红细胞在脂质代谢和动脉粥样硬化中的研究进展

耿超强 高奋

(1.山西医科大学,山西 太原 030001;2.山西医科大学第二医院心内科,山西 太原 030001)

动脉粥样硬化(atherosclerosis,AS)是心血管疾病(cardiovascular disease,CVD)发生的重要病因,而CVD是全球死亡的主要原因。AS始于内皮功能障碍,伴有低密度脂蛋白(low density lipoprotein,LDL)潴留并且在内膜中被氧化形成氧化型低密度脂蛋白。平滑肌细胞和巨噬细胞吞噬大量的氧化型低密度脂蛋白后转变成泡沫细胞。泡沫细胞是AS形成的关键细胞[1]。脂质代谢在AS的形成和进展中起到重要作用。最近的研究表明,红细胞膜中携带大量游离胆固醇,是血浆脂质代谢的参与者,并且可参与胆固醇逆转运(reverse cholesterol transport,RCT)[2-4],对AS血脂代谢起到重要作用。现重点关注红细胞参与全身脂质代谢以及影响AS斑块的研究。

1 红细胞结构和生理功能

1.1 红细胞结构

红细胞是血液中最丰富的细胞类型。红细胞总数占全身血容量的45%,脂质占红细胞质量的40%。红细胞由大量的血红蛋白(hemoglobin,Hb)组成,Hb是由两个α链和两个β链组成的变构四聚体结构。血红素由一个Fe2+为中心的卟啉环组成,氧气与铁原子强烈结合。红细胞不能合成胆固醇,也无法参与胆固醇的酯化。但红细胞膜包含大量的游离胆固醇,含量是人体内任何其他细胞的1.5～2.0 倍,单个红细胞膜中胆固醇的体积估计为0.378 μm3[5]。红细胞膜胆固醇是影响红细胞膜流动性的主要因素。另外红细胞膜胆固醇的浓度与血浆脂蛋白的浓度基本相同,且可与脂蛋白发生胆固醇和磷脂转运[6]。

1.2 红细胞生理功能

红细胞的主要生理作用是与组织进行气体交换,运输O2及CO2。另外,红细胞参与体内酸碱平衡调节、止血和血栓形成,还具备重要的免疫调节功能。红细胞内存在谷胱甘肽、还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸、还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸等抗氧化剂,在生理条件下具备抗氧化作用。但当红细胞遭到破坏时会释放促氧化物质,参与氧化还原反应,并且破裂的红细胞还会释放损伤相关分子模式并参与炎症反应。红细胞内存在内皮型一氧化氮合酶,参与NO合成,NO能扩张血管、调节血流量,在心血管稳态中具有重要作用[7]。最新研究[2]发现,红细胞还可参与脂质代谢调节,与AS的形成和进展有重要关系。

2 红细胞与脂质代谢

2002年Arbustini等[8]从慢性血栓栓塞性肺动脉高压患者的斑块中发现了红细胞特异性糖蛋白染色呈强阳性,说明红细胞可能参与AS的形成。Delbosc等[9]在兔子主动脉AS模型中发现,红细胞可在AS的最早阶段进入动脉壁,并被平滑肌细胞吞噬。因此,红细胞可能全程参与AS的形成。在载脂蛋白(apolipoprotein,Apo)E/低密度脂蛋白受体(low-density lipoprotein receptor,LDLR)基因敲除的小鼠AS模型中分离红细胞膜发现,随着AS过程的形成,主要生化变化是脂质含量的变化、胆固醇酯和酯化脂质的增加,蛋白质含量保持不变。膜脂质变化是红细胞与血浆交换的结果[10]。目前关于红细胞膜和脂蛋白之间胆固醇和磷脂交换的机制尚不清楚,可能与鞘磷脂、卵磷脂的含量以及卵磷脂-胆固醇酰基转移酶的活性有关[11]。

2.1 高密度脂蛋白

高密度脂蛋白(high density lipoprotein,HDL)促进胆固醇从周围细胞(包括巨噬细胞和泡沫细胞)流出,启动RCT,增强胆固醇流出。最新研究发现红细胞也可参与RCT。Hung等[3]在小鼠模型中用[3H]标记胆固醇并注射体内,追踪[3H]胆固醇放射性进入血浆、肝脏和粪便,发现与ApoA1转基因小鼠相比,贫血ApoA1-/-小鼠将粪便的RCT降低了35%以上。并且在ApoA1-/-小鼠的血浆和红细胞间隙中发现了[3H]胆固醇,然后用[3H]胆固醇标记小鼠的红细胞,将其注入ApoA1-/-小鼠体内,发现[3H]胆固醇在红细胞、血浆、肝脏和粪便中的含量分别为4.5%、1.3%、21.5%和32.0%。以上说明红细胞胆固醇是动态的,在低水平HDL条件下,红细胞可促进外周胆固醇到粪便的RCT。Lai等[4]在研究中发现红细胞显著增加了泡沫细胞中流出的胆固醇的净含量(5%～10%),并且胆固醇流出呈剂量依赖性。在一项临床研究[12]中发现,在红细胞水平较高与HDL水平较低的患者中,冠心病的患病率和严重程度降低,说明较高水平的红细胞可在低水平HDL的情况下对冠状动脉起到保护作用。因此,较高水平的红细胞可能在不依赖HDL的条件下参与RCT,延缓AS进展。

ATP结合盒蛋白(ATP-binding cassette protein,ABC)A1和ABCG1是AS斑块中RCT初始步骤的关键受体,介导泡沫细胞胆固醇流出。ABCA1和ABCG1增强的胆固醇流出可防止AS进展[4]。目前在红细胞中未发现LDLR、ABCG1或B类Ⅰ型清道夫受体,但发现了大量的ABCA1 mRNA和蛋白质,使用ABCA1抑制剂钒酸盐不能抑制胆固醇外流,这表明尽管ABCA1存在于红细胞中,但它可能不会导致胆固醇流向ApoA1,ABCA1可能并不参与红细胞RCT[13]。

2.2 LDL

在一项实验中,将红细胞与自体血浆孵育,发现了胆固醇从LDL到红细胞的转移和胆固醇从红细胞到HDL的转移。说明红细胞可从LDL中摄取胆固醇,并可将胆固醇转移给HDL[2]。目前发现LDL可促进表达ABCG1的肾细胞的胆固醇外流[14]。在小鼠中,LDL可诱导巨噬细胞未酯化胆固醇外流,并且可能通过ABCG1依赖性途径发生[15]。因此,LDL颗粒可作为细胞来源的非酯化胆固醇的有效中间受体,从而防止HDL颗粒的饱和并促进其胆固醇外流。然而红细胞携带大量非酯化胆固醇,LDL能否促进红细胞膜胆固醇外流,目前尚无研究证实。

2.3 Apo

ApoA1是HDL的主要成分,与不同的受体和转运蛋白相互作用,包括ABCA1、卵磷脂-胆固醇酰基转移酶和B类Ⅰ型清道夫受体,并在RCT中起重要作用[16]。红细胞可和ApoA1单向发生胆固醇转移,参与RCT[4]。

ApoB是所有致AS的脂蛋白都携带,且可作为结构蛋白。血浆ApoB浓度升高已被确定为CVD的强预测因子。红细胞可和ApoB结合,减少这些脂蛋白与内皮细胞的相互作用,从而减少AS的形成与进展[17]。目前发现低水平的红细胞导致与ApoB结合减少,引起ApoB浓度升高,增加CVD的发病率和死亡率,尤其是在既往发生过CVD的患者中[18]。

ApoM介导红细胞鞘氨醇-1-磷酸(sphingosine-1-phosphate,S1P)流出。红细胞是血浆S1P的主要来源。S1P是一种细胞内信号分子,具有调节淋巴细胞循环、维持血管完整性以及促进新生血管生成等作用。在辐照LDLR-/-缺乏鞘氨醇激酶2的小鼠中,发现红细胞、血浆、HDL中的S1P浓度升高1.5～2.0倍,并且发现AS斑块减少50%[19]。因此,S1P还具有抗AS作用。ApoM主要与HDL颗粒有关,约5%的HDL颗粒含有一个ApoM分子。超过50%的S1P与HDL结合,约40%与白蛋白结合[20]。HDL促进了红细胞中S1P的输出,并且当HDL颗粒中存在ApoM时,HDL进一步增强S1P的输出,且ApoM可作为游离重组蛋白不与HDL结合,可有效地促进S1P的输出,ABCC1转运蛋白可能参与S1P从红细胞向ApoM的输出[21]。

ApoC3是脂质代谢中的重要分子,与高脂血症和发生CVD的风险增加密切相关。ApoC3通过上调肿瘤坏死因子-α和连接黏附分子-1的表达,引起内皮细胞炎症。肿瘤坏死因子-α浓度的增加导致活性氧和连接黏附分子-1增加,破坏细胞间的紧密连接[22]。细胞间的紧密连接调节血管内皮通透性,破坏后导致内皮屏障发生渗漏,导致血液中的红细胞趋化和渗出,从而导致AS进展。在ApoC3敲除兔模型中发现,ApoC3缺乏减轻了高脂血症,减少AS斑块的形成[23]。因此,ApoC3可作为一个新的降脂靶点。

3 红细胞通过脂质调节影响AS的机制

3.1 红细胞参与AS斑块脂质的蓄积

AS核心中胆固醇为酯化胆固醇,但目前研究发现在坏死核心内,游离胆固醇约占斑块总脂质的25%。游离胆固醇在AS进展中具有重大作用。尽管凋亡的巨噬细胞可能是游离胆固醇的来源,但有研究[24]发现晚期斑块坏死核心内的游离胆固醇含量更多来源于红细胞。Tziakas等[25]发现急性冠脉综合征患者的红细胞膜胆固醇含量(cholesterol content of erythrocyte membranes,CEM)升高。而Namazi等[26]发现CEM水平与稳定性冠状动脉疾病的严重程度呈正相关。Zhong等[27]发现CEM水平与冠状动脉粥样硬化的严重程度呈正相关,并且口服瑞舒伐他汀片6个月可降低冠心病患者的CEM水平,并可能有效地帮助减轻冠心病的进展。因此,CEM可能是冠心病的独立危险因素,在AS斑块的进展和不稳定性中起重要作用,但需更多的临床研究证实。

3.2 红细胞参与AS斑块炎症反应

红细胞在坏死核心的促炎症和氧化环境的条件下会迅速破裂,释放胆固醇和损伤相关分子模式,包括:血红素、热激蛋白70、腺苷二磷酸和白细胞介素(interleukin,IL)-33 等,这些物质会更进一步促进坏死核心的炎症反应及氧化还原反应。红细胞破裂释放出游离胆固醇,游离胆固醇的积累可导致胆固醇在血管壁中结晶。胆固醇晶体可诱导核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3炎性小体活化和IL-1β的产生[28],IL-1β是一种可强力促进AS的细胞因子。

红细胞破裂释放出Hb,触珠蛋白是一种血浆蛋白。触珠蛋白可结合血浆中游离的Hb,Hb-触珠蛋白复合物的形成降低了血红素/Hb的氧化能力,并促进巨噬细胞清除受体CD163的识别,促进了血红素的分解[29]。尽管血浆中触珠蛋白含量丰富(0.41～1.65 mg/mL),但血浆中触珠蛋白的含量允许Hb的清除量为3 g,一旦触珠蛋白/CD163系统的容量不堪重负,游离Hb就会积聚在血浆中[30]。游离Hb或血红素是有效的局部或全身NO螯合剂,可增强组织内平滑肌收缩和动脉血管痉挛。循环NO的耗竭会升高血压,增加心肌梗死后心室重塑的严重程度[31]。在AS复杂的病变过程中,Hb被氧化成高铁血红蛋白,高铁血红蛋白是一种强有力的促炎症刺激物,通过激活PI3K/HIF-1α/VEGF通路促进巨噬细胞向炎症变型转换,并分泌IL-1β和肿瘤坏死因子-α[32]。

血红素诱导Toll样受体4(Toll-like receptor 4,TLR4)通路,TLR4能激活核因子-κB(nuclear factor-κB,NF-κB),促进炎症反应。TLR4通过过氧化物酶体增殖物激活受体/肝X受体α通路下调ABCG1的表达,导致血管平滑肌细胞的炎症和脂质蓄积。NF-κB通路的激活在炎症反应中起重要作用,是AS发病机制中炎症和细胞死亡的关键调节因子。触发TLR4/NF-κB信号的激活和下游炎症反应,促进斑块的生长和不稳定[33]。游离血红素和高铁血红蛋白诱导内皮细胞活化以及NF-κB活化,导致活性氧产生增多、黏附分子和促炎细胞因子表达增加,诱导中性粒细胞和巨噬细胞浸润,诱导巨噬细胞中活性氧产生、核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3活化和促炎细胞因子产生[32]。血红素促进铁死亡。无序的细胞内铁会对巨噬细胞、血管平滑肌细胞和血管内皮细胞造成损害,并影响AS病变中的脂质过氧化、氧化应激、炎症和血脂异常等[34]。

红细胞破裂还会释放热激蛋白70,目前发现热激蛋白70通过JNK/Elk-1途径抑制ABCA1和ABCG1的表达,促进ApoE-/-小鼠AS的进展[35]。

3.3 红细胞参与AS斑块氧化还原反应

在冠心病患者中发现,红细胞结构和抗氧化系统存在紊乱。过氧化氢酶和超氧化物歧化酶活性的明显降低导致抗氧化系统的紊乱。冠心病对红细胞的负面影响表现为脂质过氧化增加以及膜流动性减少。此外,红细胞破裂释放出胆固醇,形成的胆固醇晶体可通过还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸和黄嘌呤氧化酶产生活性氧,激活布鲁顿酪氨酸激酶,导致斑块内脂质氧化加剧。胆固醇晶体以布鲁顿酪氨酸激酶依赖的方式诱导p300酪氨酸磷酸化和活化,p300导致信号转导与转录激活子1乙酰化,并且与过氧化物酶体增殖物激活受体的相互作用诱导CD36表达,从而促进泡沫细胞形成[36]。

3.4 红细胞和斑块内出血

斑块内出血促进AS进展,红细胞可能有助于这一过程。将红细胞膜注射到高胆固醇血症ApoE-/-小鼠中,溶解的红细胞膜促进血管平滑肌细胞分化和矿化,增加了碱性磷酸酶活性及成骨细胞特异性转录因子和分化标记物(骨桥蛋白及骨钙素)的表达,从而导致血管壁或瓣膜的钙化[37]。红细胞可能在晚期AS血管钙化中起重要作用,可能是由内皮型一氧化氮合酶产生和释放NO所调节[37-38]。

4 总结与展望

红细胞含有大量的游离胆固醇,是血浆脂质代谢的参与者,并且参与RCT过程,增加胆固醇流出,还可与ApoB结合,减少致AS的脂蛋白和内皮结合,并且释放S1P,发挥抗AS作用。另一方面,红细胞破裂可释放出胆固醇和损伤相关分子模式,扩大坏死核心的炎症及氧化还原反应范围,促进AS的形成和进展。因此,红细胞是血浆血脂代谢的参与者,对AS的形成和进展既可发生抑制作用,又可促进AS,具体哪方面占主导地位,目前尚不清楚。关于红细胞和血浆脂蛋白之间胆固醇转运的动力学和机制目前尚未完全阐明,还需继续研究。