动脉粥样硬化后血管舒缩功能的改变
发表时间:2012-03-14 浏览次数:420次
作者:栗君,刘伏元 作者单位:安徽医科大学附属省立医院心内科,安徽省心血管病研究所,安徽 合肥 230001
【关键词】 动脉硬化,肌细胞,平滑肌;内皮细胞
动脉包括大、中、小动脉和微动脉四种,管壁均可分为内膜、中膜和外膜三层。随着动脉管腔逐渐变小,管壁各层也发生组织成分与厚度的变化:其中以中膜的变化最大,内膜由内皮和内皮下层构成,内皮下层较厚,含纵形的胶原纤维和少量的平滑肌纤维;中膜的平滑肌相当丰富,特别是中动脉管壁;外膜由疏松结缔组织构成,细胞成分以成纤维细胞为主。动脉管壁功能的发挥与其结构的完整密切相关,研究表明,动脉粥样硬化(AS)是一个复杂的血管炎性疾病[1]。一般来说AS的形成是由内皮损伤引起,内皮细胞功能障碍伴随血管壁渗透性改变,从而脂质集聚,炎性细胞浸润,平滑肌细胞迁移和增殖,细胞外基质以及新生血管形成[2]。发生AS后,血管结构、血管壁平滑肌发生变化,继以血管舒缩功能的改变,本文就此做一下综述。
1 AS后内皮细胞功能变化与血管舒缩功能
1.1 AS内皮细胞屏障功能的变化对血管舒缩功能的影响
AS的病理变化主要累及体循环系统的大型弹力型动脉(如主动脉)和中型肌弹力型动脉(以冠状动脉和脑动脉罹患最多),受累动脉的病变从内膜开始。正常动脉的内膜附有一层内皮细胞,是非常光滑的,正常成人约有 1×1012 个血管内皮细胞。血管内皮的主要功能是屏障作用,同时血管内皮具有重要的内分泌功能,可合成和释放多种内皮衍生的血管活性因子,具有多种生理功能。血管内皮是由不同类型的黏附结构或细胞-细胞连接形成的连续的细胞单层。这些复杂结构是由跨膜的黏附分子连接细胞浆/细胞骨架蛋白网络构成。粘附连接参与循环细胞血管壁通透性的调节。血管内皮的通透性变化与内皮表面钙黏素的重新分布,局部黏附的稳定性以及基质蛋白酶的进行性激活有关。血管内皮屏障功能减退或丧失将导致细胞外水肿的发生,血液中的脂质易渗入血管壁。当血管内皮功能受损、内皮下胶原组织暴露时,可引起血小板黏附、聚集,炎性细胞、单核细胞浸润,血栓形成[3]。
1.2 AS内皮细胞内分泌功能的变化对血管舒缩功能的影响
血管内皮通过产生和释放血管活性物质在血管系统稳态上起到核心作用。这些物质包括:(1)内皮衍生舒张因子(EDRF):一氧化氮(NO),前列环素(PGI2),内皮衍生超极化因子(EDHF),缓激肽;(2)内皮衍生收缩因子(EDCF),如超氧离子,内源性超氧化物,血栓素A2(TXA2)和内皮素(ET),血管紧张素II(Ang-II);(3)凝血纤溶物质:纤溶酶原激活物(PA),血小板激活因子(PAE),血管假性血友病因子 (vWF);(4)粘附因子:血管细胞粘附因子一1(VCAM-1),细胞间粘附因子(ICAM),(5)生长因子:血管内皮生长因子、血小板原生长因子 (PDGF)、转化生长因子(TGF)等。其中缓激肽又可促进NO、PGI2、EDHF和其它血管扩张因子的生成,可阻止血小板聚集,促进组织纤维蛋白溶酶原激活物质(t-PA)生成[4]。
1.3 内皮细胞与内膜
在正常状态下,舒张因子和收缩因子协同作用,调节血管张力处于正常水平。内皮细胞功能障碍是早期AS过程中重要的病理生理变化。内皮细胞形态结构受损和功能改变,导致血管屏障功能的损害,使血液中的脂质和单核细胞等更易沉积在内皮下间隙,进一步形成泡沫细胞。研究表明,在AS的发生过程中血管内皮依赖性舒张反应减弱甚至消失,可能与AS时血管内皮细胞NO合成分泌减少或(和)内皮素(ET)分泌增加有关[3]。收缩因子ET和舒张因子NO是其中最主要的两种活性物质。NO弥散至内膜下的血管平滑肌,激活鸟苷环化酶,使平滑肌环磷酸鸟苷的浓度增加,从而导致血管平滑肌舒张。NO不但有强大的扩张血管作用,而且有抑制血小板聚集、平滑肌细胞增殖、单核细胞粘附和粘附分子表达的作用,从而可防止血管发生AS和形成血栓。ET是主要的缩血管因子,血管内皮细胞损伤,ET释放增多,动脉痉挛及血栓形成,在AS的发生、发展中起着重要作用。因此,血管内皮依赖性舒张功能的测定可作为反映血管内皮功能的重要指标。ET和NO之间保持动态平衡,维持正常的内皮功能。ET和NO之间平衡的破坏,是动脉内皮受损的显著特征,并参与AS进程。血管内皮功能异常的特点是内皮依赖的舒张反应减弱,NO合酶表达减少,抑制NO活性,还促进ET-1和TXA2合成增加。研究结果表明,颈动脉硬化患者血浆ET水平较正常人明显升高,NO水平则明显降低,证实AS病变存在血管内皮依赖性舒张功能障碍,NO降低,ET增高是导致或加重AS的因素之一[5]。
2 AS后血管平滑肌细胞(VSMC)的变化
血管平滑肌细胞(VSMC)是血管壁的主要成分,也是血管中层唯一的细胞成分。VSMC的异常增殖及由中膜迁移到内膜下间隙是AS形成、高血压和血管再狭窄等疾病的共同发病基础之一[6]。致心血管疾病的危险因素作用于机体,损伤血管内皮功能,导致一些细胞因子作用于VSMC膜受体,激活细胞内信号转导通路,最终启动核内基因表达而促进VSMC的过度增殖和迁移。
2.1 VSMC表型及转化
VSMC是一种多功能间叶细胞,主要存在于肌性动脉壁的中膜,它的收缩和舒张可以维持血管壁张力,改变管腔大小以调节机体或脏器的血流量。VSMC有两种不同的表型:合成型和收缩型,在一定条件下两种表型可以相互转化。正常成人的血管壁VSMC是收缩型,分化程度高,呈典型的纺锤形或条带状,胞质内有丰富的肌纤维,可见致密体和致密斑,粗面内质网和高尔基体等细胞器较少,仅产生极微量的细胞外基质(ECM),体积相对较小。主要通过表达一系列特异的收缩蛋白和骨架蛋白来维持收缩及调节血管张力、增殖、迁移能力。合成型VSMC分化程度低或未分化,呈纤维母细胞样形态结构,胞质内含极少肌丝,但有大量粗面内质网、核糖体、高尔基体等细胞器,具有强大的合成和分泌功能。合成型细胞体积比收缩型大,参与分泌细胞ECM 和合成血管活性物质、参与血管壁的形成和损伤的修复以及在生长因子刺激下的分裂和增殖。合成型多出现在胚胎期和正处于生长发育的器官,但当血管损伤及AS时,就可见VSMC从收缩型转化为合成型,这个过程称为表型转化。已知诸多因素可刺激VSMC表型转化,血管活性物质和有丝分裂原促增殖作用的内在基础是VSMC的表型状态。VSMC的表型转化是其增殖、迁移,AS再狭窄形成过程中的重要环节[7]。
陆信武等[8]建立兔髂AS再狭窄模型,研究中膜、内膜VSMC的表型改变,检测各个时间段内膜和中膜层VSMC调亡,分析再狭窄血管壁形态和结构变化。结果显示血管壁中膜和内膜VSMC均发生异常调亡,且调亡峰值基本一致,但内膜VSMC的调亡指数明显低于中膜,这说明新生内膜的VSMC对调亡刺激具有一定的抵抗力。血管壁重塑过程中血管内膜的VSMC主要为合成型表型,中膜主要为收缩型表型,而内膜VSMC对调亡具有抵抗性,这可能提示VSMC的表型对其调亡具有一定的调控作用。并推论在血管壁重塑的早期,中膜VSMC向内膜移行、调亡占优,导致中膜细胞数量减少,且内膜VSMC以合成型表型为主,有利于血管壁扩张性重塑;随着血管壁重塑的进展,VSMC调亡逐渐减弱,内膜合成型VSMC增殖增强且合成大量的细胞外基质,导致内膜细胞数增加、内膜增生,而在血管壁重塑的中晚期,VSMC调亡和增殖虽渐趋平衡,但其表型又转变成收缩型且内膜增厚,有利于血管壁发生收缩性重塑。因此,在血管壁重塑过程中调控VSMC的表型转化和调亡可能控制血管壁的不适重塑,减少再狭窄的发生率。
2.2 AS后血管平滑肌细胞数量及微细结构变化与调节
Andrew C Lake等[9]人发现一种蛋白质CCN5,它是CCN(cysteinerich61/connective tissue growth factor /nephroblastoma overexpressed)家族的一个成员,其高表达于动脉、冠状动脉,并且对被损伤的血管进行动态调节。通过RNA干扰(RNAi)和基因敲除技术证明了它具有在VSMC中调节肝素的抗增殖作用以及负调节细胞活动的功能。实验表明CCN5的敲除上调了基质金属蛋白酶-2(MMP-2)的表达。 MMP-2是VSMC迁移的重要调节器,在AS斑块形成和血管损伤后再狭窄中起着重要的作用[10~13]。而通过腺病毒使CCN5表达时,MMP-2的活性受到抑制,也就证实了基因敲除的结果。最终表明在VSMC中CCN5表达的缺失会导致VSMC的形态学和细胞骨架结构发生改变,包括VSMC 数量和大分子a一肌动蛋白(smooth muscle aactin,SM aactin)的减少。CCN家族成员CCN2有促进VSMC迁移和增加MMP-2表达的作用[14,15],减少组织抑制剂MMP-1的水平[16]。但是CCN2在正常动脉内没发现有高水平表达,而在AS血管中却被上调50~100倍[17]。相反,在健康鼠动脉组织中发现CCN5高水平表达,而在泡沫化损伤再狭窄中表达缺失。Virna L等[18]人在研究血管紧张素Ⅱ受体(AT2R)在鼠AS中的表达及调节病变进展的实验中发现,在AS发展起始,VSMC从中膜迁移到内膜,分化,增殖。在这个过程中,AT2R的表达上调;随着斑块的进展,AT2R在内膜平滑肌上的表达减少;这种减少是由于增殖的减少以及凋亡的增加;从而了解AT2R的表达伴随着平滑肌细胞含量的减少的关系。SM22a是收缩型VSMC的特异性标志基因,表达于中膜的正常VSMC细胞。 Caiying W等[19]在研究VSMC的增殖与AS的关系时,通过对鼠腹主动脉的体外培养,并用逆转录聚合酶链式反应(RT-PCR)方法发现SM22a mRNA的水平下调,较对照组明显减少。
3 AS后离子通道变化
内皮细胞和VSMC均表达四种不同类型钾离子通道[20]:(1)电压门控性钾通道(K(V));(2)钙激活钾 (calciumactivated potassium channel,KCa ) 通道;(3)ATP敏感钾通道(K(ATP));(4)内向整流钾通道[K(IR)]。钾通道的激活是细胞膜电位的主要决定因素。因此,钾通道参与调控血管紧张度。内皮依赖性血管扩张剂,例如,NO、PGI2、EDHF能够激活细胞膜上的钾通道,允许K+ 流出细胞外,引起膜电位下降和超极化,结果关闭了细胞膜上压力门控(依赖性)钙通道并且使血管舒张。相反,则引起血管收缩。钾通道功能障碍与许多疾病是相关的,例如AS(所有类型钾通道功能紊乱)。此外,异常的血管收缩或血管舒张可能与钾通道活性缺陷有关。因此,如今钾通道调节剂被用于一些疾病的治疗。在朱宏文等[21]研究中发现在细胞吸附式膜片和内面向外式膜片下,AS组血管平滑肌细胞 KCa通道活性均明显高于正常对照组,此外还发现,AS组 KCa通道的钙敏感性显著低于正常对照组。Ca2+ 通过L型钙通道流动触发VSMC收缩。Swasti T等[22]从分子水平发现,AS后电压依赖性 L型钙通道(Cav1.2)发生电生理重构,使得L型钙通道表达下调,但在正常的VSMC中不受影响。动脉粥样硬化后,血管舒缩功能发生障碍。
4 AS后血管壁重塑及生物力学特性
Urbina等[23]研究发现动脉的刚度除与管壁的弹性成分含量有关外,还与弹性成分的空间构型、生物代谢状态等多种因素有关。AS后管壁中的胶原纤维含量和弹力纤维含量将出现不等比例增加,从而影响动脉壁力学性质。研究发现[24],随着狭窄程度增高及粥样斑块形成时间延长,弹性模量及最大载荷、抗拉强度呈明显增高趋势,说明粥样硬化的血管发生了结构变化,使其柔顺性减小,以致于达极限荷载时血管不能象正常动脉那样再作较大的伸展。颈动脉硬化病变初期,中膜平滑肌细胞分裂增殖,并迁移到内膜,分泌结缔组织基质,包括胶原纤维、弹性纤维和蛋白多糖,引起内膜增厚,参与内膜粥样硬化斑块的形成。但病变进一步发展,管壁内膜增厚明显,中膜萎缩,弹性结构排列紊乱,甚至断裂、消失,胶原大量增生,平滑肌由结缔组织代替,并出现纤维化,加之组织中钙盐沉积,使中膜变薄,整个管腔呈负性重塑表现。
5 基质金属蛋白酶(MMPS)与血管细胞外基质重塑
AS后,VSMC由收缩型转变为合成型,合成细胞外基质的能力大大增加,同时降解细胞外基质酶类的分泌也大大增加。因此,细胞外基质的合成与降解达成一种新的动态平衡,即细胞外基质重塑。在这过程中,涉及大量酶参与,其中MMPS被认为是最重要的一类基质降解酶类。MMPS削弱血管内皮细胞屏障功能,促进中层VSMC迁移和增殖,加重血管的结构改变,进一步促进循环炎性细胞浸润,斑块破裂,从而促进AS疾病的发生、发展[25]。Fitzgerald等[26]通过免疫组化技术研究显示冠状动脉和颈动脉AS病变同时存在肝素酶和MMPS表达,提示MMPS可能通过激活肝素酶,促进VSMC基因型的转换。同时血管的弹性也是血管腔大小的主要决定因素,弹性蛋白可以缓解血管壁的压力,而降解弹性蛋白的主要酶是MMP-2和9。动物实验[27]已经证实人工合成的MMPS抑制剂能减少内膜增生和血管重构。
综上所述,AS后,由于内皮功能障碍,VSMC中起收缩作用的蛋白减少和缺失,表型的转变,离子通道的失活、关闭,再加上血管壁及血管细胞外基质重塑等的发生,使得产生血管舒缩功能障碍,最终形成恶性循环。
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