血管平滑肌细胞糖代谢在血管钙化中的作用新进展

2021-12-06王小东刘乃丰

江苏大学学报（医学版） 2021年3期

王小东 , 刘乃丰, 2

(1. 东南大学医学院，江苏南京210009； 2. 东南大学附属中大医院心内科，江苏南京210009)

血管平滑肌细胞(vascular smooth muscle cells, VSMCs)是动脉中膜的主要组成部分，对于维持血管系统的生理功能起着关键作用。完全分化或成熟的VSMCs表现出“收缩”表型。新的证据表明，VSMCs的代谢与表型转换及多种血管疾病的进展相关。血管钙化作为一种全身性疾病，与全因死亡率显著相关[1-2]。近年来钙化被认为是一个活跃、主动的过程，在某些钙化危险因素的驱动下，VSMCs由“收缩型”转分化为“成骨型”。VSMCs的代谢包括糖代谢、脂肪代谢及氨基酸代谢。其中以糖代谢的异常与血管钙化关系最为密切。本文综述了近年来VSMCs糖代谢在血管钙化中的作用。

1 血管钙化

血管钙化是由病理性矿物质在血管系统的沉积引起的[3]。根据矿物质沉积的部位不同，血管钙化可分为内膜钙化、中膜钙化和瓣膜钙化。内膜钙化与动脉粥样硬化斑块有关，是脂质聚积、巨噬细胞侵袭、VSMCs增殖和细胞外基质蛋白功能障碍的结果，是动脉慢性炎症反应的结果。在动脉粥样硬化的新生内膜中，钙化是以微钙化(<5 μm)开始的，高危斑块中可以观察到此类钙化。此类钙化主要由脂质核心细胞凋亡、坏死引起。大钙化(>5 μm)导致动脉粥样硬化斑块逐渐稳定，钙化进展的过程与VSMCs的凋亡及释放的基质小泡相关[4]。中膜钙化与衰老、糖尿病、高血压、骨质疏松和慢性肾脏病(chronic kidney disease, CKD)有关。中膜钙化在没有血管狭窄的情况下也可能发生。血管壁的中层由VSMCs和富含弹性蛋白的细胞外基质组成。在中膜钙化过程中，VSMCs向成骨样细胞分化的过程类似于骨形成，与骨形态发生蛋白2、RUNT相关转录因子2(RUNX-family transcription factor 2，RUNX2)和碱性磷酸酶等基因有关。钙化性瓣膜疾病的主要原因是年龄相关的退化[5]。瓣膜钙化主要与间质细胞的成骨分化相关。

可见VSMCs在血管内膜和中膜钙化中都起到了重要作用，本文主要讨论VSMCs的糖代谢在血管钙化中的作用机制。

2 VSMCs的主要糖代谢方式

糖代谢包括合成代谢和分解代谢。血管钙化主要与葡萄糖分解代谢相关。葡萄糖分解代谢的途径主要包括葡萄糖的有氧氧化、无氧酵解和磷酸戊糖途径。近来研究表明[6]，对人类冠状动脉平滑肌细胞行线粒体和糖酵解应激试验，利用海马技术发现，线粒体氧化磷酸化占静止三磷酸腺苷(adenosine triphosphate, ATP)产生的54.5%，其余45.5%是由糖酵解产生的。甚至有研究结果显示在人主动脉平滑肌细胞中29.89%的ATP来自线粒体氧化磷酸化，而70.11%的ATP由糖酵解产生[7]。因此VSMCs的特点是糖代谢中有氧糖酵解比例较高。即使在富氧的条件下，VSMCs更倾向于通过糖酵解产生能量。VSMCs中乳酸的产生与摩尔耗氧量相当或更高，VSMCs 90%以上的葡萄糖利用可能来自糖酵解。有两个假说试图解释为什么VSMCs依赖于糖酵解(每分子葡萄糖产生2 mol ATP)而不是线粒体葡萄糖氧化(每分子葡萄糖产生36 mol ATP)。首先，糖酵解和葡萄糖氧化产生的ATP为不同过程提供能量，氧化代谢与平滑肌细胞等长收缩密切相关，而糖酵解与钠钾转运过程相关。其次，糖酵解可提供L-乳酸，L-乳酸是增强线粒体储备能力的底物。线粒体储备能力指线粒体最大呼吸能力和基础呼吸能力之间的差异。当能量供不应求时，通过储备能力获得能量是一种有效的能量供应方式，从而避免了“ATP危机”，并与延长细胞存活时间有关。有氧糖酵解产生的葡萄糖代谢速率更高，葡萄糖产生乳酸的速度比线粒体中葡萄糖完全氧化的速度快10～100倍[8]。当ATP需求增加时，有氧糖酵解被迅速刺激[9]。

3 VSMCs糖代谢在血管钙化中的作用

3.1 糖酵解与血管钙化

乳酸作为VSMCs有氧糖酵解的主要产物，在血管钙化的发生发展中起着重要作用。丙酮酸脱氢酶激酶4(pyruvate dehydrogenase kinase 4，PDK4) 是调节丙酮酸脱氢酶复合物活性的关键酶，在丙酮酸氧化和体内葡萄糖平衡的维持中发挥重要作用。研究表明[10-11]，在β-甘油磷酸诱导钙化的VSMCs中PDK4表达升高，糖酵解相关基因葡萄糖转运蛋白1(glucose transporter 1 ,GLUT1),丙酮酸激酶M2,乳酸脱氢酶A和单羧酸转运蛋白4表达均升高，乳酸生成增加。利用shRNA敲除PDK4后上述基因表达均下降，乳酸生成减少，并伴随钙化减轻。这些结果表明PDK4部分通过代谢重编程参与了血管钙化。

在促进钙化过程中[12]，维生素D可刺激VSMCs骨钙素的产生。骨钙素稳定缺氧诱导因子1α(hypoxia inducible factor 1α, HIF-1α)，导致葡萄糖摄取率增加。在细胞内，骨钙素通过稳定HIF-1α，增加关键酶磷酸果糖激酶和PDK1的表达，关闭线粒体氧化磷酸化，刺激葡萄糖进入糖酵解途径，乳酸生成增加。并且伴随糖酵解的增加，骨钙素抑制关键的糖异生酶、葡萄糖-6-磷酸酶和磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶的表达。

蛋白组学研究表明[13]，糖酵解途径参与了钙化胸主动脉瘤的炎症反应。在VSMCs增殖相关的疾病中[14-15]，VSMCs 的GLUT1水平升高，糖酵解/葡萄糖氧化比率增加。氧化磷酸化减少、有氧糖酵解增加的部分机制是因为线粒体受损所致[16-17]。

但Alesutan等[7]研究结果与前述有差异，在VSMCs中，β-甘油磷酸增加了基础呼吸、线粒体ATP的产生。与对照组相比，β-甘油磷酸处理的人主动脉平滑肌细胞糖酵解和乳酸水平没有明显的增加，但糖酵解储备能力增加。β-甘油磷酸改变了VSMCs线粒体功能和细胞生物能量代谢的关键参数，并且β-甘油磷酸对VSMCs生物能谱的影响可能与表型转分化相关。这与前面的研究不一致，因此糖酵解在血管钙化中的作用仍需进一步深入研究。

3.2 线粒体呼吸与血管钙化

线粒体的呼吸作用包括以下几个方面：① 氧化磷酸化产生ATP；② 三羧酸循环代谢产物用于各种大分子生物合成；③ 释放活性氧和代谢物来调节细胞的功能。线粒体的呼吸作用可以为VSMCs的等长收缩提供能量。线粒体的呼吸作用主要通过调节活性氧影响钙化的发生及进展。高氧的环境和高还原态的呼吸链使线粒体大量电子漏出并还原氧分子，从而形成活性氧。越来越多的证据表明，活性氧的产生增强了VSMCs向成骨细胞的转化[18]。

线粒体是活性氧的一个重要来源，烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase，NOX)和线粒体来源的活性氧与钙化有关。Agharazii等[19]发现在CKD大鼠主动脉中，Nox亚单位p22phox和p47phox的表达增加，抗氧化酶如超氧化物歧化酶1(superoxide dismutase1, SOD1)、SOD2、谷胱甘肽过氧化物酶1和过氧化物酶-1表达下降。这些活性氧产生和清除的改变导致活性氧内稳态失衡。磷酸盐是CKD中最相关的血管钙化诱导物，已被证明可以诱导线粒体膜电位降低、线粒体分裂为特征的功能障碍，减少ATP的产生，增加线粒体呼吸链活性氧的产生。当呼吸链抑制剂锰(Ⅲ) -四 (4-N-甲基吡啶基) 卟啉或SOD1、SOD2和解偶联蛋白2的过度表达抑制线粒体活性氧产生时，钙沉积和VSMCs从收缩型向成骨型转换减少[20-23]。研究表明[24]在磷酸盐诱导的钙化中，通过检测耗氧率反映线粒体呼吸相关功能，结果显示ATP相关呼吸、备用呼吸能力和最大呼吸均下降。

在缺氧条件下[25]，VSMCs增加HIF-1α及其靶基因GLUT1和血管内皮生长因子A的蛋白表达，活性氧生成增加，并诱导成骨标志物RUNX2、Sry相关高迁移率族盒蛋白9、骨钙素、碱性磷酸酶的mRNA和蛋白表达，诱导VSMCs向成骨细胞转化。

4 糖尿病与血管钙化

糖尿病作为最常见的糖代谢紊乱疾病，严重影响VSMCs的糖代谢，从而影响VSMCs的功能及表型转换，在血管钙化中起着重要作用。

在高糖和促炎细胞因子激活下，人主动脉平滑肌细胞高表达6-磷酸葡萄糖脱氢酶和NOX，磷酸戊糖途径活性增强。高糖也强烈影响大鼠肺动脉平滑肌细胞的糖酵解途径和磷酸戊糖途径, 活性氧生成也增强，最终导致血管细胞损伤。大鼠原代主动脉平滑肌细胞在高糖处理下细胞的增殖、黏附和迁移均显著增加[26-28]。

不仅高糖对VSMCs代谢的影响参与血管钙化，晚期糖基化终末产物(advanced glycation end pro-ducts, AGEs)对VSMCs的代谢影响也促进血管钙化的发生发展。我们课题组研究提示Nε-羧甲基赖氨酸(Nε-carboxymethyl-lysine，CML)通过PDK4依赖的途径加速VSMCs的糖酵解，促进了VSMCs钙化[29]。研究证实AGEs诱导VSMCs中Nox-1、Nox-4和p22phox的表达并增加活性氧的产生[30-31]。Nox-4和p22phox的沉默减弱了AGEs诱导的钙化，表明Nox-4在AGEs诱导的VSMCs 成骨转化中发挥致病作用。