微量元素参与主动脉疾病发病机制的研究进展

2022-02-22邢凯王志维

实用心脑肺血管病杂志 2022年2期

邢凯，王志维

人体中含量低于体质量0.01%的元素被称为微量元素，世界卫生组织推荐了14种人体必需微量元素，包括铁、铜、锌、硒、碘、锰、钴、钼、铬、镍、钒、氟、硅、锡，其在生理生化过程中发挥着不可替代的作用，如能够作为生物酶的辅酶或辅基调节多种生化反应，是合成部分维生素和激素的重要物质，是许多功能蛋白质合成的必需原料［1-2］。此外，微量元素还参与维持免疫平衡［3］。主动脉瘤和主动脉夹层是心血管外科的常见主动脉疾病，其可威胁患者的生命安全，主要病理改变包括炎症、氧化应激和细胞外基质破坏等［4-6］。有基础研究证实，微量元素异常可能参与主动脉疾病的发生发展［7-10］。本文主要综述了微量元素参与主动脉疾病发病机制的研究进展，以期为明确主动脉疾病的发病机制提供一定帮助。

1 铁与主动脉疾病

1.1 主动脉疾病患者铁含量异常 EDVINSSON等［8］通过调查21例Stanford A型主动脉夹层患者发现，与对照组相比，其血清铁含量增加38%、动脉组织铁含量增加93%。KOKSAL等［11］研究发现，40例腹主动脉瘤患者动脉壁组织中也存在铁过载情况。SAWADA等［12］对19例腹主动脉瘤患者主动脉活检组织进行普鲁士蓝染色，结果显示，主动脉活检组织出现明显的铁沉积，并在组织匀浆中检测到更高含量的铁。MARTINEZ-PINNA等［13］在普鲁士蓝染色的动脉组织标本中同样观察到铁含量增加，但其在检测血清样本时发现，腹主动脉瘤患者血液循环中铁含量明显低于对照组，与EDVINSSON等［8］研究结果相反。LI等［7］研究结果显示，200例主动脉瘤或主动脉夹层患者血清Fe3+含量低于对照组，并呈现出贮存铁耗竭的情况，与MARTINEZ-PINNA等［13］研究结果相似。但LI等［7］进一步对主动脉瘤或主动脉夹层患者主动脉组织进行普鲁士蓝染色，结果发现患者动脉壁铁含量低于正常组织。上述研究表明，主动脉疾病患者存在铁含量异常情况，但主动脉壁中铁含量是否异常尚未明确，仍需要更多大样本量的研究进一步证实。

此外，铁含量异常是否影响主动脉疾病患者预后也存在争议。MARTINEZ-PINNA等［13］研究发现，腹主动脉瘤患者较动脉闭塞症患者更易发生贫血，而发生贫血的腹主动脉瘤患者较未发生贫血的腹主动脉瘤患者死亡风险更高。LI等［7］研究表明，贮存铁耗竭是主动脉内膜变性的独立危险因素。但MOXON等［14］分析了293例腹主动脉瘤患者的危险因素后发现，可反映血清铁贮存状态的指标——铁蛋白浓度与腹主动脉瘤患者主动脉直径及主动脉瘤增长无相关性。因此，铁含量对主动脉疾病患者预后的影响仍需要大样本量研究进一步证实。

1.2 铁含量异常参与主动脉疾病的发病机制铁不仅在血红蛋白合成和多种酶功能中发挥着至关重要的作用，且铁过载可通过芬顿/哈伯-韦斯反应而产生过氧化物，进而毒害细胞［15］。因此，主动脉壁中铁过载造成氧化损伤可能是动脉壁组织损伤的重要机制之一。KOKSAL等［11］通过检测脂质氧化损伤标志物硫代巴比妥酸反应产物（thiobarbituric acid reactive substances，TBARS）发现，腹主动脉瘤患者较动脉闭塞症患者TBARS水平更高，提示铁过载可造成主动脉壁组织脂质氧化损伤。8-羟基脱氧鸟苷（8-hydroxy-2-deoxyguanosine，8-OHDG）是鸟嘌呤氧化损伤产物。SAWADA等［12］研究发现，腹主动脉瘤患者动脉壁组织中8-OHDG水平升高，而低铁饮食的血管紧张素Ⅱ诱导的腹主动脉瘤小鼠模型未检测到8-OHDG［16］，表明腹主动脉瘤可能通过铁过载而介导氧化损伤。

铁含量异常引起的炎症可能参与动脉损伤过程。在SAWADA等［12］构建的腹主动脉瘤小鼠模型中，炎性细胞浸润增加，单核细胞趋化蛋白1和白介素6（interleukin-6，IL-6）表达增加，而这些效应在低铁饮食的腹主动脉瘤小鼠模型中被抑制。研究表明，巨噬细胞与铁过载关系密切［17］。SAWADA等［12］研究表明，高铁饮食的小鼠可表达更多的巨噬细胞成熟标志物F4/80。巨噬细胞在调节铁稳态中发挥着重要作用，尤其是M1型巨噬细胞富含铁蛋白，其在组织内的聚集容易造成铁沉积［17-18］。因此，主动脉组织内铁增多可能是巨噬细胞聚集的结果。但也有研究指出，铁增多可以引起巨噬细胞增多并向M1型极化［18］，因此，在主动脉疾病中铁过载与巨噬细胞聚集的因果关系尚未明确。此外，SAWADA等［12］在腹主动脉瘤小鼠模型中检测到c-Jun氨基端蛋白激酶（c-Jun N-terminal protein kinase，JNK）及基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinase，MMP）-2、MMP-9表达增加。JNK通路是丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）通路的分支之一，其被炎症和氧化应激等因素激活后能引起一系列基因表达［19］。既往研究表明，MMP是JNK的下游通路之一，具有降解细胞外基质的作用［20］。上述研究表明，铁过载可能通过炎症和氧化应激而激活JNKMMP通路，进而破坏动脉壁组织，与SAWADA等［12］在动脉组织切片中观察到弹性蛋白降解和细胞外基质变薄相一致。

除铁过载对主动脉壁具有破坏作用外，铁缺乏也可以破坏动脉壁的正常结构。LI等［7］研究发现，在主动脉疾病患者和主动脉疾病小鼠模型组织切片中均发现动脉壁中弹性纤维萎缩、胶原沉积增加，并检测到f-肌动蛋白表达明显减少及肌球蛋白轻链磷酸化水平降低等情况。肌动蛋白和肌球蛋白与细胞骨架、平滑肌收缩功能有关，这就提示细胞骨架破坏和平滑肌功能失调可能是主动脉壁破坏的原因之一。

2 锌与主动脉疾病

2.1 主动脉疾病患者锌缺乏有前瞻性临床试验发现，主动脉疾病患者存在锌缺乏情况。如SOCHA等［21］调查了108例主动脉瘤患者发现，胸主动脉瘤患者每克主动脉壁组织中锌含量为18.54 μg，低于对照组的29.90 μg；腹主动脉瘤患者每克组织中锌含量为12.90 μg，低于对照组的14.71 μg。PINCEMAIL等［22］和KURIANIUK等［23］研究也证实，主动脉瘤患者主动脉壁中亦存在锌缺乏情况。但KOKSAL等［11］分析40例腹主动脉瘤患者锌含量发现，动脉瘤组织和正常动脉壁组织中锌含量比较无统计学差异。CHEN等［10］进行的Meta分析结果支持主动脉瘤患者锌减少的结论，但考虑该Meta分析存在较高的统计学异质性和发表偏倚，所得结论仍需要高质量证据的支持。此外，CHEN等［10］研究还发现，动脉瘤患者血浆锌含量降低。但上述研究主要测量血浆及动脉壁组织中锌含量，很少分析维持锌稳态的关键指标——锌转运蛋白和金属硫蛋白的改变，故无法进一步分析锌的分布情况。

2.2 锌缺乏参与主动脉疾病的发病机制锌对氧化损伤具有保护作用［24-25］，因此锌缺乏会加重细胞的氧化损伤。研究表明，锌能增加谷胱甘肽过氧化物酶（glutathione peroxidase，GSH）和金属硫蛋白表达，其可以充当超氧化物歧化酶的辅助因子，从而利于清除活性氧，发挥抗氧化作用；此外，锌还可以结合脂质中的负电荷和肽链中的巯基，从而发挥保护作用［10，23-26］。因此，动脉瘤患者脂质氧化标志物TBARS［11］和鸟嘌呤氧化产物8-OHDG［12］升高可能不单纯是铁过载导致的结果，锌缺乏也可能参与其中。

锌缺乏导致的慢性炎症对主动脉结构的完整性具有破坏作用。YAN等［27］在动脉瘤大鼠模型动脉组织中检测到巨噬细胞和B细胞浸润增加，而这一情况在补锌后改善。核因子κB（nuclear factor-к B，NF-κB）通路是炎症反应的关键通路［28］，YAN等［27］研究发现，腹主动脉瘤大鼠模型动脉组织中NF-κB的p65亚基、磷酸化IκB激酶β（phosphorylated inhibitor kappa B kinaseβ，p-IKKβ）及磷酸化IκBα表达明显升高。p-IKKβ能够激活NF-κB及其下游通路，而IκBα是NK-κB的抑制因子，但磷酸化后就失去了抑制作用［28］，表明动脉瘤小鼠模型的NF-κB通路被激活；但补锌后，NF-κB通路的激活被抑制，提示在主动脉疾病中缺锌诱发的炎症反应可能是由NF-κB通路介导的。SAWADA等［12］实验结果表明，氧化损伤和炎症可能通过JNK-MMP通路分解弹性蛋白，破坏细胞外基质。WU等［29］研究表明，JNK通路与NF-κB通路具有部分相同的上游通路，故存在协同作用。YAN等［27］在锌缺乏大鼠模型中检测到MMP-2、MMP-9表达升高，而补锌能够降低MMP-2、MMP-9表达。因此，主动脉疾病患者MMP激活可能涉及JNK和NF-κB通路的协同作用。

3 铜与主动脉疾病

3.1 主动脉疾病患者铜含量目前，主动脉疾病患者铜含量是否改变尚存在争议。EDVINSSON等［8］在21例胸主动脉夹层患者中检测到血清和主动脉壁中铜含量均减少。ISKRA等［30］和PIORUŃSKA-STOLZMANN等［31］研究发现，与动脉闭塞症患者相比，动脉瘤患者血清和动脉壁组织中铜含量呈降低趋势。但SOCHA等［21］分别观察胸主动脉瘤和腹主动脉瘤患者铜含量发现，胸主动脉瘤患者主动脉壁组织中铜含量降低，但腹主动脉瘤患者主动脉壁组织中铜含量无明显改变。上述研究表明，主动脉疾病患者存在铜含量降低情况，但有其他研究结果正好相反。如KOKSAL等［11］研究发现，40例腹主动脉瘤与动脉闭塞症患者动脉壁中铜含量均升高。KURIANIUK等［23］研究将正常组织作为对照，同样发现27例腹主动脉瘤患者动脉壁中铜含量升高。此外，PINCEMAIL等［22］与DUBICK等［32］研究未发现主动脉疾病患者铜含量存在明显改变。CHEN等［10］进行的Meta分析结果显示，主动脉疾病患者与正常对照者血液循环和主动脉组织中铜含量无统计学差异，但该Meta分析纳入研究的样本量有限，且铜含量的检测方法不一致，故无法对主动脉疾病患者血液循环和主动脉组织中铜含量改变做出确切的判断。

3.2 铜含量异常参与主动脉疾病的发病机制与铁相似［15］，铜过载也能够通过芬顿/哈伯-韦斯反应而产生过氧化物，从而导致氧化损伤［33］。因此，动脉壁中铜过量与铁过量均可能同时加重组织氧化损伤，破坏动脉壁的完整性，该观点在KOKSAL等［11］构建的动脉瘤小鼠模型中得到证实，该实验发现动脉瘤小鼠模型脂质氧化标志物TBARS及铜、铁含量均升高。在动脉粥样硬化模型中，蛋白质氧化标志物——邻位酪氨酸被发现能在铜的诱导下升高［34］，也进一步说明铜过量的促氧化作用。

铜含量升高或降低均对动脉壁具有破坏性。铜缺乏能够抑制赖氨酰氧化酶（lysyl oxidase，LOX）的活性。LOX是一种铜依赖的胺氧化酶，负责催化胶原蛋白和弹性蛋白的交联，对维持主动脉壁的抗张强度和弹性非常重要，其过度激活会加速胶原沉积，从而导致动脉壁纤维化；相反，其抑制则会引起动脉壁弹性和抗张强度下降，从而导致动脉壁扩张［35］。OKUYAMA等［36］使用LOX抑制剂β-氨基丙腈处理小鼠后发现，小鼠主动脉明显扩张和增宽。STAICULESCU等［37］研究报道，LOX基因敲除的纯合子小鼠易罹患动脉瘤，且出现主动脉壁细胞紊乱情况。上述研究表明，铜缺乏可能通过抑制LOX活性而加重主动脉疾病。

LOX活性受到JNK通路和NF-κB通路的调节。YOSHIMURA等［38］研究发现，在血管平滑肌细胞中JNK通路可抑制LOX活性，故使用JNK抑制剂有助于腹主动脉瘤小鼠的恢复。ADAMOPOULOS等［39］研究则表明，炎症反应可能通过JNK通路和NK-κB通路而使血管内皮细胞表达更多的LOX，进而导致内皮细胞功能紊乱。SAWADA等［12］和YAN等［27］在小鼠模型中也观察到JNK通路和NK-κB通路的激活。因此，主动脉疾病中LOX功能紊乱可能受到多因素的影响，但铜含量降低在其中的具体作用尚有待进一步探究。

4 硒与主动脉疾病

硒是锌之外的另外一种具有重要抗氧化作用的微量元素。SOCHA等［9］研究报道，49例腹主动脉瘤患者血清硒含量低于对照组。WITKOWSKA等［40］研究发现，腹主动脉瘤患者血清硒含量下降，且血清硒含量与动脉瘤直径呈负相关，提示硒缺乏可能是主动脉疾病的危险因素。但EDVINSSON等［8］通过检测21例主动脉夹层患者硒含量发现，患者血清和主动脉壁组织中硒含量比较无统计学差异。此外，多项Meta分析结果表明，硒对冠心病等多种心血管疾病具有保护作用［41-42］。但就硒与主动脉疾病的关系而言，目前相关报道仍十分有限。

研究表明，硒参与多种氧化还原酶如GSH、硫氧还蛋白还原酶等含硒酶的构成，而这些含硒酶在清除细胞内活性氧的过程中发挥了关键作用［3，42］；长期硒摄入缺乏能有效降低GSH1活性和机体总抗氧化能力，并加重血管损伤［43］。因此，硒缺乏可能加重主动脉壁细胞的氧化损伤。SHARMA等［44］研究发现，在GPX1基因敲除小鼠中，JNK通路和NF-κB通路均被激活，推测缺硒还可能通过JNK通路和NF-κB通路而增加MMP-2、MMP-9表达，进而造成细胞外基质破坏［27］。此外，缺硒引起的活性氧增多还能够促进肿瘤坏死因子α表达、趋化单核细胞迁移、加重动脉组织的慢性炎症［3，43］。但硒与主动脉瘤或主动脉夹层的关系尚未在动物模型中开展。

5 小结与展望

综上所述，主动脉瘤和主动脉夹层患者存在微量元素紊乱，主要表现为铁和锌缺乏，而铜和硒的变化是复杂的，仍需要进一步研究。微量元素紊乱可能引起主动脉壁的炎症和氧化损伤，进而破坏动脉组织，微量元素参与主动脉疾病发病机制见图1（发病机制图使用Adobe Illustrator绘制，部分素材来自https://www.scidraw.io/）。但目前的研究仍存在一定局限性：（1）大部分研究纳入的样本量相对有限；（2）微量元素紊乱与主动脉疾病的因果关系尚不清楚；（3）血浆和主动脉壁中微量元素分布差异的机制很少涉及，虽然铁蛋白、转铁蛋白等调节铁的蛋白质已经得到临床学者的重视，但调节锌、铜转运和分布的蛋白质很少被研究；（4）主动脉疾病患者可能存在多种微量元素异常，故微量元素间的比值如铁/锌、锌/铜等可能较单一微量元素的变化更有价值；（5）目前，铁、锌、铜、硒之外的其他微量元素鲜有报道，其是否也参与主动脉疾病的发生、发展尚不明确。