糖尿病血管并发症的相关机制及糖被的作用

陈熠雯，夏淑东

(浙江大学医学院附属第四医院，浙江 义乌，322000)

糖尿病是一种以高血糖为特征的代谢性疾病，主要由胰岛素相对缺乏和胰岛素抵抗所引起，多在35～40岁之后发病，占糖尿病患者所有发病年龄的90%以上。

随着糖尿病并发症发病率的显著增加，患者的生存质量明显降低，同时社会的医疗负担也越来越沉重。糖尿病并发症包括急性和慢性两大类，急性并发症包括因高血糖所引起的糖尿病酮症酸中毒、高渗高血糖昏迷以及因血糖过低导致的低血糖昏迷；慢性并发症大部分涉及血管的病变，包括微血管病变和大血管病变，前者主要表现在视网膜、肾、神经和心肌组织，其中以糖尿病肾病和视网膜病变尤为重要。后者主要表现为动脉粥样硬化，引起冠心病、缺血性或出血性脑血管病等[1]。其他慢性并发症还包括神经系统病变、糖尿病足以及牙周病等等。血管病变是糖尿病较严重的并发症。动脉粥样硬化是糖尿病患者预期寿命受损的主要原因，而糖尿病肾病和视网膜病分别是终末期肾病和失明的最大原因[2]。

糖尿病所导致的血管病变是一个复杂的过程，具体的机制尚未完全清楚。目前，国内外有许多相关的研究，但至今没有作出明确的解释。主要的机制包括晚期糖基化产物的过度形成、氧化应激、炎症反应、内皮功能障碍、矿物质及脂质代谢改变、细胞因子的产生、基因作用、血流动力学改变如肾素-血管紧张素-醛固酮系统(RAAS)等[3]。

1 发生机制

1.1 血糖

血糖是糖尿病诊断和监测的重要指标，降低糖尿病血管并发症风险的最有效方法就是尽早地将血糖控制在最佳水平。当血糖水平过高时，组织内的细胞常无法调节葡萄糖的转运速率，从而导致细胞内葡萄糖的过度积累。最终，细胞为了“自我保护”而减慢葡萄糖的转运速度，这种用于细胞代谢的物质“缺乏”可能将能量产生的底物从葡萄糖过渡到游离脂肪酸及其衍生物上，并可能使其相应衍生物浓度增高引起一系列病理生理变化。然而，高血糖并不是影响并发症的唯一因素。特别在2型糖尿病中，有多种不同机制的药物可以控制血糖，但是更严格的血糖控制不一定能降低心血管疾病的风险。有研究观察到低血糖与主要的大血管事件(例如心肌梗死)之间存在关联，故而推测低血糖可能是部分血糖控制尚理想但仍可发生血管并发症患者的原因之一[4]。

1.2 肥胖

肥胖在2型糖尿病患者中是比较常见的合并症。在2型糖尿病中，往往伴有血脂的异常，如甘油三酯、胆固醇的升高和高密度脂蛋白的降低。控制血脂对降低糖尿病心血管风险有较大的影响，包括糖尿病肾病以及糖尿病视网膜病变[5]。

1.3 血流动力学

除了代谢因素外，血液动力学因素也参与了糖尿病的进展，尤其是糖尿病并发症的发生发展。在临床研究中，明确强调了血流动力学因素的重要性，其中，高血压通常与血管并发症(包括大血管疾病、肾病和视网膜病)的发生相关。尽管高血压的发生可以是糖尿病患者进展到肾损伤后的一种继发表现，但血压的升高又加重或促进糖尿病血管并发症的形成，从而导致恶性循环。同时，也是加重或促进糖尿病血管并发症的重要系统性因素。在这些血流动力学因素中主要包括RAAS系统的全身和组织衍生成分。RAAS系统被认为是体内血压和体液平衡的主要控制者，它主要通过产生血管紧张素II作用于1型血管紧张素(AT1)和2型血管紧张素(AT2)受体从而参与血压的调节。这两类受体在糖尿病并发症部位广泛表达。大量研究表明，AT1受体拮抗剂在糖尿病并发症中对终末器官具有保护作用。这些研究突显了RAAS的靶向治疗具有有益的作用[6]，而不仅仅是降低血压。大量的前瞻性、随机对照研究证实了血管紧张素转化酶抑制剂(ACEIs)或血管紧张素II受体拮抗剂(ARBs)在糖尿病性肾病和心血管疾病中的保护作用。

除此之外，血管紧张素1-7最初被认为是血管舒张肽，对肾功能有保护作用。但在某些情况下血管紧张素1-7本身可能是有害的，如糖尿病动物模型中长期施用血管紧张素1-7会加速肾疾病的发生[7]。

1.4 蛋白质修饰

蛋白质的错误折叠导致蛋白质特性及功能的改变是包括糖尿病并发症在内的慢性疾病的主要诱因，这些疾病常常都具有错误折叠蛋白质的聚集和翻译后蛋白质的过度修饰(包括那些通过高级糖基化修饰的蛋白质)的病理特征。这些功能失调的蛋白质通常无法执行细胞内的正常功能，并且可能无法从细胞中分泌出来以完成其细胞外功能[8]。

在糖尿病患者中，持续的高血糖和氧化应激会加速晚期糖基化产物(AGEs)的形成，此外，葡萄糖的糖酵解代谢产物本身就是细胞内高级糖基化的有效引发剂，远比葡萄糖本身有效。在2型糖尿病微血管病理学中涉及的生化途径中已证明了AGE的过度形成，证实了AGE在糖尿病性神经病、视网膜病变和肾病进展中的重要作用[9]。

1.5 氧化还原失衡

有研究表明，糖尿病并发症部位的线粒体功能异常，是一个活跃的研究热点[10]。这类患者因线粒体功能异常而过度生成超氧化物可能被认为是糖尿病并发症发展的主要促发之一。一氧化氮(NO)是常见的自由基，在哺乳动物细胞之间的信号转导中起着比较重要的作用。此外，NO也是最有效的血管舒张药之一，在包括糖尿病在内的慢性疾病中也起血管保护的作用。有研究表明，易发生并发症的器官其功能下降往往与NO进行性缺乏有关[11]。此外还发现，1型和2型糖尿病患者血液中不对称二甲基精氨酸(ADMA)(一种NO的天然抑制剂)的浓度升高，与心血管疾病的风险增加相关[12]。

1.6 炎症

慢性炎症被认为是糖尿病并发症中常见的特征之一。在临床研究中发现，糖尿病患者的血液循环中炎性标志物增加，这些标志物的水平似乎可以预测糖尿病并发症的发生和发展[13]。在糖尿病并发症的部位，高血糖、高血压和血脂异常会通过多种机制诱导内皮活化，从而导致炎症的发生，包括氧化应激、核因子-κB(NF-κB)活化、NO合酶(NOS)失调和AGEs形成。

内皮的激活是糖尿病的常见表现，其可导致内皮的损伤，产生一系列血管并发症。在糖尿病并发症部位，可以看到炎症细胞(例如单核细胞和巨噬细胞)的浸润，这一点在动物实验中得到了证明[14]。此外，通过阻断趋化分子的产生从而减少炎症细胞的浸润也有助于预防动物模型中糖尿病并发症的发生。阻断趋化的因子缺乏会影响肾单核细胞和巨噬细胞的积累，并影响糖尿病性肾损伤[15]。

炎症细胞在受损脏器内积累后会产生一系列细胞因子，如白细胞介素-1(IL-1)被认为在糖尿病性神经病的早期阶段会导致神经损伤[16]和细胞沟通的异常。此外，患有1型或2型糖尿病的个体中肿瘤坏死因子-α(TNF-α)的循环浓度升高，并促进与糖尿病性神经病变和视网膜病变相关的病理过程[17]。胰岛素样生长因子(IGF-1)也被认为是糖尿病肾脏早期变化的主要贡献者，包括细胞肥大和肾小球滤过率(GFR)升高。有证据证明，生长激素-胰岛素样生长因子1轴(GH / IGF-1轴)与糖尿病患者的肾脏结构和功能异常相关[18]。此外，它们还参与糖尿病大血管并发症的发生和发展。例如，IGF-1的系统性过表达或IGF-1受体的心脏特异性过表达[18]可预防糖尿病性心肌病的发作。NF-κB与糖尿病并发症的发生发展也关系密切，研究发现，NF-κB抑制剂[如吡咯烷二硫代氨基甲酸酯(PDTC)]在动物模型试验中表现出肾保护的功能。糖尿病引起的NF-κB活化增加可通过多种治疗手段来预防，包括二甲双胍[19]、阿司匹林[12]和维生素B衍生物等。

1.7 基因

在临床上可以看到，尽管血糖控制良好，但其并发症依然未得到良好的控制，甚至比血糖控制不佳的患者进展更快。当前认为由于强化血糖控制而引起的低血糖可能是导致并发症及病死率增加的可能。另一种可能性是“高血糖记忆”或先前高血糖发作的遗留效应，可能是通过表观遗传机制，包括葡萄糖对组蛋白修饰的诱导作用，导致血管基因表达的调节等[20]。

2 糖被

上述发生机制在糖尿病的血管并发症中都发挥了不少的作用，内皮损伤是糖尿病血管并发症发展的重要进程之一。糖尿病患者比一般人更容易发生血管病变是因为正常的内皮细胞表面存在松软且完整平铺的糖被协助正常内皮功能的维持。研究提示，糖被有可能作为内皮细胞剪切力感受器而参与血管的保护。高血糖引起的糖被损伤的介导物包括活性氧、高级糖基化终产物以及糖被降解酶[如透明质酸酶(HYAL1)和乙酰肝素酶]等，通过上述介导物质的激活，从而增加血浆透明质酸水平，并导致内皮功能及凝血功能障碍[21]。

2.1 结构

糖被是排列在血管内皮腔表面的一层富含黏多糖的绒毛状纳米级结构。糖被可描绘为内皮和血浆之间的大分子高水合层，它们或是与内皮膜结合，或是彼此结合。糖蛋白和蛋白聚糖是其主要成分，可作为内皮的锚点。糖蛋白由核心蛋白和2至15个糖残基共价连接的糖侧链组成。基于它们结合血浆成分以及与内皮细胞的连接方式的不同，其具有不同的功能[22]。蛋白聚糖是一类特殊的糖蛋白，其特征是具有200多个非常长的、无支链的糖残基或糖胺聚糖(GAG)侧链。糖被中大量存在的另一种GAG是透明质酸。它是由结合到细胞膜上的酶(透明质酸合酶1，2和3)合成的，并被排出到细胞外基质或膜的腔内皮侧。在那里，它形成了糖被的主要成分，对糖被的水结合能力也起到了重要的作用。此外，它还可以通过与细胞表面受体(尤其是CD44)相互作用而影响细胞行为[23]。透明质酸的降解主要由透明质酸合酶1，2和3引起。

2.2 功能

糖被是决定血管通透性的关键因素之一，可维持液体过滤和毛细血管腔吸收之间的平衡[23]。如前所述，糖被层由带负电荷的GAG和蛋白聚糖网络组成，覆盖在血管内皮腔表面，对诸如右旋糖酐的大分子不具有渗透性。同时，带负电荷的GAG还有助于阻止白蛋白通过血管壁屏障[23]。

糖被还可以调节血管壁与血细胞之间的相互作用。带负电荷的糖被排斥并且不渗透红细胞(RBC)，从而有助于确保RBC在微循环中的封闭流动，并削弱白细胞和血小板与血管壁的相互作用，控制血小板和白细胞的黏附以及调节止血和炎症反应[23]。糖被相关的黏附分子充当白细胞和血小板上整合素的配体，并被炎症诱导，从而促进细胞滚动和白细胞外渗[23]。

糖被还通过配体和酶结合来控制细胞信号转导和酶的修饰，从而控制与微环境的相互作用。此外，糖被是关键的抗凝介质的结合位点，如通过肝素辅因子II抑制凝血酶。

糖被还可以通过结合代谢氧自由基的酶(例如细胞外超氧化物歧化酶)来保护内皮细胞。这些酶可维持NO的生物利用度，降低氧化应激并防止内皮功能障碍[24]。此外，当受到剪切力时，糖被有助于NO的释放，从而通过扩张血管来降低剪切力[24]。因此，在诸如糖尿病、败血症、慢性肾脏病、高钠血症、高血容量和缺血/再灌注损伤等情况下，剪切力和氧化应激可能会损坏糖被[23]。

2.3 在疾病中表现

糖被的脱落被认为与血管功能障碍有关。在动物实验中表明，对于高龄且伴有微血管灌注受损者存在糖被的减少，这也提示了与年龄有关的糖被退化可能是老年人微血管功能障碍和随后的病理生理进展的重要原因之一。

糖尿病可并发微血管和大血管的损伤。慢性高血糖会损伤血管壁，导致内皮通透性增加和NOS功能受损。糖尿病患者的糖被厚度比健康对照者低50%。通过比较可渗透糖被的示踪剂(右旋糖酐40)和不渗透糖被的示踪剂的分布体积，对10名健康受试者的全身糖被体积进行评估，结果显示，急性高血糖诱导6 h内，全身糖被体积减小了50%[25]。此外，2型糖尿病患者的舌下和视网膜血管中的糖被量较低[26]。在临床上也发现：在出现血管并发症之前，可以在患有1型糖尿病的儿童中检测到微血管改变，包括微血管分布的变化和糖被的丢失。总体而言，这些研究表明，急性和慢性高血糖症均发现糖被层厚度的降低，这支持糖被剂量降低可能与糖尿病诱导的内皮功能障碍有关的观点。鉴于此，糖被可以作为早期检测糖尿病微血管病的手段以及据此作为临床靶点来改善或延缓糖尿病的血管损伤。已有报道表明，在糖尿病小鼠的饮用水中加入二甲双胍2周后可看到糖被屏障特性的改善，二甲双胍在心血管方面也可能涉及内皮糖被的修复[27]。此外，在临床试验中，服用舒落地特(抗血栓药)的2型糖尿病患者糖被也有部分恢复[26]。

2.4 透明质酸酶

透明质酸酶(hyaluronidase,HA)是不与核心蛋白共价结合的糖胺聚糖聚合物。它的化学结构简单，由重复的β(1,4)-N-乙酰基-d-葡糖胺和β(1,3)-d-葡萄糖醛酸的二糖所形成的聚合物。但HA的生物学功能是复杂的，并且具有高度相关性[28]。HA一旦被排出到细胞外空间，就会与HA结合蛋白(透明质素)发生复杂的相互作用。细胞周围HA的功能取决于其与特定HA受体[例如CD44，RHAMM(HA介导的运动的受体)和Lyve-1]的结合，产生的相互作用调节血管组织中平滑肌细胞(SMC)，成纤维细胞和其他细胞类型的黏附、迁移和增殖。此外，HA聚合物还可以维持体内平衡和免疫监测。例如在机体损伤时，HA降解和从头合成会急剧发生并促进炎症反应。在稳态条件下，大多数免疫细胞具有较低的HA结合能力。然而在炎性环境中，HA通过CD44的结合在活化的免疫细胞亚群中特异性增加[29]，从而导致HA合成和HA分解代谢均明显加快。在健康的血管中，HA既有抗炎又有抗血栓形成的作用。因此，抑制HA的合成以及因炎症、吸烟或糖尿病引起的糖被中HA的脱落会增加血小板活化和巨噬细胞炎症的驱动。动物实验发现，糖尿病或HA可降低视网膜内皮糖被的厚度，其中,HA在屏障功能中起重要作用[30]。据此，HA抑制剂可以作为一种预防糖尿病血管并发症的新治疗方法进行探索。

3 结语

糖尿病可导致感染、心脑血管疾病、失明、肾功能损伤、下肢坏疽等而成为致死致残的主要原因，而糖被作为内皮细胞的重要屏障，其维持血管通透性、抑制细胞向血管内皮黏附等血管保护作用也越来越得到关注，维持糖被层的完整性是保护内皮细胞的有效方式。目前，由于临床试验手段的不足以及缺乏直接观察和检测血管内皮糖被层结构及功能变化的方法，糖被相关的基础研究较少。因此，迫切需要更方便、有效的检测方式来开展更多的相关研究，为糖尿病患者血管并发症的诊治提供充足的依据。