血管内皮功能障碍与2型糖尿病研究进展

摘 要 糖尿病和心血管疾病中的血管内皮功能障碍的特征是血管张力调节改变、活性氧族产生增多、炎症激活和屏障功能改变，内皮细胞通过分泌多种因子调节细胞黏附、平滑肌细胞增殖及血管张力。血管内皮功能损伤是糖尿病血管并发症发生的始动因素和主要病理生理学基础。本文综述了血管内皮功能障碍与2型糖尿病研究进展。

关键词 2型糖尿病 血管内皮 一氧化氮 内皮素

中图分类号：R587.1 文献标识码：A 文章编号：1006-1533（2014）23-0045-05

Research progress on endothelial dysfunction and type 2 diabetes mellitus*

ZHANG Liudi， LI Qunyi， SHI Xiaojin

（Laboratory of Clinical Pharmacy， Huashan Hospital， Fudan University， Shanghai 200040， China）

ABSTRACT Endothelial dysfunction associated with diabetes and cardiovascular disease is characterized by the changes in vasoregulation， the enhancement of the generation of reactive oxygen intermediates， the inflammatory activation and the alteration in barrier function. Endothelial cells produce a wide range of factors that can also regulate cellular adhesion， smooth muscle cell proliferation， and vascular tone. It is well known that endothelium dysfunction is an early manifestation in the development of diabetic vascular complications. This review focuses on a research progress on endothelial dysfunction and type 2 diabetes mellitus.

KEY WORDS type 2 diabetes mellitus; vascular endothelium; nitric oxide; endothelin

近年来，糖尿病的患病率和患病人数急剧增加，中国成人糖尿病总数达9 240万人，己成为世界上糖尿病患病人数最多的家。2012年美国糖尿病协会（ADA）的最新糖尿病诊疗指南，根据不同的发病机制仍将糖尿病分为4种类型：1型糖尿病、2型糖尿病、特殊类型糖尿病和妊娠糖尿病。2型糖尿病（T2D）在糖尿病患者中占90%，糖尿病合并冠心病、心肌梗死及急性脑血管病是糖尿病的主要死亡原因。因而，深入探讨糖尿病血管并发症发生发展的机制，并寻求药物干预对于降低糖尿病致死率、致残率，改善糖尿病患者预后具有极其重要的意义。

内皮功能障碍

各种心血管疾病都存在血管内皮功能的损伤，如胰岛素抵抗、肥胖及2型糖尿病。内皮功能障碍的特点是内皮依赖的血管舒张减弱、屏障功能减弱、血液动力学反常、溶解纤维蛋白的能力受损，生长因子大量产生、黏附分子的炎症基因的表达增加、氧化应激增强等[1]，内皮功能障碍的主要标志是一氧化氮（NO）的生物利用度降低。许多风险因子可以直接导致内皮功能障碍，最重要的包括血液中氧化低密度脂蛋白（LDL）胆固醇和氧化修饰的低密度脂蛋白（ox-LDL）升高、高密度脂蛋白（HDL）胆固醇较低、甘油三酯升高、高血压、高血糖、高胰岛素血症、高同型半胱氨酸水平、吸烟和维生素不足等[2]。内皮功能障碍的存在与动脉粥样硬化和血栓形成的发病机理相关，内皮功能的损伤减弱了内皮对诱导动脉粥样硬化和血栓形成机制的保护抑制作用。

2型糖尿病促内皮功能紊乱的机制

最近研究表明，血管内皮功能紊乱在1型糖尿病和2型糖尿病患者中的发病机理并不相同。1型糖尿病多发生在儿童和青少年，其起病比较急剧，体内胰岛素绝对不足，容易发生酮症酸中毒。在1型糖尿病中，主要是高糖引起代谢改变诱导内皮功能障碍，随着年龄的增长，1型糖尿病患者渐渐产生微血管并发症，尤其是视网膜病变、肾病和伤口愈合受损[3]。在2型糖尿病患者中，内皮功能障碍和糖尿病之间联系更为复杂，高糖会诱导所有类型糖尿病患者内皮功能障碍，而2型糖尿病患者内皮功能损伤的机制还包括血脂异常、胰岛素信号通路损伤等，本章节就2型糖尿病致内皮功能障碍的机制展开综述。

糖毒性

研究已经证实，不管是长期高血糖还是急性高血糖都能对人和动物内皮功能造成损伤[4]，高血糖对血管内皮造成损伤的机制各不相同。

多元醇通路活性增高

多元醇途径广泛参与糖尿病血管病变，这条通路由一系列酶组成，醛糖还原酶最为重要。正常情况下，葡萄糖很少经多元醇通路代谢，当糖尿病血糖水平升高时，己糖激酶呈饱和状态，过剩的葡萄糖不能通过正常的氧化或酵解途径代谢，于是，醛糖还原酶活性增加，多元醇代谢通路激活。多元醇代谢通路激活后使细胞内山梨醇和果糖过度堆积，继而引起细胞渗透性损伤，同时细胞内肌醇和谷胱甘肽（GSH）水平下降，还原烟酰胺腺嘌呤二核苷酸/烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH/NAD+）比值增高，Na+ - K+ - ATP酶活性下降，细胞和组织缺氧，内皮细胞受损。一般认为，多元醇通路激活发生于糖尿病微血管病变信号通路中的上游，因此，醛糖还原酶抑制剂可以阻断多元醇通路代谢，延缓糖尿病微血管病变的进展[5]。

糖基化终末产物形成增多

高血糖可以促进蛋白质的糖基化，促进糖基化终末产物 （AGEs）的生成。AGEs是在非酶促条件下，蛋白质、氨基酸、脂质或核酸等的游离氨基与还原糖的羰基经过缩合、重排、裂解、氧化修饰后所产生的一组稳定的终末产物。正常人体内只有少量的AGEs，但在长期高血糖过程中，糖尿病患者体内的AGEs生成积累，通过与内皮细胞表面的糖基化终末产物受体（RAGE）结合，干扰活性氧的作用，导致血管内皮细胞功能紊乱，影响血管的结构和功能，使血管舒张功能受损。这可能是引起糖尿病微血管病变发生发展的始动因素之一。

正常情况下，RAGE在血管内皮细胞、周细胞、足细胞和神经胶质细胞中都有低水平表达。糖尿病发生后细胞RAGE表达水平随着其配体浓度的增加而上调。糖化作用改变了蛋白质、氨基酸、脂质或核酸的分子结构、功能及与受体的识别，AGEs与RAGE受体的结合促进了细胞内酶超氧化物的产生和巨噬细胞介导的细胞壁的炎症反应。AGEs通过线粒体活性氧族（ROS）和过氧硝酸盐及过氧亚硝酸盐降低NO的生物利用度和内皮型一氧化氮合成酶（eNOS）的表达[6]，提高内皮细胞中内皮素（ET-1）的释放。但是AGEs引起微血管内皮细胞损伤的具体机制尚不完全清楚。

PKC 信号通路激活

目前认为，蛋白激酶C（PKC）激活可能是糖尿病微血管损伤的共同通路。糖尿病情况下多种途径可激活PKC，包括多元醇途径通过NADH/NAD+比值升高利于二酯酰甘油（DAG）的形成，从而激活PKC;AGEs和RAGE相互作用也可激活PKC;氧化应激反应和游离脂肪酸增加均可导致PKC激活[7]。高血糖和ACE-RAGE系统均可使细胞内DAG增多，激活PKC，PKC激活进一步影响一系列血管功能，包括血管的舒缩反应、通透性、内皮细胞增生、新生血管形成以及血液流变学的改变。PKC可抑制内皮细胞的eNOS活性，降低NO的产生，并且增加血管ET-1的释放，导致血管舒缩功能障碍;PKC也可促使血管内皮生长因子（VEGF）表达，从而促进新生血管形成，增加血管通透性，改变毛细血管渗透压，使组织缺氧。

氧化应激

Kiritoshi等[8]在30 mmol/L葡萄糖浓度下培养肾小球系膜细胞，发现线粒体膜电位升高，同时细胞内ROS增多，而用线粒体代谢抑制剂或者通过解偶联蛋白（UCP-1）和锰型超氧化物歧化酶（MnSOD）超表达可以抑制上述现象，这说明高糖环境下可以产生ROS。大量研究表明，高糖条件下细胞内产生ROS可使细胞内DNA单链断裂，而对于能够表达eNOS的血管内皮细胞，超氧阴离子还可以与NO相互作用生成氧化能力更强的过氧亚硝酸盐，过氧亚硝酸盐和羟基作为DNA损伤的强有力的始动因素使DNA单链发生断裂，继而诱导ADP-核苷酸聚合酶（PARP）活化。线粒体DNA（mtDNA）位于产生ROS的呼吸链的近端，因此与核DNA相比更容易受到ROS的损伤，而这种损伤一旦形成，就会引起多种关键蛋白的表达量减少，促使线粒体ROS的形成进一步增多，从而形成ROS和mtDNA损伤之间的恶性循环。Obrosova等[9]在对糖尿病神经病变的研究中发现PARP活化，并证明PARP活化作为氧化剂诱导的DNA损伤的下游效应器，是引发糖尿病神经功能和代谢改变的一个必须步骤。应用PARP抑制剂PJ-34或ION-1001可抑制高糖所致血管损伤的每一条途径，这表明PARP活化在糖尿病并发症中的发病机制中可能位于中心位置。

研究发现，糖尿病大鼠胚胎细胞磷酸甘油脱氢酶（GAPDH）的活性下降40%～60%，而在高糖培养液中加入抗氧化剂N-乙酰半胱氨酸，可使GAPDH的活性增加，提示GAPDH活性的下降是高糖诱导产生ROS所致，高糖时GAPDH活性下降与PARP活化有关，PARP的活化可消耗细胞内其作用底物氧化型辅酶I（NAD+）的浓度，使还原性辅酶I（NADH）的浓度相对升高，从而NADH/NAD+的比值升高，继而GAPDH活性降低，糖酵解途径受到抑制。正常情况下，细胞中葡萄糖主要通过氧化磷酸化生成ATP进行分解代谢，除此之外，还可以经过磷酸无糖途径，高血糖时GAPDH活性下降，糖酵解受到抑制，糖酵解的中间产物累积，磷酸无糖途径及其他代谢途径被激活，如多元醇通路、PKC通路、己糖胺通路、AGEs通路等。Brownlee等[10]研究发现，抑制ROS的产生可以阻断上述途径，提示糖尿病血管并发症的发生可能存在一个共同机制。还有研究认为，ROS的可能作用机制还包括：激活核因子NF-κB、增加血管内皮细胞表面的黏附因子等。

越来越多的研究表明，氧化应激反应是糖尿病各种并发症的共同通路和中心环节，而糖尿病患者体内增加的氧化应激水平是高血糖、胰岛素抵抗、高胰岛素血症和血脂异常共同作用的结果，它们均可导致血管内皮细胞ROS过度产生。

脂毒性

脂肪组织的过度释放和骨骼肌摄入的减少导致糖尿病患者的游离脂肪酸（FFA）的浓度升高，游离脂肪酸的脂毒性对内皮功能造成损伤有几个途径，包括ROS升高、AGEs生成增多、激活PKC和己糖胺信号通路等，游离脂肪酸通过线粒体解偶联和提高NADPH氧化酶类蛋白的含量增加血管中ROS的产生，游离脂肪酸诱导的超氧化物的过量产生使两种重要的抗动脉粥样硬化的酶失活，这两种酶分别是前列环素合酶和eNOS， ROS的产生也使细胞内谷胱甘肽的浓度降低，使细胞更容易受到氧化损伤。游离脂肪酸诱导的ROS可以激活NF-κB，NF-κB会进一步刺激其它促炎性细胞分子，通过激活IKKα，游离脂肪酸会损伤胰岛素诱导的eNOS的激活和NO的生成[11]。游离脂肪酸激活PKC通路导致胰岛素受体底物1（IRS1）的丝氨酸磷酸化，进而导致胰岛素诱导的PI3K、Akt、eNOS的激活降低和内皮中NO的产生减少。最终，游离脂肪酸导致内皮细胞凋亡，提高了血管的氧化应激，降低了NO的生物利用度，提高了内皮和单核细胞的激活和炎症的加强。

血脂异常对血管内皮起损伤作用的另一个主要因素是ox-LDL，内皮细胞由于其屏障功能，会对进入内膜的LDL进行氧化修饰后成为ox-LDL，后者具有的细胞毒性可以直接引起内皮细胞的功能障碍甚至损伤坏死。巨噬细胞吞噬LDL后形成泡沫细胞，而泡沫细胞是动脉粥样硬化早期病变及脂斑的主要成分，当摄取的LDL超过巨噬细胞清除ox-LDL的能力时，可导致巨噬细胞的坏死，释放出许多溶酶体酶，从而进一步引起内膜细胞的损伤及坏死。ox-LDL可使血管内皮产生NO降低，增加ET-1的含量。在糖尿病中，高糖和高水平的ox-LDL会导致黏附分子和纤连蛋白的表达增加，诱导巨噬细胞浸润内皮，导致动脉粥样硬化斑块的形成。

胰岛素抵抗

胰岛素调节血管张力主要通过两条信号通路，分别是NO通路和ET-1通路[12]，正常生理状态下，胰岛素的这两种拮抗作用的结果是血管舒张或抵消。在胰岛素受体、IRS1、磷脂酰肌醇3激酶（PI3K）、磷酸肌醇依赖的激酶1（PDK1）、Akt/蛋白激酶B和eNOS被激活后，胰岛素诱导NO的产生[13]。最近发现除了IRS1，胰岛素受体底物2（IRS2）也能够直接介导胰岛素对血管内皮的效应。尽管胰岛素诱导的ET-1的信号通路还不完全清晰，但这条信号通路一定依赖raf-1、MEK和ERK1/2的激活[14]。

血管胰岛素抵抗（IR）即抵抗胰岛素介导的血管舒张，是肥胖和高血压动物胰岛素抵抗的特征。胰岛素抵抗和受损的胰岛素介导的血管舒张与Akt和eNOS的高度磷酸化有关，然而在胰岛素抵抗的患者中，胰岛素的血管收缩效应却完好无损，胰岛素受体底物信号的改变与损伤有关，存在胰岛素抵抗时，IRS-1和IRS-2的表达下调，删除血管内皮IRS-2会导致血管内皮功能障碍[15]，IRS-1基因缺陷小鼠表现出内皮依赖的血管舒张受损，除此之外，还发现IRS-/-小鼠胰岛素激活的eNOS的激活受损。

在血管内皮中，已经证实有很多细胞内机制抑制胰岛素信号，胰岛素信号的抑制可以发生在胰岛素受体和胰岛素受体底物水平上，也可以发生在下游的胰岛素受体信号蛋白质水平上。在胰岛素受体水平上，类胰岛素生长因子1（IGF-1）的受体与胰岛素受体形成混合受体减弱胰岛素受体的活性，在IRS蛋白水平上，几种激酶可以通过磷酸化IRS-1抑制胰岛素信号，包括c-Jun氨基末端激酶（JNK）、p38丝裂原活化激酶（p38MAPK）、IκB激酶（IKK）[16]。这些激酶靶向IRS-1的丝氨酸残基。胰岛素的血管收缩效应也受细胞内的信号级联反应调节，多域适配器蛋白质（APPL1）可以通过减少raf-1的磷酸化抑制胰岛素刺激的ET-1的合成，raf-1介导了内皮细胞中胰岛素诱导的ERK1/2和ET-1的释放。APPL1可以恢复肥胖小鼠中胰岛素介导的血管反应。用AMPK的激动剂AICAR和球形脂连素作用肌抵抗动脉，发现AMPK的激活可以通过抑制胰岛素介导的ERK1/2的激活提高胰岛素介导的血管舒张。这些研究表明，可以从胰岛素受体水平到eNOS和ERK1/2调节内皮细胞中胰岛素信号，这些调节通路的平衡最终决定胰岛素对血管内皮的作用。

IR是2型糖尿病基本的临床发病机制，目前认为正常水平的胰岛素对于维持血管内皮的正常功能起着重要作用，胰岛素能刺激血管内皮释放NO或直接作用于血管平滑肌。胰岛素还可增加内皮型NO合成酶的表达从而增加NO的释放。

血管内皮功能障碍在2型糖尿病发病机制中的作用

血管内皮功能障碍是糖尿病血管并发症发生的重要原因，血管内皮功能的改变也是糖尿病其他发病机理的重要因素，主要体现在胰岛素抵抗、脂毒性和胰岛素分泌受损。胰岛素在内皮中的转运直接决定了从血液中到血管内皮再到肌间质和肌细胞中的胰岛素的含量，胰岛素的这种内皮效应与两个过程有关：内皮表面的调节和胰岛素的跨内皮转运。胰岛素到达心肌细胞取决于胰岛素的敏感性，而胰岛素抵抗对这种效应影响大小至今还不明确。在人体中ET-1会降低胰岛素的敏感性，降低ET-1可以提高肥胖患者的胰岛素敏感性[17]。

骨骼肌、心肌、肝脏中脂质的累积是引起这些组织中胰岛素刺激的葡萄糖摄取受损的重要原因，最近的两个研究表明，血管内皮生长因子B（VEGF-B）和脂质转运到血管内皮的调节决定了脂质在肌肉、心脏甚至是肝脏的累积[18-19]，抑制VEGF-B的表达可以预防2型糖尿病和恢复胰岛素的敏感性。这些表明脂质转运到内皮决定了异常的脂质累积的敏感性和2型糖尿病的发展。

结语

目前认为，血管内皮功能损伤是糖尿病血管病变发生的始动因素和主要病理生理学基础，甚至尚未出现慢性血管并发症的糖尿病患者已出现内皮功能明显降低。上述途径可在一定程度上解释糖尿病血管病变的发生机制，为其防治提供重要的靶点，对糖尿病血管并发症的防治具有重要意义。

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（收稿日期：2014-07-22）