解的6-磷酸果糖在限速酶6-磷酸果糖酰胺转移酶的催化下，由谷氨酰胺提供氨基，生成6-磷酸葡萄糖胺，再经过一系列的反应最终生成二磷酸尿嘧啶-N-乙酰葡萄糖胺[32]。细胞或组织中6-磷酸果糖酰胺转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-乙酰葡萄糖胺转移酶的作用下，通过糖基化的方式对细胞质和核蛋白上的特定丝氨酸和苏氨酸残基进行翻译和修饰，生成O-乙酰葡萄糖胺，进而影响细胞的许多生命活动，如导致线粒体功能障碍、刺激心肌成纤维细胞活化增殖、胶原合成，上调纤维连接蛋白和转化生长因子-1的表达，导致细胞外基质沉积增加，最终可能导致糖尿病心脏病的心肌肥大和心肌纤维化[34-35]。同时，通过己糖胺途径产生的过量二磷酸尿嘧啶-N-乙酰葡萄糖胺会改变血管内皮细胞中某些生长因子的基因表达水平，如纤溶酶原激活物抑制剂-1、成纤维细胞生长因子-2、肿瘤坏死因子-α和肿瘤坏死因子-β，增加内生纤维溶解蛋白活性、改变血管内皮细胞的渗透压、促进血管平滑肌细胞的有丝分裂、造成基膜增厚，从而影响血管重构的调节功能和导致动脉粥样硬化[36]。研究发现，糖尿病大鼠肾脏中可有巨噬细胞浸润并伴有炎症黏附因子(细胞间黏附分子-1、血管细胞黏附分子-1和单核细胞趋化蛋白-1)的表达增加，而这些因子的表达均受核因子κB的调控[37]。因此，己糖胺合成通路作为高糖活化核因子κB的途径之一，介导高血糖引起的更广泛的毒性作用。另外，己糖胺通路可通过6-磷酸果糖酰胺转移酶引起动脉内皮细胞损伤[38]，应用己糖胺生物合成抑制剂可通过抗氧化作用抑制高血糖引起的内皮细胞炎症及功能失调[39]。虽然内皮型一氧化氮合酶产生的一氧化氮和蛋白激酶B的上游活化均易受O-乙酰葡萄糖胺修饰的影响，但通过6-磷酸果糖酰胺转移酶抑制剂可以逆转这种内皮型一氧化氮合酶的抑制及其翻译和修饰的变化[40]。可见，高血糖激活己糖胺途径后，通过基因表达及蛋白质功能的改变参与糖尿病所造成的血管内皮功能改变[41]。

5 小 结

高血糖作为糖尿病慢性并发症的重要病理特征，主要通过多元醇通路活化、AGEs形成增加、PKC活化及己糖胺通路合成增加等机制直接或间接地影响血管内皮细胞功能，加重糖尿病血管病变。因此，严格控制血糖，维持血糖水平稳定能够减少甚至避免糖尿病肾脏病变、视网膜病变、神经病变和周围血管病变等糖尿病血管病变的发生。未来，进一步了解高血糖损伤血管内皮细胞的机制不仅能为防治糖尿病血管并发症提供理论依据，还能为更好地治疗糖尿病提供新思路和新途径。