糖酵解与动脉粥样硬化进展

沈朝乾，赵雪竹，董增祥,2，田野

动脉粥样硬化（AS）是一种慢性代谢性疾病，伴有持续的动脉管壁无菌炎症，可引发急性心肌梗死、脑卒中、下肢动脉闭塞等严重不良心血管事件，极大威胁人类健康。AS诱发因素复杂，其发生发展机制至今仍未明确。大量研究提示内皮细胞、血管平滑肌细胞、巨噬细胞及树突状细胞、T细胞等免疫细胞糖酵解代谢异常诱发一系列病理改变，加剧系统炎症，推动AS进展。此外，近期关于非编码RNA参与调控糖酵解代谢的诸多研究亦为AS治疗提供了新的思路。本文将围绕关于糖酵解代谢方式与AS进展的相关研究进行综述。

1 糖酵解及关键酶

癌细胞葡萄糖摄取和乳酸生成增加，在氧气充足的环境下仍以糖酵解为主要代谢方式，该现象被称为Warburg效应，实质是细胞发生了由线粒体氧化磷酸化（OXPHOS）转向有氧糖酵解的代谢重编程[1]。首先，葡萄糖转运体（GLUT）负责细胞葡萄糖的摄入，通过三种糖酵解关键限速酶：己糖激酶（HK）、6-磷酸果糖激酶-1（PFK-1）和丙酮酸激酶（PK）的共同作用，将葡萄糖转化为丙酮酸，乳酸脱氢酶（LDH）介导糖酵解终反应，催化丙酮酸生成乳酸。最后，一元羧酸转运蛋白释放乳酸到细胞外基质。此外，丙酮酸脱氢酶激酶（PDK）通过对抗丙酮酸脱氢酶（PDH），抑制其将丙酮酸催化成乙酰辅酶A而限制了三羧酸循环，使糖代谢不断向糖酵解倾斜[2]。6-磷酸果糖-2-激酶/果糖-2,6-二磷酸酶3（PFKFB3）促进2,6-二磷酸果糖生成，是PFK-1的强效激活剂[3]。

尽管在消耗等量葡萄糖时糖酵解比线粒体OXPHOS产生的ATP少，但其代谢速率较高能够快速供能且代谢产物还参与蛋白质、脂质、核酸等生物合成及细胞功能调控[1,4]。越来越多证据表明，Warburg效应实际上是许多病理条件下具有高增殖需求和生理条件下部分细胞的主动选择，不仅是肿瘤细胞的专利，还密切参与着许多非肿瘤（包括炎症性）疾病进展[1,4]，而在AS中可能涉及内皮细胞功能失调、血管平滑肌细胞增殖迁移、巨噬细胞极化、炎症反应等病理过程。

2 细胞糖酵解与AS

2.1 内皮细胞糖酵解与ASAS早期动脉血管内皮损伤，通透性增强，伴有内皮细胞（ECs）活化和功能障碍，导致脂质在动脉壁异常积聚，始动AS斑块形成。糖酵解是正常生理状态下ECs的主要能量代谢方式，为ECs提供占细胞总量85%的ATP[3]。Xu等报道称，在人脐静脉ECs中过表达miR-143可通过靶向下调HK2抑制糖酵解，导致ECs功能障碍[5]。此外，糖酵解在ECs增殖、迁移及维持血管内皮通透性中同样具有重要作用。AS易发（atheroprone）区域动脉管壁异常的剪切应力等危险因素导致部分ECs凋亡，损害了内皮屏障的完整性，原本处于静息状态的ECs在病理条件下被激活，糖酵解代谢显著上调[6]。Yang等[7]发现能量传感器PRKAA1/AMPKα1介导的糖酵解保证了AS易发区域ECs的正常代谢和增殖，对维持ECs稳态及血管内皮单层完整性具有重要意义，选择性敲除ECs中PRKAA1基因引起ECs糖酵解水平及增殖速率降低，ECs功能障碍、血管内皮通透性增强，加速AS进展；通过过表达促葡萄糖转运蛋白SLC2A1挽救PRKAA1基因敲除ECs中受损的糖酵解逆转了上述影响，有效防止脂质和炎性浸润进而延缓AS进展。此外，该团队在小鼠颈动脉部分结扎实验中，将SLC2A1基因转导至PRKAA1完整的内皮细胞，小鼠颈AS斑块的大小增加，提示过高糖酵解诱发的ECs过度增殖，亦会触发血管内皮通透性，损害内皮单层屏障功能，加速AS进展。已有证据表明暴露于AS易发区域扰动血流下的ECs糖酵解增加，炎症反应上调[7]。ECs转录因子KLF2在正常层流剪切应力作用下上调，通过降低PFKFB3启动子活性调控糖酵解速率，增加血管内皮钙黏蛋白（VE-cadherin）表达和屏障功能，以适当的糖酵解通量维持ECs静息状态。但AS易发区域扰动血流降低KLF2活性和VE-cadherin水平，对PFKFB3表达的抑制减弱，导致糖酵解增加、ECs活化。此外，低剪切应力和氧化低密度脂蛋白诱导miR-92a表达，降低KLF2和2B型磷脂酸磷酸酯酶（PPAP2B）水平，协同增强糖酵解并激活促炎信号通路[8]。ECs还通过糖酵解旁路戊糖磷酸途径生成烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）维持氧化还原稳态，并可能通过己糖胺途径参与内皮糖萼层生物合成[8]。

PFKFB3能够上调ECs的糖酵解，促进ECs增殖和迁移，刺激血管芽生。既往研究指出靶向抑制PFKFB3减少糖酵解通量并抑制血管芽生，在肿瘤治疗中获益[3]。PFKFB3阻断剂，小分子3-(3-pyridinyl)-1-(4-pyridinyl)-2-propen-1-one（3PO）已被证实通过阻断PFKFB3，降低了ECs糖酵解并抑制其增殖、迁移，减少了病理性芽生的新生血管[9]。越来越多证据表明，斑块内（IP）新生血管形成促进AS，加重斑块不稳定性，在易损斑块模型ApoE-/-Fbn1C1039G+/-小鼠中，3PO通过抑制糖酵解有效减少IP新生血管形成和IP出血，在降低斑块易损性上同样表现出巨大潜力[10]。

2.2 血管平滑肌细胞糖酵解与AS动脉管壁内血管平滑肌细胞（VSMCs）的增殖和迁移是AS进展过程中的重要病理特征。多项研究证实糖酵解及相关代谢产物直接参与调控VSMCs表型及增殖、迁移能力。与骨骼肌和心肌细胞等终末分化细胞不同，VSMCs具有收缩、合成两种表型且能够根据局部微环境变化在二者间转换。收缩表型VSMCs提供调节血压所需的机械张力，合成表型VSMCs具有较高增殖率和迁移能力，产生细胞外基质蛋白、生长因子等，参与生理条件下的血管重构及内膜增生、高血压、AS等病理过程[11,12]。在AS斑块形成过程中VSMCs转向合成表型，大量增殖并迁移至内膜下，分泌大量基质蛋白，加速AS斑块纤维帽形成并加重其易损风险[12]。血小板衍生生长因子（PDGF）可激活并促进VSMCs增殖、迁移及糖酵解代谢增强，上调葡萄糖摄取和多种糖酵解关键酶表达[13,14]。Kim等通过siRNA沉默LDHA基因和草氨酸盐药理抑制LDHA，显著下调PDGF刺激所增强的糖酵解，减少葡萄糖摄取、乳酸和ATP生成，并抑制了VSMCs的增殖和迁移[13]。Heiss等研究指出VSMCs迁移抑制剂Indirubin-3′ monoxime（I3MO）能够通过抑制STAT3/HK2信号通路下调HK2表达，抑制VSMCs糖酵解代谢，进而抑制VSMCs迁移能力[14]。乳酸是糖酵解代谢产物，Yang等在人类诱导多能干细胞分化的血管平滑肌细胞（hiPSCvSMCs）模型实验中发现，hiPSC-vSMCs在乳酸刺激下合成表型标志物表达上调，增殖和迁移显著增加，收缩和凋亡活性明显下降[11]。因此，靶向VSMCs的糖酵解调控有望通过抑制VSMCs的增殖、迁移从而延缓AS进展。

2.3 巨噬细胞糖酵解与AS动脉管壁内皮损伤及脂质积聚导致循环系统单核细胞大量募集，浸润动脉内膜，逐渐向巨噬细胞分化并吞噬脂质形成泡沫细胞[15]。有报道称，参与AS进展的巨噬细胞主要可分为M1、M2两种表型，斑块早期M2型巨噬细胞较多，但随着斑块不断进展，M1型巨噬细胞逐渐占据主导。经典激活的M1型巨噬细胞主要通过糖酵解供能，表达肿瘤坏死因子-α（TNF-α）、白介素-1β（IL-1β）、白介素-6（IL-6）、白介素-12（IL-12）等多种促炎介质和蛋白水解酶，加剧局部炎症和细胞外基质成分的降解，促进AS进展；选择性激活的M2型巨噬细胞则依赖脂肪酸氧化，表达转化生长因子-β（TGF-β）、白介素-1（IL-1）受体拮抗剂、白介素-10（IL-10）等抑炎因子并维持胶原合成，发挥抗炎和组织修复功能，抑制AS进展[16]。巨噬细胞的表型具有可塑性，一定条件下可在二者间转换，对小鼠AS模型的研究表明，增加巨噬细胞向M1表型极化或减弱向M2表型极化的条件会加速AS斑块的形成，给予M2型极化因子IL-13（IL-13）可抑制AS进展[17]，大量证据表明糖酵解在巨噬细胞表型极化及炎症进展中发挥了关键作用。

研究表明，当巨噬细胞的代谢转向糖酵解时，其促炎表型就会被驱动[18]，Hu等证实铁负荷通过促进巨噬细胞糖酵解使其向促炎性M1型表型极化并诱导炎症，加剧了AS进展[19]。有研究称，AS性冠状动脉疾病（CAD）患者来源的单核细胞和巨噬细胞呈现高炎症性的M1表型，增加的葡萄糖摄取和糖酵解通量促进了线粒体活性氧的产生，进而促进糖酵解关键酶M2型丙酮酸激酶（PKM2）的二聚体化及其核转位，转录因子STAT3磷酸化从而促进了IL-6和IL-1β产生，而通过减少糖酵解，抑制了CAD来源巨噬细胞的促炎表型[20]。同样，Tannahill等在实验中使用2-脱氧葡萄糖（2DG）抑制巨噬细胞糖酵解减少了炎症因子IL-1β产生[21]。Ouimet等研究表明miR-33过表达使巨噬细胞糖酵解增加，向M1表型极化，而拮抗miR-33通过靶向能量传感器AMPK抑制糖酵解，上调脂肪酸氧化，在致M2型极化同时上调Aldh1a2基因mRNA水平，诱导FOXP3+Treg细胞的积累，抑制AS及炎症进展[17]，进一步提示能量代谢转变与免疫功能的重要相关性。

此外，Semba等在巨噬细胞丝状伪足和板状伪足发现了PKM2定位，用二氯乙酸抑制糖酵解显著影响巨噬细胞迁移，且靶向HIF-1α-PDK1轴的糖酵解抑制改善系统炎症[22]。结合巨噬细胞在动脉内膜下募集及斑块形成过程中迁移的特点，下调糖酵解抑制其迁移亦可能在延缓AS中发挥潜在作用。

2.4 其他免疫细胞糖酵解与AS树突状细胞（DCs）、T细胞、中性粒细胞等免疫细胞的募集和激活也参与了AS进展，而从OXPHOS转向糖酵解的代谢变化同样被证明存在于这些细胞中[23]。Krawczyk等证实，toll样受体（TLR）依赖PI3K/AKT通路调节未成熟DCs能量代谢由OXPHOS转向糖酵解，且TLR介导的糖酵解代谢是维持DCs被激活后完全成熟和正常存活并行使免疫功能所必需的[24]。此外，T细胞被激活时上调的糖酵解显著影响其特定亚型的功能及分化，例如，下调糖酵解显著抑制Th1细胞分泌干扰素γ（IFN-γ）[23]；转录因子HIF-1α上调糖酵解活性，促进炎症性Th17细胞分化，而抑制HIF-1α介导的糖酵解促进抗炎性Treg细胞的分化，同时减少Th17细胞的形成和炎症进展[25]。另外，Lü等证实紫草素（SKN）通过下调PKM2介导的糖酵解显著抑制高同型半胱氨酸血症诱导的CD4+ T细胞炎症性激活、PKM2活性、IFN-γ分泌及其促进巨噬细胞炎性极化的能力，进而改善AS[26]。

3 非编码RNA与糖酵解调控

多种非编码RNA（ncRNAs）已被证明通过调控葡萄糖摄取、糖酵解途径关键酶及相关代谢通路在糖酵解代谢过程中发挥重要作用。例如微小RNA（miRNAs）通过调控葡萄糖转运体GLUT1/3调节葡萄糖摄取，作用于HK2、PFKFB2/3、PKM2和LDHA等糖酵解关键酶及HIF、AMPK、PI3K/AKT、TP53、MYC等信号通路直接或间接调节细胞糖酵解水平[27]。此外，长链非编码RNA（lncRNAs）调控GLUT1/4，影响HK2、PKM2、PFKFB2在内的多种糖酵解关键酶表达并参与HIF、PI3K/AKT/mTOR、LKB1-AMPK、Wnt/snail、STAT、p53等相关信号通路调控[28]；环状RNA（circRNAs）除通过与相应miRNAs结合或直接作用于葡萄糖转运蛋白及其他糖酵解相关蛋白，还通过调控转录因子HIF-1α、c-myc或介入PI3K/AKT、RAS、STAT3、Wnt/β-catenin等信号通路发挥糖酵解代谢调控作用[2]。尽管多种ncRNAs已被证明参与糖酵解代谢调控，且如前文所述，ncRNAs靶向糖酵解对ECs功能障碍、巨噬细胞极化及免疫功能调控的作用影响了AS进展[5,17]，但相较其在肿瘤领域的应用，由ncRNAs介导的糖酵解代谢直接调控AS进展的证据仍有待进一步挖掘，基于近年来ncRNAs与AS发生发展的重要联系，将ncRNAs应用于调控AS相关的糖酵解为AS防治提供了新思路。

4 总结与展望

糖酵解代谢在ECs、VSMCs、巨噬细胞等免疫细胞参与AS病程进展期间发挥不同作用，这向针对AS的糖酵解干预提出了细胞靶向、适度调控的新要求，以ECs糖酵解阻断剂3PO为例，仅在局部短暂降低了ECs从静息状态向增殖和迁移转变时诱导的高糖酵解水平，但并不致其死亡，在促进ECs转向可逆静止的同时达到了减少病理性新生血管形成的目的[9]。此外，相关研究成果转化仍主要集中于癌症领域，在AS调控方面应用尚不广泛。综上所述，结合AS进展过程中动脉管壁及斑块内细胞分布和代谢特点，通过特异性给药、调控ncRNAs等技术手段对糖酵解代谢进行靶向干预，有望成为延缓AS及其炎症进展的有力治疗策略。