脂联素在动物心血管疾病中的作用机制研究进展

魏诗音,李嘉鑫,姚泽龙,邢晓钰,刘 聪,孔燕明,栾新红,曹中赞

(沈阳农业大学动物科学与医学学院,辽宁沈阳 110161)

心血管疾病的类型有很多,主要包括心脏血管病变、心脏结构和功能病变以及传导系统方面的病变。脂联素(adiponectin,ADPN)是一种由脂肪组织分泌的细胞因子,是脂肪细胞合成并分泌到循环血液中的一种内源性生物活性多肽或蛋白质,脂联素可参与调节糖脂代谢、能量调节、免疫反应、抵抗炎症、氧化应激和细胞凋亡[1],在抗炎、抗凋亡、内皮保护、血管生成等方面具有重要作用[2]。研究发现,与正常体重犬相比,肥胖犬的血清脂联素浓度更低,且肥胖犬的动脉收缩压高于正常体重的犬,肥胖犬舒张末期左心室游离壁厚度和室间隔厚度的值更大[3]。这些发现侧面反映了犬的血浆脂联素水平与心血管功能相关。本文介绍脂联素在心血管疾病中的作用及机制研究进展。

1 脂联素的结构特征与功能

脂联素是由白色脂肪组织产生的一种含有224个氨基酸的蛋白质,其结构由单链三聚体组成,即与免疫补体C1q同源的可变N-末端结构域、胶原结构域和C-末端球状结构域。从分子水平来看,脂联素通过其胶原结构域以3种形式存在于血液循环中,即低分子量三聚体、中分子量六聚体和高分子量多聚体形式,每种形式都有特定的活性,它们会通过刺激不同的信号转导级联,从而介导脂联素的有益作用,发挥生理功能。研究发现,胰岛素抵抗、心血管疾病、肥胖和非酒精性脂肪肝的机体血清中脂联素的循环水平显著降低[4]。脂联素的生理功能在很大程度上与其多聚体形式有关,因此多聚体被认为是脂联素的主要活性形式。

不同形式的脂联素主要通过与其特定的脂联素受体结合发挥不同的生理学功能。2个主要受体为AdipoR1和AdipoR2。它们都是具有7个跨膜结构域的表面膜蛋白,但不与G蛋白耦联。这两种受体在组织中表达不同,AdipoR1是球状脂联素的高亲和力受体,也是骨骼肌中全长脂联素的低亲和力受体,广泛表达于滑膜成纤维细胞、内脏和心房细胞。而AdipoR2是两种形式脂联素的中等亲和力受体,主要在肝脏中表达,由于介导过氧化物酶体增殖物激活受体(PPAR-α)信号通路的活化,可使增加胰岛素敏感性的PPAR-α受体失活,2种受体都参与脂肪酸氧化。脂联素还有一种特殊受体T-钙黏蛋白,是脂联素六聚体和高分子量复合物的受体。T-钙黏蛋白通过其体外特异性结合高分子量脂联素亚型的能力被鉴定为脂联素受体[5]。有研究表明,在注射多聚体脂联素模拟纳米颗粒的小鼠骨骼肌细胞和内皮细胞中,AKT、PI3K和T-钙黏蛋白被显著激活[6],这一结果表明,T-钙黏蛋白在健康和病变的血管内皮和平滑肌中发挥作用。脂联素与其受体结合的作用与维持能量稳态、加速血管生成、抗炎反应、抗凋亡作用、抗高脂血症反应和间质纤维化的抑制作用有关[7]。

2 脂联素在心血管疾病中的作用及机制

2.1 脂联素对心脏能量代谢的影响

血管系统大多数血管不同程度被一种功能特殊的脂肪组织聚集体包围,称为血管周围脂肪组织。与一般脂肪库不同,血管周围脂肪组织位于小、中、大直径动脉的外膜附近,是调节心脏代谢稳态的关键内分泌/旁分泌器官。除了在血管支持方面的结构作用外,血管周围脂肪组织还密切参与心脏代谢疾病相关的血管稳态和血管功能障碍的调节[8]。许多调节因子包括脂肪因子、趋化因子、激素样因子和血管活性物质的分泌,包括脂联素、肿瘤坏死因子α、瘦素、纤溶酶原激活物抑制物-1和抵抗素,参与许多代谢和炎症等生物过程,在心血管系统中发挥着特殊作用[9]。心脏和血管都被脂肪组织包围。心外膜脂肪组织位于大冠状动脉沿线、心室表面和心尖,而血管周围脂肪组织则围绕着动脉。因此,心外膜和血管周围脂肪组织分泌的脂肪因子可以直接调节心脏和血管系统的功能。脂联素通过APPL1-AMPK级联反应对心脏产生有益作用,通过各种机制保护心脏。脂联素增加原代成年心肌细胞清道夫受体CD36易位、脂肪酸摄取及胰岛素敏感性,还增加基础和胰岛素刺激的葡萄糖摄取,并增加胰岛素磷酸化磷酸激酶B的能力[10]。脂联素刺激LKB1/AMPK信号传导,以增强脂肪酸摄取和氧化。脂联素还增加AdipoR1与APPL1的相互作用,随后APPL1与AMPK-α2结合导致乙酰辅酶A羧化酶磷酸化及其抑制,从而导致心脏组织氧化磷酸化增加。ADP355是一种基于脂联素的活性肽,ADP355通过激活Nrf2和Sirt2信号通路,在体内和体外显著抑制炎症反应、心脏纤维化、细胞凋亡和氧化应激,从而减轻心功能障碍[11],表明脂联素可能在治疗心功能不全方面具有潜在的治疗效用,有望成为心血管疾病诊断和治疗的新的治疗靶点和生物标记物。

2.2 脂联素在动脉粥样硬化性心脏病中的作用

低脂联素浓度与缺血性心脏病和冠状动脉粥样硬化性心脏病密切相关。脂联素还通过促进内皮祖细胞功能,增强血管损伤后的内皮修复。一旦内皮功能障碍发生,炎症开始,促炎细胞因子,如肿瘤坏死因子α和IL-8合成,从而导致黏附分子表达增加,包括血管细胞黏附分子、细胞间黏附分子和E-选择素,这些分子增加了单核细胞的黏附,是动脉粥样硬化的初始步骤。血清甘油三酯水平与多种代谢异常有关,这些代谢异常与心血管危险因素的发病机制相联系,脂联素能够降低血清甘油三酯的水平,有助于减少动脉粥样硬化性心脏病的发生。

此外,巨噬细胞形成泡沫细胞是动脉粥样硬化斑块形成的重要病理过程,但脂联素会阻止这一过程。脂联素还可以通过抑制酰基辅酶A胆固醇酰基转移酶的活性来减少胆固醇酯的形成,并通过增加巨噬细胞中ATP结合盒转运蛋白A1的表达来增强胆固醇流出[12],由此来抵抗动脉粥样硬化性心脏病的发生。

2.3 脂联素在心力衰竭中的作用

心力衰竭是指由不同疾病所引起的,心脏不能搏出足以供给机体代谢所需要的循环血量,无法将回流至心脏的血液全部泵出,失去正常供血机能的病理现象。有研究表明,神经激素及细胞因子在机体发生心力衰竭时,往往对心室重构产生不可忽视的影响,直接损伤心血管系统,并呈现毒害作用[13]。脂联素水平升高是心力衰竭死亡风险预后的独立危险因子,在有潜在心力衰竭的个体中[14],由于心肌拉伸,N-末端b型利钠肽(NT-proBNP)水平升高。脂联素水平的同时升高可能是一种补偿机制,以应对心血管疾病中AdipoR1下调引起的脂联素抵抗。NT-proBNP水平的升高也可能刺激循环脂联素水平的升高。输注NT-proBNP刺激脂联素的产生。因此,脂联素可能在利钠肽介导的心脏反应中发挥下游作用,以改善血管顺应性。脂联素在心衰患者能量代谢中发挥的作用可能在3个方面:①发生心力衰竭时,机体对能量的需求随之增加,这时机体通过内分泌或神经等多种途径升高其自身的脂联素水平,从而达到促进脂肪酸和糖的氧化作用,为机体提供更多的能量;②心力衰竭会导致心脏前后负荷的增加,脂联素能够通过促进糖和脂肪酸的氧化及蛋白质的分解,促使机体体重下降,进而达到减轻心脏前后负荷的目的;③脑钠肽(brain natriuretic peptide,BNP)是心脏旁分泌激素中的一种特征性激素,其浓度的升高预示着神经激素的激活,并伴随着儿茶酚胺的升高而升高的现象。BNP与血清脂联素水平呈正相关的现象,说明神经内分泌因子被激活,刺激脂肪组织分泌脂联素,可能是血清脂联素水平升高的原因之一[15]。

2.4 脂联素在糖尿病心肌病中的作用

糖尿病心肌病的特征是慢性炎症、心脏纤维化、心脏不良重塑、舒张功能障碍、收缩功能障碍,最终导致临床心力衰竭。糖尿病心肌病的发病机制由多因素造成,1型和2型糖尿病的适应不良促炎或先天免疫反应受损是糖尿病心肌病最重要的诱因之一[16],线粒体功能障碍、氧化应激、晚期糖基化终末产物的形成和沉积增加、线粒体Ca2+处理和功能受损、炎症、肾素-血管紧张素-醛固酮系统和交感神经系统的激活、心脏自主神经病变、内质网应激、微血管功能障碍和心脏代谢紊乱也都参与了病理生理过程。糖尿病相关炎症反应导致促炎细胞因子的表达和激活增加,如肿瘤坏死因子α、白介素6(IL-6)和白介素1β(IL-1β)[17],这些细胞因子会导致心脏炎症、不良重塑和纤维化以及舒张功能障碍。糖尿病心肌病主要的病理改变包括心脏僵硬、心肌纤维化和肥大,伴有心脏舒张功能障碍,随后发展为收缩功能障碍和临床心力衰竭[18]。

有研究结果表明,干扰脂联素信号转导的糖尿病性心肌病的脂毒性病因与氧化应激,炎症和细胞凋亡有关。除了在改善全身胰岛素抵抗和氧化应激中的促代谢作用外,通过激活心肌中AdipoR1和AdipoR2表达的靶器官特异性作用,而不依赖于脂联素的全身作用。脂联素通过pAMPK-FoxO1-Akt-PP2A信号传导增加AdipoR1和AdipoR2的表达,并增加酸性神经酰胺酶活性介导的细胞S1P-神经酰胺变阻器(细胞健康的关键调节因子),以及激活心脏中涉及pAMPK-PPARα/PGC-1α的主要下游信号传导途径[19]。这些发现表明脂联素受体介导的神经酰胺酶活性是脂联素在心脏中引起促代谢作用的主要信号传导机制。

脂联素可促进心肌中自噬溶酶体的形成,脂联素缺乏可通过引起高脂饮食大鼠的自噬障碍而加重心肌肥大和收缩功能障碍。AMPK是脂联素信号通路和细胞能量传感器的重要下游信号蛋白,在心脏自噬的调节中发挥重要作用。AMPK激活可上调糖尿病小鼠心肌细胞的自噬活性,从而预防糖尿病性心肌病。利拉鲁肽可通过AMPK-mTOR信号通路促进心脏自噬,减少糖尿病心肌细胞损伤,其机制可能是AMPK促进Bcl-1与Bcl-2分离,并增强心脏自噬有关。

2.5 脂联素在高脂血症中的作用

高脂血症是脂质代谢异常的全身表现,其特征是循环中胆固醇和甘油三酯水平升高,心血管疾病发生风险高。高脂血症是一种过量的血脂和脂蛋白堆积的结果,包括总胆固醇、甘油三酯、乳糜微粒、低密度脂蛋白胆固醇和极低密度脂蛋白胆固醇。脂联素的受体AdipoR1与抑制糖异生的AMPK通路的激活有更紧密的联系。相反,AdipoR2与促进能量代谢的PPAR-α通路的激活以及对炎症和氧化应激的抑制更密切相关。AdipoR1和AdipoR2被激活后,导致脂肪酸氧化提高、葡萄糖摄取增多、乳酸盐产生增多、组织甘油三酯含量降低、胰岛素敏感性增加并抑制心血管疾病代谢危险因子,比如炎症和氧化应激。同样,缺乏或受损的AdipoR1和AdipoR2则会导致代谢功能障碍和血运重建减弱。

有研究表明,血管内皮细胞能够调节许多生理过程,包括血管张力和血管壁与循环物质和血细胞的相互作用。在生理条件下,血管稳定由内皮源性舒张和收缩因子的平衡维持。炎症是血管生成的重要触发因素,可能促进促血管生成因子的分泌以及内皮细胞的增殖[20]。高脂血症往往会增加动脉中的脂质积聚,导致血管阻塞,从而导致血管内皮损伤,最终导致心血管疾病[21]。高脂血症早期时,脂联素的含量明显升高,并且在高脂血浆中ApoA1及ApoC1能够与脂联素结合,可显著抑制其生物活性,这是导致高脂血症早期脂联素丧失血管保护作用,进而导致内皮功能紊乱的重要因素,进一步引发心血管并发症的发生。

2.6 脂联素在高血压中的作用

高血压是最常见的一种心血管疾病。高血压与慢性肾衰竭、动脉瘤以及脑和心血管事件的风险增加密切相关。据报道,脂联素在血压调节中的作用是通过肥胖或胰岛素抵抗介导[22],由于脂联素基因的基因组序列是多态性的,因此在高血压易感性中发现了许多遗传变异[23]。当高血压合并左心室肥大时,血浆脂联素与左心室肥大呈负相关。心脏结合脂联素与心肌细胞肥大、左室壁厚度呈负相关,部分与心肌纤维化呈负相关,即左心室肥厚的情况有所逆转时,血浆脂联素的水平会逐渐升高。

动物研究的数据表明,低脂联素水平是高血压发展的预测因素,与对照小鼠相比,肥胖小鼠的脂联素水平较低,血压较高,补充脂联素可降低血压,而临床试验报告的脂联素抗高血压作用结果与其不尽一致。脂联素通过中枢和外周机制降低血压。脑室内注射脂联素降低了脂联素基因敲除小鼠的肾交感神经系统活性和血压。然而,这种影响不能持续。因此,脂联素的降压作用部分地被认为是自主神经活动的改变。脂联素对血压的长期作用主要依赖于改善血管内皮功能。另外,多数高血压患者会出现心脏左心室肥厚的病理现象,这是心脏由于血压升高所引起的血流动力学改变及代谢需要增强所产生的结构性代偿现象。

3 脂联素在心血管疾病防治中的应用与展望

脂联素在心血管疾病的病理生理学中具有多种有益作用,用外源性脂联素可能是提高血浆中脂联素水平并发挥其有益作用的潜在治疗策略,包括药物和脂联素激动剂等。在猪模型中,单次冠状动脉内注射重组脂联素,通过其减少炎症、氧化应激和细胞凋亡的生物学作用,可有效保护心肌缺血/再灌注损伤。提高循环脂联素水平的有效药物包括PPAR-α激动剂噻唑啉二酮、肾素-血管紧张素系统抑制剂以及他汀类药物,但它们的作用仍在争论中。尽管直接使用外源性脂联素成功地改善了动物的心血管疾病,但由于所需的高循环水平,以及其多聚体构象和较短的半衰期,这种效果在人类临床中变得难以实现。因此,通过增加内源性脂联素调控能量代谢是更可行的方式,如生活方式的改变、饮食习惯的改变、运动等,均可增加血浆脂联素水平[24]。健康饮食可以提高脂联素水平,地中海饮食是一种流行的健康饮食,含有高水平的全谷物、低碳水化合物、纤维、不饱和脂肪、蔬菜和水果,均衡食用乳制品和鱼类,减少红肉、糖果和饱和脂肪酸的摄入。采用地中海饮食法的人体内脂联素水平增加[10]。在营养方面,摄入大量不饱和脂肪酸的饮食能够增加脂联素水平,因为不饱和脂肪酸可通过过氧化物酶体增殖物激活受体γ激活刺激脂联素的释放。花生烯酸和二十二碳六烯酸激活PPAR-γ途径,该途径刺激脂肪细胞中脂联素mRNA的表达。对于脂联素不同的浓度、机制和功能之间的复杂关系还需要更深入的研究,阐明脂联素的抗炎、抗氧化等作用与动物心血管疾病的相关性不但具有深刻的理论意义,还具有深远的实践意义。