糖脂代谢紊乱对血管平滑肌细胞自噬的调控作用及药物研究进展
2021-12-04唐玉香冯晓桃
唐玉香,冯晓桃,2
(1.广西中医药大学广西中医药科学实验中心,南宁 530200; 2.广西中医药大学广西中医基础研究重点实验室,南宁 530200)
大血管病变是糖尿病常见的并发症之一,包括心脑血管病变、周围动脉病变等,其发病的病理生理学基础为动脉粥样硬化。与非糖尿病患者相比,糖尿病患者更易并发动脉粥样硬化性疾病[1],且因心血管性疾病导致的死亡率更高[2]。糖尿病往往存在糖脂代谢异常,表现为慢性高血糖和血脂异常,包括总胆固醇(total cholesterol,TC)、三酰甘油(triglycerides,TG)、低密度脂蛋白胆固醇(low density lipoprotein cholesterol,LDL-C)等水平升高,而高密度脂蛋白胆固醇(high density lipoprotein cholesterol,HDL-C)水平下降[3],这些改变是动脉粥样硬化的高危因素。在动脉粥样硬化发生发展过程中,血管平滑肌细胞(vascular smooth muscle cells,VSMCs)起重要作用。在糖尿病状态下,VSMCs从收缩表型向合成表型转变,其增殖与迁移加快,促进了动脉粥样硬化发生发展[4-5]。研究表明,自噬能够调控VSMCs的生物学功能,自噬缺失诱发VSMCs死亡和促进动脉粥样硬化,导致动脉粥样硬化斑块不稳定[6-7]。而糖脂代谢紊乱能够调控VSMCs自噬功能,进而影响动脉粥样硬化进程[5,8]。现就糖脂代谢紊乱对VSMCs自噬的调控作用机制及靶向VSMCs自噬的药物研究进展予以综述,以期发现防治糖尿病动脉粥样硬化性疾病的新靶点,并促进相关创新药物的研发。
1 VSMCs自噬对动脉粥样硬化的影响
VSMCs位于血管中膜层,是构成血管壁组织结构的主要细胞成分,能够维持血管张力和调控血压。在病理状态下,VSMCs发生表型转化,并出现生物学功能改变[5],参与多种疾病的发生发展。在动脉粥样硬化发生发展过程中,VSMCs大量增殖,导致血管中膜层增厚和管腔狭窄。且VSMCs还能迁移到血管内膜下,合成与分泌胶原纤维,构成脂质条纹纤维帽,参与形成动脉粥样硬化斑块[9]。另一方面,VSMCs吞噬内膜下脂质,形成泡沫细胞,促进动脉粥样硬化。而VSMCs发生凋亡或坏死将会导致粥样硬化斑块不稳定,甚至斑块破裂,继发血栓形成或血管栓塞事件。
近年研究显示,VSMCs自噬功能的改变参与了动脉粥样硬化的病理进程[6-7]。自噬是真核细胞通过溶酶体降解细胞内受损的蛋白质或细胞器,从而维持细胞内环境稳定的一种自我防御机制。此外,降解蛋白质或细胞器所产生的氨基酸、脂肪酸等又能被细胞重新利用,从而维持细胞功能。事实上,过度自噬会导致VSMCs自我过度消化,进而诱发细胞死亡;相反,缺乏自噬也会诱发VSMCs死亡,促进动脉粥样硬化和斑块不稳定[6-7]。而适当活化自噬能够维持VSMCs存活,促使细胞由合成表型向收缩表型转化,改善动脉功能和动脉粥样硬化[5,10]。
研究表明,哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin,mTOR)是调控自噬的重要负性调节激酶,调控mTOR依赖性信号通路,如抑制磷脂酰肌醇-3-激酶(phosphatidylinositol-3-kinase,PI3K)/蛋白激酶B(protein kinase B,PKB/Akt)信号通路[5,11],或抑制胞外信号调节激酶1/2(extracellular signal-regulated kinase 1/2,ERK1/2)信号通路[12],或活化AMP活化的蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)信号通路[10,13]均能抑制mTOR活性,进而促进VSMCs自噬。此外,促进信号转导及转录激活因子3(signal transduction and activator of transcription 3,STAT3)信号通路或提高细胞抗氧化能力也能够诱导VSMCs自噬[14-15],改善动脉粥样硬化。
2 糖脂代谢紊乱对VSMCs自噬的影响
临床上,糖尿病以慢性高血糖为特征,并伴有血脂异常,是糖尿病并发动脉粥样硬化及动脉粥样硬化性大血管病变的高危因素。学者发现,在高脂饮食联合低剂量链脲佐菌素诱导的2型糖尿病大鼠或链脲佐菌素联合高脂饮食诱导的糖尿病载脂蛋白E(apolipoprotein E,ApoE)敲除小鼠中存在大血管病变(斑块)和自噬水平的改变,并伴有血糖、血脂LDL-C、TC、TG水平升高和HDL-C水平下降[5,8]。这提示,糖脂代谢紊乱与VSMCs自噬有密切联系。
2.1高糖对VSMCs自噬的调控作用及机制 研究发现,高脂饮食联合低剂量链脲佐菌素诱导的2型糖尿病大鼠空腹血糖水平明显升高,主动脉收缩性增强,动脉中膜层α平滑肌肌动蛋白和自噬相关蛋白(autophagy-related protein,ATG)微管相关蛋白1轻链3(microtubule-associated protein 1 light chain 3,LC3)蛋白表达水平下降[5],提示VSMCs表型发生改变,并伴有自噬水平下降。体外研究显示,高浓度(25 mmol/L)葡萄糖能够促进人VSMCs增殖与迁移[16],给予大鼠原代VSMCs高糖处理48 h后,α平滑肌肌动蛋白表达减少,而波形胶原蛋白和胶原纤维Ⅰ表达明显增加,表明细胞由收缩表型向合成表型转变[5];同时,VSMCs自噬标志蛋白LC3Ⅱ表达水平、LC3Ⅱ/LC3Ⅰ比值以及ATG Beclin-1表达水平明显下降,而p62蛋白表达水平明显升高[5]。采用mTOR抑制剂雷帕霉素诱导VSMCs自噬能够逆转高糖导致的上述改变[5],且AMPK激动剂阿卡地新也能够抑制高糖诱导肠系膜上动脉LC3Ⅱ蛋白表达和LC3Ⅱ/LC3Ⅰ比值下降以及p62蛋白表达水平升高[17]。此外,长期高血糖与蛋白质反应产生的晚期糖基化终末产物(advanced glycation end products,AGEs)呈浓度依赖性促进VSMCs增殖与迁移[18]。其中,急性(24 h内)AGEs刺激VSMCs能够促进LC3Ⅱ蛋白表达和抑制p62蛋白表达,诱导产生自噬[19-21]。长期(超过24 h)AGEs刺激VSMCs则能够促使细胞成骨转化和钙化,抑制LC3Ⅱ、Beclin-1蛋白表达和自噬,而雷帕霉素能逆转LC3Ⅱ蛋白表达[22]。糖尿病状态下葡萄糖氧化障碍,糖酵解增强,其代谢产物乳酸增加。高浓度乳酸能够加快VSMCs钙化,抑制LC3Ⅱ蛋白表达和促进p62蛋白表达,减少自噬[23]。进一步研究显示,高糖能够增加VSMCs磷酸化Akt和mTOR蛋白的表达[5],长期AGEs诱导能够抑制AMPK磷酸化和促进mTOR磷酸化[22],而阿卡地新能够逆转高糖环境下或长期AGEs诱导下细胞LC3Ⅱ和p62蛋白表达[17,22]。急性AGEs刺激VSMCs能抑制Akt及mTOR磷酸化,促进ERK磷酸化,进而诱导自噬;相反,活化Akt和抑制ERK磷酸化均能抑制急性AGEs诱导VSMCs自噬[19]。此外,急性AGEs刺激还能通过活化缺氧诱导因子-1α/丙酮酸脱氢酶激酶4信号通路促进VSMCs自噬[20]。这些表明,高糖至少通过mTOR依赖的Akt及AMPK信号通路调控VSMCs自噬。
另有研究显示,高脂饮食联合低剂量链脲佐菌素诱导的2型糖尿病大鼠胸动脉平滑肌自噬水平升高,而高糖(25 mmol/L或30 mmol/L)处理原代VSMCs 24 h或48 h也能够诱导细胞自噬,并与AMPK/mTOR信号通路密切相关[24-25]。进一步研究表明,高糖能诱导VSMCs氧化应激,产生活性氧类(reactive oxygen species,ROS),造成细胞损伤和细胞凋亡[26]。而ROS能够诱导细胞自噬[27],这可能是细胞对氧化应激造成其损伤的反馈性防御反应。但高水平或长期ROS刺激则会干扰自噬流,导致凋亡信号通路活化。
2.2脂质异常对VSMCs自噬的调控作用及机制 在高脂饮食诱导的动脉粥样硬化ApoE敲除小鼠中,通过mTOR复合物(mammalian target of rapamycin complex,mTORC)1/ULK1/ATG13信号通路活化VSMCs自噬能够抑制动脉粥样硬化进展,升高α平滑肌肌动蛋白水平和降低斑块中脂质含量,维持斑块稳定[28]。同样,在链脲佐菌素联合高脂饮食诱导的糖尿病ApoE敲除小鼠中,血脂LDL-C、TC、TG水平升高,HDL-C水平下降,动脉粥样硬化斑块脂质沉积,管腔面积减少,斑块面积增加,自噬水平下降;而抑制mTOR活性诱导VSMCs自噬能够降低TG水平,并逆转上述病理改变[8]。体外研究显示,高浓度氧化型低密度脂蛋白(oxidized low density lipoprotein,ox-LDL)能促进VSMCs脂质沉积,并呈时间依赖性减少LC3Ⅱ和Beclin-1蛋白的表达,增加p62蛋白表达,进而抑制自噬,激活凋亡信号通路[29-32],抑制溶酶体产生,促进泡沫细胞形成[29]。此外,饱和脂肪酸能够抑制VSMCs自噬流,促进血管钙化[33]。进一步研究显示,ox-LDL能显著抑制VSMCs经典Ⅲ型PI3K和Beclin-1蛋白的表达[31],并抑制硬脂酰辅酶A去饱和酶1(stearoyl-coenzyme A desaturase 1,SCD1)表达,而高表达SCD1能够减轻细胞脂质沉积,增加LC3Ⅱ和溶酶体相关膜蛋白1、溶酶体相关膜蛋白2表达,恢复细胞自噬功能,并抑制泡沫细胞形成[29]。另外,ATG14是经典Ⅲ型PI3K复合物的组成部分,能够特异性调控自噬[34]。ox-LDL能够抑制人VSMCs中CTBP1-AS2(一种长链非编码RNA)的表达和促进微RNA(microRNA,miRNA/miR)-195-5p表达,进而抑制LC3Ⅱ、Beclin-1和ATG14表达,抑制细胞自噬[35]。高表达CTBP1-AS2能够抑制细胞miR-195-5p表达和促进ATG14表达,逆转ox-LDL对细胞自噬的抑制[35]。这些研究表明,ox-LDL通过抑制PI3K/Beclin-1信号通路和SCD1表达,或下调CTBP1-AS2/miR-195-5p/ATG14通路抑制VSMCs自噬。
另有研究显示,中等浓度ox-LDL能够促进VSMCs蛋白(LC3Ⅱ、Beclin-1和AGT5)表达,提高LC3Ⅱ/LC3Ⅰ比值,诱导细胞自噬[36],同时诱发氧化应激,产生大量ROS,抑制抗凋亡蛋白Bcl-2表达和促进胱天蛋白酶3、Bcl-2相关X蛋白表达,激活凋亡信号通路,这与凝集素样ox-LDL受体1表达增加密切相关[36-37]。且ox-LDL还能促使第10号染色体缺失的磷酸酶及张力蛋白同源基因诱导激酶1(phosphatase and tensin homologue deleted on chromosome ten-induced putative kinase 1,PINK1)和E3泛素连接酶Parkin募集到损伤的线粒体,诱发VSMCs线粒体自噬。敲除PINK1或Parkin会加重ox-LDL诱导VSMCs凋亡;而高表达PINK1则促进自噬,减轻ox-LDL诱导VSMCs凋亡[38]。同样,高浓度游离胆固醇也能诱导VSMCs表达LC3Ⅱ和产生自噬泡[39]。而非酯化脂肪酸油酸和棕榈酸能够抑制VSMCs增殖,促进LC3、Beclin-1和ATG5蛋白表达,增强自噬流,这涉及凝集素样ox-LDL受体1表达上调和调控PI3K/Akt及促分裂原活化的蛋白激酶激酶/ERK信号通路[40]。进一步研究发现,氧化脂蛋白的主要组成部分7-酮基胆固醇能促使人主动脉VSMCs高表达还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶4,促进凋亡蛋白活化型胱天蛋白酶3和内质网应激相关蛋白真核起始因子2α、活化转录因子6和葡萄糖调节蛋白78表达,从而诱发内质网应激和细胞凋亡、死亡[41]。同时,VSMCs还伴有自噬,抗氧化处理或敲除还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶4能够逆转7-酮基胆固醇诱导的自噬[41],表明7-酮基胆固醇诱导细胞自噬依赖于ROS。且应用雷帕霉素诱导自噬能够减轻7-酮基胆固醇诱导VSMCs内质网应激和细胞凋亡,改善ApoE敲除小鼠主动脉动脉粥样硬化[41]。因此推测,高水平脂质导致VSMCs脂质超载和泡沫细胞化,并触发氧化应激,产生大量ROS,严重损伤细胞器和诱发细胞凋亡;而ROS则能诱发细胞自噬,以便清除损伤的细胞器和降解脂质,维持细胞存活。
3 靶向VSMCs自噬防治糖尿病动脉粥样硬化的药物
糖脂代谢异常通过调控VSMCs自噬影响动脉粥样硬化的发生发展,因此揭示其潜在的作用机制可为研发相关防治药物提供新的作用靶点。
3.1上调VSMCs自噬而抑制糖尿病动脉粥样硬化的药物
3.1.1西药 有证据表明,部分药物能够上调VSMCs自噬,进而改善动脉粥样硬化。如前列腺素E1具有扩张血管、抑制血小板聚集的作用,其能够改善循环,临床多用于治疗糖尿病微血管病变、血栓性静脉炎、重症肢体缺血等[42]。研究显示,前列腺素E1能够通过抑制VSMCs在高糖环境下的Akt/mTOR信号通路,增加LC3Ⅱ和Beclin-1蛋白表达,抑制p62蛋白表达,诱发自噬,进而促使VSMCs由合成表型向收缩表型转化,改善2型糖尿病大鼠大血管病变[5]。这提示,VSMCs自噬是防治糖尿病动脉粥样硬化性血管病变的重要靶向。
利血平是一种用于治疗轻中度高血压的吲哚生物碱,其能够加快血浆脂质清除,降低血浆TC水平,抑制血脂沉积于血管壁[43]。进一步研究发现,利血平能够增强LC3和Beclin-1基因表达,升高LC3Ⅱ/LC3Ⅰ比值,促进Beclin-1蛋白表达,进而诱发VSMCs自噬,抑制VSMCs 增殖[44]。
钙离子通道阻滞剂是临床常用的降压药,是一类潜在的抗动脉粥样硬化药物。研究发现,维拉帕米能够诱导VSMCs高表达LC3Ⅱ,升高LC3Ⅱ/LC3Ⅰ比值,促进细胞自噬,拮抗细胞增殖[45]。此外,硝苯地平能够通过抑制钙离子水平升高,增强AMPK活性而抑制mTOR信号通路,从而诱导VSMCs自噬,减少细胞衰老[46]。
mTOR能够负性调节自噬,作为mTOR抑制剂,雷帕霉素也具有潜在的抗动脉粥样硬化作用。研究表明,雷帕霉素能够通过抑制mTOR磷酸化,升高LC3Ⅱ/LC3Ⅰ比值,促进Beclin-1蛋白表达,抑制p62蛋白表达,诱导VSMCs自噬,进而抑制高糖环境下细胞表型转化和细胞衰老[5,47]。
3.1.2中药 中医学认为,糖尿病属于“消渴”范畴,其动脉粥样硬化性大血管病在心脉则胸痹心痛,在脑血管则易发中风,在肢体末端严重者则发坏疽脱落。但不管病发何处,其关键病理因素为瘀血,关键病机为瘀血阻滞,或因气虚血瘀,或因阴虚血滞,或因阳虚血凝,或因痰湿血阻,治疗上当以活血化瘀为法,兼以益气、养阴、温阳、祛痰之法。在临床实践中,活血化瘀类中药(牡丹皮、银杏叶、红花等)常用于治疗动脉粥样硬化性疾病。研究发现,牡丹皮提取物丹皮酚能够激活VSMCs经典Ⅲ型PI3K/Beclin-1和AMPK/mTOR信号通路,上调动脉粥样硬化小鼠主动脉及ox-LDL诱导下的VSMCs自噬,进而抑制细胞增殖和凋亡,改善动脉粥样硬化进展[10,31]。银杏叶提取物则通过抑制mTOR信号通路维持主动脉自噬水平,并抑制内质网应激,进而改善糖尿病ApoE敲除小鼠的脂代谢异常和动脉粥样硬化[8]。此外,通过温阳散寒而达到活血作用的中药(如补骨脂、附子)也能够治疗链脲佐菌素诱导的糖尿病及其并发症。研究发现,补骨脂提取物甲基补骨脂黄酮能够通过抑制mTOR磷酸化,增加LC3和Beclin-1蛋白表达,诱导VSMCs自噬,从而抑制细胞钙化和细胞凋亡[48]。附子提取物附子多糖能够升高ox-LDL诱导下VSMCs的LC3Ⅱ/LC3Ⅰ比值,抑制p62蛋白表达,改善自噬,进而抑制ox-LDL导致的细胞钙化,而经典Ⅲ型PI3K抑制剂——3-甲基腺嘌呤能阻断此效应[32]。研究还发现,具有通阳豁痰功效的药对瓜蒌-薤白能够改善动脉粥样硬化小鼠血脂,促进主动脉VSMCs自噬,进而抑制动脉粥样硬化斑块形成[49]。以上研究表明,补骨脂、附子、瓜蒌-薤白能够促进VSMCs自噬,具有潜在的抗动脉粥样硬化的作用。
3.2下调VSMCs自噬而调控糖尿病动脉粥样硬化的药物
3.2.1西药 靶向下调VSMCs自噬是当前研发防治动脉粥样硬化新药的趋势。二甲双胍是临床用于治疗肥胖2型糖尿病的首选降糖药物,同时其还能够抑制VSMCs迁移,具有抗动脉粥样硬化的作用[50]。进一步研究发现,二甲双胍能够抑制高糖环境下的LC3蛋白表达和增加p62蛋白表达,进而抑制VSMCs自噬,并通过miR-142-3p/高迁移率族蛋白B1自噬途径抑制细胞增殖和迁移[25]。此外,二甲双胍还能通过抑制PI3K/Akt/mTOR信号通路,减少LC3和Beclin-1基因及蛋白表达而干扰自噬,进而抑制VSMCs增殖和凋亡,改善腹动脉瘤病理生理过程[51]。有文献报道,二甲双胍能够通过激活AMPK/mTOR信号通路,促进VSMCs自噬而抑制β-甘油磷酸酯诱导的血管钙化[52]。二甲双胍对VSMCs自噬产生不同的调控作用,可能与VSMCs基础自噬水平,mTOR上游的调控因子mTORC1与mTORC2之间的负反馈调控,以及不同信号通路(如PI3K/Akt/mTOR与AMPK/mTOR信号通路)之间的相互作用有关[53]。可见,二甲双胍对VSMCs自噬的抑制或促进作用是这些影响因素相互作用的共同结果,并取决于占主导的因素。
3.2.2中药 复方中药脑心通是由黄芪、丹参、赤芍等16味中药研制而成的中成药,具有益气活血、化瘀通络的功效。它能抑制ox-LDL诱导下的LC3和Beclin-1蛋白表达,减轻自噬进而抑制VSMCs增殖[54],具有抗动脉粥样硬化的作用。其中,具有活血化瘀功效的丹参是脑心通主要组成药物之一,是临床治疗糖尿病大血管病变的常用中药。进一步研究发现,丹参提取物丹参酮ⅡA能够通过调控促分裂原活化的蛋白激酶信号通路而下调自噬,从而抑制VSMCs增殖[55]。另一主要组成中药黄芪,具有益气而活血之功效,其提取物黄芪甲苷能够抑制ApoE敲除小鼠胸主动脉矿物化和自噬,提高VSMCs磷酸化ERK1/2和mTOR活性,改善动脉粥样硬化进展[12]。此外,吴门调脂颗粒由蒲黄、泽泻、姜黄等中药组成,功能主要为祛瘀通络,它能够抑制雷帕霉素诱导VSMCs LC3蛋白表达和减少自噬小体,进而促进生理状态下VSMCs LC3蛋白表达和自噬小体形成,具有潜在的抗动脉粥样硬化作用[56]。因此推测,部分活血化瘀类中药对VSMCs自噬有双向调节作用,这可能与VSMCs基础自噬水平密切相关。
4 小 结
VSMCs自噬功能的改变参与了动脉粥样硬化的病理进程。糖脂代谢紊乱借助对VSMCs自噬的调控作用促进了糖尿病动脉粥样硬化的发生发展。研究表明,高糖通过Akt/mTOR、AMPK/mTOR等信号通路调控VSMCs自噬,而脂质通过经典Ⅲ型PI3K/Beclin-1、PI3K/Akt、促分裂原活化的蛋白激酶激酶/ERK及CTBP1-AS2/miR-195-5p/ATG14等信号通路调控VSMCs自噬[5,17,22,31,35,40]。目前,靶向VSMCs自噬已成为研发防治动脉粥样硬化新药的重要趋势,其中活血化瘀类中药是研究的热点之一。然而,自噬是一把双刃剑,适当的自噬水平能够改善动脉粥样硬化,缺乏自噬或过度自噬则促进动脉粥样硬化发展。高糖是动脉粥样硬化的高危因素,但高糖对VSMCs自噬的调控作用是促进还是抑制尚需进一步明确。此外,目前尚缺乏糖尿病动脉粥样硬化有关VSMCs自噬的直接病理证据。进一步研究糖脂代谢紊乱对VSMCs自噬的调控机制将有助于发现防治糖尿病动脉粥样硬化的新作用靶标,加快相关药物研发。