血管平滑肌細(xì)胞糖代謝在血管鈣化中的作用新進(jìn)展

王小東 , 劉乃豐, 2

(1. 東南大學(xué)醫(yī)學(xué)院，江蘇 南京210009； 2. 東南大學(xué)附屬中大醫(yī)院心內(nèi)科，江蘇 南京210009)

血管平滑肌細(xì)胞(vascular smooth muscle cells, VSMCs)是動(dòng)脈中膜的主要組成部分，對(duì)于維持血管系統(tǒng)的生理功能起著關(guān)鍵作用。完全分化或成熟的VSMCs表現(xiàn)出“收縮”表型。新的證據(jù)表明，VSMCs的代謝與表型轉(zhuǎn)換及多種血管疾病的進(jìn)展相關(guān)。血管鈣化作為一種全身性疾病，與全因死亡率顯著相關(guān)[1-2]。近年來鈣化被認(rèn)為是一個(gè)活躍、主動(dòng)的過程，在某些鈣化危險(xiǎn)因素的驅(qū)動(dòng)下，VSMCs由“收縮型”轉(zhuǎn)分化為“成骨型”。VSMCs的代謝包括糖代謝、脂肪代謝及氨基酸代謝。其中以糖代謝的異常與血管鈣化關(guān)系最為密切。本文綜述了近年來VSMCs糖代謝在血管鈣化中的作用。

1 血管鈣化

血管鈣化是由病理性礦物質(zhì)在血管系統(tǒng)的沉積引起的[3]。根據(jù)礦物質(zhì)沉積的部位不同，血管鈣化可分為內(nèi)膜鈣化、中膜鈣化和瓣膜鈣化。內(nèi)膜鈣化與動(dòng)脈粥樣硬化斑塊有關(guān)，是脂質(zhì)聚積、巨噬細(xì)胞侵襲、VSMCs增殖和細(xì)胞外基質(zhì)蛋白功能障礙的結(jié)果，是動(dòng)脈慢性炎癥反應(yīng)的結(jié)果。在動(dòng)脈粥樣硬化的新生內(nèi)膜中，鈣化是以微鈣化(<5 μm)開始的，高危斑塊中可以觀察到此類鈣化。此類鈣化主要由脂質(zhì)核心細(xì)胞凋亡、壞死引起。 大鈣化(>5 μm)導(dǎo)致動(dòng)脈粥樣硬化斑塊逐漸穩(wěn)定，鈣化進(jìn)展的過程與VSMCs的凋亡及釋放的基質(zhì)小泡相關(guān)[4]。中膜鈣化與衰老、糖尿病、高血壓、骨質(zhì)疏松和慢性腎臟病(chronic kidney disease, CKD)有關(guān)。中膜鈣化在沒有血管狹窄的情況下也可能發(fā)生。血管壁的中層由VSMCs和富含彈性蛋白的細(xì)胞外基質(zhì)組成。在中膜鈣化過程中，VSMCs向成骨樣細(xì)胞分化的過程類似于骨形成，與骨形態(tài)發(fā)生蛋白2、RUNT相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2(RUNX-family transcription factor 2，RUNX2)和堿性磷酸酶等基因有關(guān)。鈣化性瓣膜疾病的主要原因是年齡相關(guān)的退化[5]。瓣膜鈣化主要與間質(zhì)細(xì)胞的成骨分化相關(guān)。

可見VSMCs在血管內(nèi)膜和中膜鈣化中都起到了重要作用，本文主要討論VSMCs的糖代謝在血管鈣化中的作用機(jī)制。

2 VSMCs的主要糖代謝方式

糖代謝包括合成代謝和分解代謝。血管鈣化主要與葡萄糖分解代謝相關(guān)。葡萄糖分解代謝的途徑主要包括葡萄糖的有氧氧化、無氧酵解和磷酸戊糖途徑。近來研究表明[6]，對(duì)人類冠狀動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞行線粒體和糖酵解應(yīng)激試驗(yàn)，利用海馬技術(shù)發(fā)現(xiàn)，線粒體氧化磷酸化占靜止三磷酸腺苷(adenosine triphosphate, ATP)產(chǎn)生的54.5%，其余45.5%是由糖酵解產(chǎn)生的。甚至有研究結(jié)果顯示在人主動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞中29.89%的ATP來自線粒體氧化磷酸化，而70.11%的ATP由糖酵解產(chǎn)生[7]。因此VSMCs的特點(diǎn)是糖代謝中有氧糖酵解比例較高。即使在富氧的條件下，VSMCs更傾向于通過糖酵解產(chǎn)生能量。VSMCs中乳酸的產(chǎn)生與摩爾耗氧量相當(dāng)或更高，VSMCs 90%以上的葡萄糖利用可能來自糖酵解。有兩個(gè)假說試圖解釋為什么VSMCs依賴于糖酵解(每分子葡萄糖產(chǎn)生2 mol ATP)而不是線粒體葡萄糖氧化(每分子葡萄糖產(chǎn)生36 mol ATP)。首先，糖酵解和葡萄糖氧化產(chǎn)生的ATP為不同過程提供能量，氧化代謝與平滑肌細(xì)胞等長(zhǎng)收縮密切相關(guān)，而糖酵解與鈉鉀轉(zhuǎn)運(yùn)過程相關(guān)。其次，糖酵解可提供L-乳酸，L-乳酸是增強(qiáng)線粒體儲(chǔ)備能力的底物。線粒體儲(chǔ)備能力指線粒體最大呼吸能力和基礎(chǔ)呼吸能力之間的差異。當(dāng)能量供不應(yīng)求時(shí)，通過儲(chǔ)備能力獲得能量是一種有效的能量供應(yīng)方式，從而避免了“ATP危機(jī)”，并與延長(zhǎng)細(xì)胞存活時(shí)間有關(guān)。有氧糖酵解產(chǎn)生的葡萄糖代謝速率更高，葡萄糖產(chǎn)生乳酸的速度比線粒體中葡萄糖完全氧化的速度快10～100倍[8]。當(dāng)ATP需求增加時(shí)，有氧糖酵解被迅速刺激[9]。

3 VSMCs糖代謝在血管鈣化中的作用

3.1 糖酵解與血管鈣化

乳酸作為VSMCs有氧糖酵解的主要產(chǎn)物，在血管鈣化的發(fā)生發(fā)展中起著重要作用。丙酮酸脫氫酶激酶4(pyruvate dehydrogenase kinase 4，PDK4) 是調(diào)節(jié)丙酮酸脫氫酶復(fù)合物活性的關(guān)鍵酶，在丙酮酸氧化和體內(nèi)葡萄糖平衡的維持中發(fā)揮重要作用。研究表明[10-11]，在β-甘油磷酸誘導(dǎo)鈣化的VSMCs中PDK4表達(dá)升高，糖酵解相關(guān)基因葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1(glucose transporter 1 ,GLUT1),丙酮酸激酶M2,乳酸脫氫酶A和單羧酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白4表達(dá)均升高，乳酸生成增加。利用shRNA敲除PDK4后上述基因表達(dá)均下降，乳酸生成減少，并伴隨鈣化減輕。這些結(jié)果表明PDK4部分通過代謝重編程參與了血管鈣化。

在促進(jìn)鈣化過程中[12]，維生素D可刺激VSMCs骨鈣素的產(chǎn)生。骨鈣素穩(wěn)定缺氧誘導(dǎo)因子1α(hypoxia inducible factor 1α, HIF-1α)，導(dǎo)致葡萄糖攝取率增加。在細(xì)胞內(nèi)，骨鈣素通過穩(wěn)定HIF-1α，增加關(guān)鍵酶磷酸果糖激酶和PDK1的表達(dá)，關(guān)閉線粒體氧化磷酸化，刺激葡萄糖進(jìn)入糖酵解途徑，乳酸生成增加。并且伴隨糖酵解的增加，骨鈣素抑制關(guān)鍵的糖異生酶、葡萄糖-6-磷酸酶和磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶的表達(dá)。

蛋白組學(xué)研究表明[13]，糖酵解途徑參與了鈣化胸主動(dòng)脈瘤的炎癥反應(yīng)。在VSMCs增殖相關(guān)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。氧化磷酸化減少、有氧糖酵解增加的部分機(jī)制是因?yàn)榫€粒體受損所致[16-17]。

但Alesutan等[7]研究結(jié)果與前述有差異，在VSMCs中，β-甘油磷酸增加了基礎(chǔ)呼吸、線粒體ATP的產(chǎn)生。與對(duì)照組相比，β-甘油磷酸處理的人主動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞糖酵解和乳酸水平?jīng)]有明顯的增加，但糖酵解儲(chǔ)備能力增加。β-甘油磷酸改變了VSMCs線粒體功能和細(xì)胞生物能量代謝的關(guān)鍵參數(shù)，并且β-甘油磷酸對(duì)VSMCs生物能譜的影響可能與表型轉(zhuǎn)分化相關(guān)。這與前面的研究不一致，因此糖酵解在血管鈣化中的作用仍需進(jìn)一步深入研究。

3.2 線粒體呼吸與血管鈣化

線粒體的呼吸作用包括以下幾個(gè)方面：① 氧化磷酸化產(chǎn)生ATP；② 三羧酸循環(huán)代謝產(chǎn)物用于各種大分子生物合成；③ 釋放活性氧和代謝物來調(diào)節(jié)細(xì)胞的功能。線粒體的呼吸作用可以為VSMCs的等長(zhǎng)收縮提供能量。線粒體的呼吸作用主要通過調(diào)節(jié)活性氧影響鈣化的發(fā)生及進(jìn)展。高氧的環(huán)境和高還原態(tài)的呼吸鏈?zhǔn)咕€粒體大量電子漏出并還原氧分子，從而形成活性氧。越來越多的證據(jù)表明，活性氧的產(chǎn)生增強(qiáng)了VSMCs向成骨細(xì)胞的轉(zhuǎn)化[18]。

線粒體是活性氧的一個(gè)重要來源，煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸氧化酶(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase，NOX)和線粒體來源的活性氧與鈣化有關(guān)。Agharazii等[19]發(fā)現(xiàn)在CKD大鼠主動(dòng)脈中，Nox亞單位p22phox和p47phox的表達(dá)增加，抗氧化酶如超氧化物歧化酶1(superoxide dismutase1, SOD1)、SOD2、谷胱甘肽過氧化物酶1和過氧化物酶-1表達(dá)下降。這些活性氧產(chǎn)生和清除的改變導(dǎo)致活性氧內(nèi)穩(wěn)態(tài)失衡。磷酸鹽是CKD中最相關(guān)的血管鈣化誘導(dǎo)物，已被證明可以誘導(dǎo)線粒體膜電位降低、線粒體分裂為特征的功能障礙，減少ATP的產(chǎn)生，增加線粒體呼吸鏈活性氧的產(chǎn)生。當(dāng)呼吸鏈抑制劑錳(Ⅲ) -四 (4-N-甲基吡啶基) 卟啉或SOD1、SOD2和解偶聯(lián)蛋白2的過度表達(dá)抑制線粒體活性氧產(chǎn)生時(shí)，鈣沉積和VSMCs從收縮型向成骨型轉(zhuǎn)換減少[20-23]。研究表明[24]在磷酸鹽誘導(dǎo)的鈣化中，通過檢測(cè)耗氧率反映線粒體呼吸相關(guān)功能，結(jié)果顯示ATP相關(guān)呼吸、備用呼吸能力和最大呼吸均下降。

在缺氧條件下[25]，VSMCs增加HIF-1α及其靶基因GLUT1和血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子A的蛋白表達(dá)，活性氧生成增加，并誘導(dǎo)成骨標(biāo)志物RUNX2、Sry相關(guān)高遷移率族盒蛋白9、骨鈣素、堿性磷酸酶的mRNA和蛋白表達(dá)，誘導(dǎo)VSMCs向成骨細(xì)胞轉(zhuǎn)化。

4 糖尿病與血管鈣化

糖尿病作為最常見的糖代謝紊亂疾病，嚴(yán)重影響VSMCs的糖代謝，從而影響VSMCs的功能及表型轉(zhuǎn)換，在血管鈣化中起著重要作用。

在高糖和促炎細(xì)胞因子激活下，人主動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞高表達(dá)6-磷酸葡萄糖脫氫酶和NOX，磷酸戊糖途徑活性增強(qiáng)。高糖也強(qiáng)烈影響大鼠肺動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞的糖酵解途徑和磷酸戊糖途徑, 活性氧生成也增強(qiáng)，最終導(dǎo)致血管細(xì)胞損傷。大鼠原代主動(dòng)脈平滑肌細(xì)胞在高糖處理下細(xì)胞的增殖、黏附和遷移均顯著增加[26-28]。

不僅高糖對(duì)VSMCs代謝的影響參與血管鈣化，晚期糖基化終末產(chǎn)物(advanced glycation end pro-ducts, AGEs)對(duì)VSMCs的代謝影響也促進(jìn)血管鈣化的發(fā)生發(fā)展。我們課題組研究提示Nε-羧甲基賴氨酸(Nε-carboxymethyl-lysine，CML)通過PDK4依賴的途徑加速VSMCs的糖酵解，促進(jìn)了VSMCs鈣化[29]。研究證實(shí)AGEs誘導(dǎo)VSMCs中Nox-1、Nox-4和p22phox的表達(dá)并增加活性氧的產(chǎn)生[30-31]。Nox-4和p22phox的沉默減弱了AGEs誘導(dǎo)的鈣化，表明Nox-4在AGEs誘導(dǎo)的VSMCs 成骨轉(zhuǎn)化中發(fā)揮致病作用。

5 結(jié)語

糖代謝在血管鈣化中的研究還比較少，但其在鈣化中的作用越來越受到重視，尤其是各種因素在血管鈣化中對(duì)代謝重編程的作用機(jī)制是目前研究的熱點(diǎn)。本綜述總結(jié)了VSMCs在生理狀態(tài)下和鈣化病理過程中的糖代謝，明確兩種代謝狀態(tài)的差別，有助于我們尋找合適的靶點(diǎn)治療血管鈣化，降低心血管疾病的風(fēng)險(xiǎn)。