血管内皮细胞功能与糖尿病的关系研究进展

2020-12-08高雁鸿刘建志王仁山张年萍

山西大同大学学报(自然科学版) 2020年4期

高雁鸿，刘建志，王仁山，张年萍

（1.大同市第五人民医院内分泌科,山西大同 030009；2.山西大同大学附属第一医院，山西大同 037009；3.大同云城内分泌医院,山西大同 037006；4.大同新建康医院内科山西大同 037036；5.山西大同大学医学院，山西大同 037009）

高度分化的单层内皮细胞覆盖在微血管的内表面，是微循环的感受器，可以感知微血管的压力、剪切力、激素和化学分子的变化，是维持机体组织、器官内环境稳定的决定因素。微循环是细胞生长、发育、赖以生存的环境，而这些都离不开内皮细胞的作用。

1 内皮细胞的功能

1.1 内皮细胞是内分泌组织

内皮细胞以内分泌、自分泌、旁边分泌3 种形式分泌多种细胞因子调节血管张力和血流，维持微循环的稳态。血管舒张因子有一氧化氮（NO）、前列环素、内皮衍生超极化因子等；血管收缩因子主要指内皮素（ET-1），血管紧张I、II，血栓素等。其中NO 是最强的舒张因子，ET-1 是最强的收缩因子，二者在维持微血管舒缩功能中起重要作用。内皮细胞还有抗血凝、抗血栓形成作用，以维持微循环有足够的血流量和流速。

1.2 窗孔式结构

内皮细胞是窗孔式结构，是微血管与组织间液物质交换的通道。不同组织由于其功能的差异，微循环的密度、内皮细胞窗孔的大小和数量的多少各不相同。窗孔的大小和多少受多种因素调控。这些因素使内皮细胞增加NO 分泌、减少ET-1 的分泌，增强血管的舒缩功能和维持窗孔的通透性。窗孔结构是保证营养物质和氧气供应及代谢产物交换和排出的通道。

2 内皮细胞功能受损

多种内源性和外源性的因素均可使内皮功能受损。内源性的因素有肥胖、高血糖、脂代谢紊乱、高尿酸血症、高血压等，外源性的因素有吸烟、饮酒、感染、创伤、理化因素等。内皮细胞功能受损的表现是渐进性的，不同时期有不同的表现。

2.1 微血管自律运动减弱

微血管自律运动是微循环的重要动力，包括运动的节律和程度。文献报道正常人餐后微血管自律运动的水平增加，而糖尿病患者微血管自律运动减弱[1]。这种减弱可以在骨骼肌、皮肤、周围神经和胰腺等组织发生，使有效微血量收缩和舒张频率及振幅下降[2]。

2.2 凝血系统异常

内皮细胞功能异常易引起血液的高凝状态和血栓形成。①纤溶功能异常：内皮细胞功能受损使纤维蛋白溶解酶原激活剂（tPA）合成减少，纤溶酶原激活物抑制因子（PAI-1）合成增加。②增加黏附因子在内皮细胞的表达，如假性血友病因子（vWF）、P-选择素、可溶性血管黏附分子，（sVCAM-1）、可溶性细胞间黏附分子-1（sCAM-1），使白细胞、血小板在内皮细胞黏附，引起血管壁的破坏和血栓形成，进而引起微循环血流异常。

2.3 内皮细胞结构的异常

内皮细胞结构异常主要表现为去窗孔化（窗孔变小、数量减少、甚至闭塞，直至凋亡）。再生会使微循环血管床减少，进而形成动-静脉短路，物质交换受损。Fadinideng 发现与正常对照组相比糖尿病患者体内循环内皮祖细胞和内皮细胞分别降低了33%和40%，且内皮细胞数量与空腹血糖负相关[3]。

2.4 新生血管形成

在缺氧条件下内皮细胞增加血管内皮生长因子（VEGF）的分泌。VEGF具有促进内皮细胞增殖、分裂，诱导新生血管形成。VEGF 还增加细胞外基质的生成，使微血管基底膜增厚，通透性更差，进而促进转化生长因子（TGF）β1 分泌，使组织纤维化。研究显示内皮细胞功能受损时不同组织VEGF表达各不相同[4]：心肌、骨骼肌VEGF 表达下降，侧支循环建立减少；神经、肝脏、视网膜、肾脏VEGF表达增加，使其组织纤维化。提示内皮细胞功能受损对不同组织影响不同，从而引起不同的并发症。

3 内皮细胞受损的机理

研究显示，从NGT-1GR-DM 血浆超氧化物岐化酶（SOD）依次降低，脂质过氧化物终末产物（MDA）和炎症标志物C-RP、1L6、TNF-2等依次升高。证实了炎症因子和氧化应激参与了内皮细胞的损伤[5]。

3.1 炎症因子

普遍认为代谢综合征是一种亚临床炎症状态。肥胖、脂代谢紊乱、糖代谢紊乱、高血压、感染等可激活核因子KBC（NF-KB）。NF-KB 称炎症信号的“第一反应因子”，调控多种炎症因子的基因表达，使多种类炎症因子表达增加，如CRP、1L-6、TNF-2、ICAM-1、VCAM-1、MCP-1，ET-1 等。Hingoran 等用脂多糖诱导人体急性炎症状态，发现内皮依赖性血管扩张反应受损，暗示炎症可能是连接高游离脂肪酸（FFA）血症和内皮细胞功能障碍的关键点[6]。炎症因子通过降低细胞内的磷脂酸肌醇—3—激酶/丝苏氨酸蛋白激酶（P13K/AKt）信号通路使NO 生物利用度减少，从而导致炎症性血管内皮损伤。

3.2 氧化应激

肥胖病人随着血脂的升高，氧自由基呈线性升高，脂类过氧化的终末产物之一丙二醛（MDA）水平与肥胖正相关，超氧化物岐化酶（SOD）是负相关，使机体活性氧族（ROS）显著增加，其中以ROS危害最大。ROS 可抑制破坏PI3K-AKt-eNOS 信号转导途径，导致NO 合成和释放减少，诱导内皮细胞调集炎症因子可引起活性氧增加。活性氧也是NF-KB 敏感的刺激因子，可能是激活NF-KB 的第二信使，使炎症因子表达增加。二者均通过下调PI3K/AKt信号通路使内皮细胞受损。抗炎，抗氧化治疗均有改善内皮细胞功能的效应。Brownlee 提出，高血糖导致内皮细胞线粒体增多是糖尿病血管病变机制中的关键因素[7]。

4 内皮细胞与胰岛素抵抗

2003 年美国召开的首届胰岛素抵抗综合征大会上就提出，胰岛素抵抗综合征有内皮细胞功能异常。近年来血管内皮功能与肥胖和胰岛素抵抗（IR）已被广泛关注[8]。

4.1 内皮型胰岛素抵抗

内皮细胞是胰岛素敏感的靶细胞，胰岛素与其受体结合后使内皮细胞eNOS 活化，NO 释放增加，ET-1分泌减少，使血管舒张。反之多种因素使NO合成和释放减少，需要大量的胰岛素才能维持血管舒张。第二，内皮受损进入靶细胞的胰岛素和葡萄糖减少，摄取和利用率减低引起IR。第三，在血液和组织中存在胰岛素降解酶（IDF）使胰岛素失活。研究表明，T2DM 患者红细胞IDF 显著高于正常人，说明IDF水平升高使胰岛素降解过快可能是引起IR的原因之一[9]。第四，内皮细胞功能受损是高血压的始动因素。高血压又作用于内皮细胞的肾素——血管紧张素系统，使NO 合成减少，ET-1 分泌增加IR。以上4点可能是“内皮型IR”的成因。

4.2 内皮细胞与外周组织的胰岛素抵抗

普遍认可脂肪组织、肝脏、肌肉组织是IR的主要部位。其IR 的根本原因缘于这些组织内皮细胞功能受损。

4.2.1 脂肪组织胰岛素抵抗

肥胖是脂肪组织的增加，体重增加1 kg脂肪组织增加0.8 kg。肥胖引起IR实质是脂肪组织增加的结果。①脂肪组织增加使脂肪组织的单核细胞、巨噬细胞占脂肪细胞的比例由5%～10%上升到60%，炎症因子表达增加引起内皮细胞功能受损。肥胖氧自由基生成增加是TG、FFA 升高的结果。WHO等对超重（BMI ＞23 kg/m2）儿童研究已证实存在内皮功能受损和颈动脉内膜增厚[10]。内皮细胞功能受损是使脂肪组织新生血管减少，引起脂肪外溢的重要原因。②脂代谢紊乱：血脂异常是内皮细胞功能障碍的重要危险因素。王蕾蕾等研究[11]发现：空腹状态血脂介导的内皮依赖性血管舒张功能异常组血TG 高于正常组。人体研究中发现，血中FFA 水平无论是外源性还是内源性升高都可使正常人内皮依赖性血管舒张功能受损，内源性NO 生成减少。Hang等发现[12]，高浓度饱和脂肪酸可诱导肝窦内皮细胞去窗孔化。LDL-C易透过血管内皮屏障，由吞噬细胞吞噬是形成泡沫细胞的基础。LDL-C极易氧化，形成氧化型LDL（OXLDL），具有很强的毒性。OXLDL 在糖尿病患者血清中大量存在，是引起血管内皮细胞损伤和功能障碍的重要危险因素[13]。HDL-C 通过促进胆固醇逆向转运、抗氧化，抑制血栓形成，促进血管内皮功能、抑制炎症反应、抗细胞凋亡[14]。

已有研究表明T2DM患者HDL-C 的抗炎、抗动脉粥样硬化的作用减弱[15]。孙嘉滕等研究在糖尿病患者中HDL-C 不仅较正常对照组水平下降，而且抗炎作用下降，甚至还表现出一定促炎作用[16]。③肥胖使脂肪组织分泌脂联素下降，瘦素、抵抗素分泌增加。脂联素可以活化eNOS刺激NO的产生，具有改善IR、抗动脉粥样硬化、抗炎、抗氧化、保护内皮功能损伤。脂联素分泌减少增加了内皮细胞的损伤。给予重组脂联素可逆转血管内皮细胞的损伤。肥胖使瘦素水平增加。瘦素升高可增加炎症因子和氧自由基的生成。体外实验中，瘦素可增加ET-1释放。肥胖者抵抗素分泌增加。抵抗素有致炎效应，可导致炎症因子表达增加，进而使内皮细胞受损。早有研究发现，血管内皮功能损伤与肥胖和IR 密切相关，是促进肥胖和相关疾病发生的重要因素。

4.2.2 肝脏的胰岛素抵抗

肝脏是IR 的重要组织，有“中心性IR”之称。①肝脏是胰岛素作用最主要的组织。胰岛素自肝门静脉入肝，首过效应被利用50%以上才进入体循环，同时在肝内被IDF 降解。IDF 在肝内含量最高。因此，高胰岛素血症主要是肝脏胰岛素利用和降解减少。②肝脏的微循环及其丰富。肝窦内皮细胞（LSEC）是多孔样窗口结构，窗孔呈簇，聚集成筛板，这是与其它组织血管内皮细胞区别的标志。这与肝脏在机体中的重要地位相适应。LSEC 同样分泌NO 和ET-1 调节窗孔的大小和舒缩功能。由于LSEC 所处的地位和结构最易去窗孔化，任何一个环节的损伤都将引起肝窦功能异常而导致微循环障碍[17]。③脂肪肝的形成：随着肝窦和肝脏其它微血管内皮细胞的去窗孔化使大分子的脂质和乳糜微粒残留在肝窦内及微血管，减弱了这些脂类物质进入肝细胞代谢，导致脂代谢紊乱和在肝内的沉积。随之OXLDL等有害物质引起LSEC和其它微血管内皮细胞毛细血管化及基底膜的形成导致肝脏脂肪变性，进而增加内皮细胞功能受损。脂肪肝患者肝门静脉及肝静脉宽度、血流速度较正常人下降，在动物模型中这样的改变使肝窦容积下降50%[18]。因此，脂肪肝是IR的重要原因。

4.2.3 肌肉组织的胰岛素抵抗

肌肉组织是葡萄糖氧化利用和FFA 利用的重要组织。骨骼肌微血管自律运动功能受损可能与外周肌肉组织胰岛素抵抗相关[19]。NEWman等在糖尿病动物模型中发现肌源性微血管自律运动减弱[20]。正常人餐后微血管自律运动增加，而T2DM 患者微血管自律运动不同程度受损，导致微循环血管网不能有效开放，非营养性毛细血管向营养性毛细血管转化受阻，从而影响肌肉组织葡萄糖摄取[21]。有研究表明，糖尿病下肢病变实验小鼠骨骼肌炎症因子表达增加，同时VEGF 水平和eNOS 磷酸化水平下降。因此肌肉组织内皮细胞受损后新生血管再生不足是糖尿病患者四肢纤细和糖尿病足发生的原因之一。Chou等在动物实验中发现，糖尿病情况下心肌细胞VEGF mRNA 表达减少40%，其受体mRNA 表达减少70%；在视网膜和肾脏VEGF 及其受体mRNA 表达却增加了2倍，提示糖尿病患者合并冠心病后侧支循环建立不足[22]。刘志红等对糖尿病肾病患者研究发现，肾组织中VEGF 及其受体强度与患者肾小球结节样病变的形成、糖尿病视网膜病变的发生显著相关[23]。

5 内皮细胞与β 细胞凋亡

胰岛是高度血管化的微器官，毛细血管的宽度是外分泌腺的5～10 倍，有较多的窗孔，具有血糖感觉器的作用，使β细胞快速感知循环中血糖水平的波动，从而对胰岛素分泌作出迅速有效的较准调控[24]。营养物质、氧气较易通过窗孔进入胰岛，而胰岛的分泌物也可通过窗孔进入肝门静脉系统，维持胰岛正常的内环境。胰岛微血管内皮细胞对维持β细胞功能至关重要，微血管内皮细胞参与和促进β细胞调控，两者之间存在“信息通讯的桥梁”[25]。有人提出，胰岛是一高度血管化的微器官，β细胞功能衰竭很可能是微血管病变的表现[26]。Zucker糖尿病大鼠被发现与其胰岛微血管内皮细胞形态异常、微血管结构完整性受损有关。刘明等发现，糖尿病小鼠皮肤及胰腺微循环功能受损[27]。内皮细胞功能受损使大分子物质如TG 和胰淀粉样蛋白在胰岛内沉积产生毒性作用。Michios 等以肥胖Fa/faZDF 鼠研究，发现ZDF 鼠在糖尿病前期胰岛β细胞内TG 的含量较正常增加3 倍，而后期含量增加10倍，出现葡萄糖刺激的胰岛素分泌障碍[28]。胰岛素是β细胞与胰岛协同分泌的一种物质，进入血循环有多种生理效应。但由于胰岛内皮细胞去窗孔化在胰岛内聚合形成淀粉纤维蛋白（IA）而在毛细血管内皮细胞周围形成被膜造成弥散障碍；随后发生胰岛素分泌和吸收的缺陷[29]。Balter 等研究发现10% IFG 者β细胞有IA 沉积，这些人β细胞数已减少40%，90%的T2DM患者胰岛中有IA沉积，伴β细胞数量减少，且IA 的沉积程度与糖尿病变程度相一致[30]。以上研究提示，胰岛内皮细胞去窗孔化使TG、IA在胰岛内沉积是β细胞凋亡的原因之一。

6 内皮细胞功能受损的防治

内皮细胞功能障碍是高血压、动脉粥样硬化的始动因素，也是微血管病变的基础。血管内皮细胞功能异常在大血管和微血管病变的发生和发展中起关键的作用[31]。高血糖引起糖基化终末产物形成增加，多元醇通路、蛋白激酶C 通路、已糖胺通路激活进一步引起活性氧族和炎症因子表达增加，加重了内皮细胞的损伤，也是糖尿病患者致残、致死的重要原因。因此，内皮细胞功能受损的防治显得非常重要。内皮细胞功能受损的发生比人们想象的要早。国外研究发现[32]，T2DM患者一级亲属已出现血管内皮功能受损。朱振云等7年的前瞻性研究也说明，血管内皮功能障碍先于MS 的发生，在MS发生中起关键作用[33]。在IGT阶段肾脏、视网膜、周围神经已经出现糖尿病微血管改变的表现，确认糖尿病时微血管病变的患病率已达30.2%～89.8%[34]。视网膜是观察微血管病变的最好窗口。光学相干断层扫描血流成像（OCTA）能更早地发现糖尿病患者视网膜毛细血管网的早期病变，甚至在未出现毛细血管并发症时已有毛细血管丢失现象。因此，肥胖、高血压、脂代谢紊乱患者应及早对症治疗是防治内皮细胞功能紊乱的前提，对糖尿病患者还应加用降糖药物和阿司匹林。与常规治疗相比，强化综合控制（包括强化血糖、血压、血脂控制，阿司匹林及ACEI 应用等）能够使糖尿病并发症（包括肾脏病变、心血管病变、眼底病变）的发生风险降低50%～60%。一些小样本研究发现，维生素C、E、D和α硫辛酸具有保护内皮细胞效应。多个中草药也具有抗炎、抗氧化应激和保护内皮细胞的功能，如茶多酚、白黎、芦醇、黄芪、葛根、桑白皮、黄连、黄芩、丹参、红花、姜黄素等，但均为短篇报道。