动脉粥样硬化的机制与基础研究

  动脉粥样硬化( atherosclerosis,AS)是一种与脂质代谢障碍相关的,以大中动脉内膜脂质沉积、粥样斑块形成、纤维组织增生、管壁硬化为特征的全身性疾病。其基本损害是动脉内膜局部呈斑块状增厚,故又称动脉粥样硬化性斑块或简称斑块。AS是众多心脑血管疾病共同的病理基础,也是心血管系统疾病中最常见的疾病,严重危害人类健康[1]

一、病因

   目前AS的病因尚不完全清楚。大量的研究表明,AS是多种危险因素共同作用的结果,传统危险因素包括年龄、男性、高脂血症、高血压、吸烟、大量饮酒、糖尿病等;非传统危险因素包括高同型半胱氨酸血症、C反应蛋白与纤维蛋白原升高、高尿酸血症、炎症及遗传易感性等。

1.传统危险因素

1.1年龄与男性

   研究证明,年龄是AS的重要危险因素。AS始发于儿童时代而持续进展,通常在中年或者中老年出现临床症状,其严重程度与年龄增长呈正相关。随着年龄增加,血管生理性发生改变,同时暴露于危险因素的机会增加,使动脉内壁负荷加重,内膜损伤,促使斑块形成。
   AS的发生亦与性别有关,多见于男性。流行病学研究表明,男性冠心病发病时间比女性平均要早10~15年。绝经后女性冠心病发病率增加,至60岁男性和女性的患病率没有明显区别。这可能由于女性绝经后激素改变,失去了雌激素的保护作用,增加了对AS病变的敏感性。

1.2代谢综合征(metabolic syndrome,MS)

MS是一组以腹型肥胖、血糖异常、血脂紊乱和高血压等多重心血管危险因素集聚为基本特征的临床症候群。其中中心性肥胖和胰岛素抵抗是其核心。

1.2.1 肥胖 

  肥胖是能量代谢失衡所致的体脂过度积聚,其常与糖尿病、血脂异常、AS等一起发生,是AS和糖尿病的危险因素。肥胖可分泌多种脂肪细胞因子和蛋白质因子,如瘦素、脂联素、抵抗素、肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor,TNF)-α、白介素(interleukin,IL)-6及内脏脂肪素等,影响机体代谢、炎症反应和凝血功能。

1.2.2 血脂异常 

   血脂异常导致动脉粥样硬化的理论由来已久。流行病学研究证明, 高脂血症是动脉粥样硬化的主要危险因素,血液里血脂水平的上升和 AS的严重程度呈正相关。
   血脂在血液循环中以脂蛋白的形式转运,脂蛋白可分为乳糜微粒(CM)、极低密度脂蛋白(very low density lipoprotein,VLDL)、低密度脂蛋白( low density lipoprotein,LDL)、中等密度脂蛋白(intermediate density lipoprotein,IDL)及高密度脂蛋白( high density lipoprotein,HDL)。以往观点认为,高脂血症通常是指LDL的增高。低密度脂蛋白胆固醇(low density lipoprotein-cholesterol,LDL-C)是主要的胆固醇载脂蛋白,其不仅可作用于外周器官,还可作用于动脉血管壁。LDL-C是公认的AS危险因素,MS患者小而密的LDL成分增高,其更容易渗透到血管壁而被氧化,有更强的促AS作用。而HDL能从巨噬细胞中搬运胆固醇,高密度脂蛋白胆固醇(high density lipoprotein-cholesterol,HDL-C)与AS发生呈负相关。
   血脂水平异常增高可增加血液黏稠度及凝结度,打破血管中血液的层流状态,使循环中的小分子物质沉积于血管壁上,损伤血管内皮细胞,启动AS的发生。高脂环境亦可增加红细胞胞膜硬度、降低其流动和变形能力,反过来加剧血液的黏稠度。同时红细胞的载氧和去氧能力也相对减弱,使得血液和组织间氧气交换不充分。上述因素相互作用造成内皮细胞功能损伤,导致内皮细胞分泌多种调节因子而发生紊乱,加剧了脂质过氧化进程。

1.2.3高血压

   高血压是促进AS发生的明确危险因素。高血压患者较血压正常者AS发病早且病情重。研究发现,升高的收缩压可增加动脉壁的切应力,引起动脉扩张以使切应力回到基础水平,同时升高的血管周期性张力可促进胶原合成,从而降低动脉弹性, 增加内膜对AS的敏感性。大动脉壁对间歇性张力比持续性张力更敏感 ,SP广泛性的振动可促使AS的发展。血管顺应性的降低亦与AS相关,而舒张压可随主动脉及其他大动脉顺应性的降低而降低。

1.2.4糖尿病

  糖尿病是冠心病的等危症。高血糖状态可使蛋白质糖化及氧化过程加剧,导致体内氧自由基生成增多,损伤内皮细胞;同时可动员单核细胞积聚并分泌大量细胞因子、炎症因子,从而放大炎症反应,加速AS的发展。

1.3吸烟

   吸烟是AS的重要危险因素。研究表明,男性吸烟者患颈动脉粥样硬化的危险度是不吸烟者的3倍。亦有临床研究发现,平均每天吸烟10支,可使男性心血管死亡率增加18%,女性更甚可达31%。

1.4大量饮酒

   大量研究表明,适量饮酒可减少AS的发病率和总死亡率,而过量饮酒则影响脂肪代谢。乙醇可减慢脂肪酸氧化,促使膳食中脂质储存,肝脏脂肪合成增多,血清中三酰甘油含量增高,长期大量饮酒可导致AS的发生。

2.非传统危险因素

2.1高同型半胱氨酸血症(hyperhomocysteinemia,HHcy)

   大量研究表明,血浆同型半胱氨酸(homocysteinemia,Hcy)浓度的增高与AS相关,说明HHcy是AS一个独立危险因素。在动物实验中,Hcy与血管氧化负荷增加相关,造成血管内皮细胞(vascular endothelial cells,VEC) 损伤和功能异常,促使AS发生。

2.2 C反应蛋白(C-reactive protein,CRP)升高

   CRP是局部或全身炎症急性期的反应和非特异性的标志。采用超敏感方法检测到的CRP被称为高敏CRP(hs-CRP)。hs-CRP是AS发生发展中最重要的炎症因子,并可预测心脑血管疾病的危险性及预后。hs-CRP可使内皮细胞产生较高水平的纤溶酶原激活物抑制剂,同时还可激活补体系统,产生大量终末产物,引起动脉内皮损伤,最终导致AS。

2.3 纤维蛋白原( fibrinogen,FIB)增高

   研究发现,FIB的增高和心血管风险之间有关联。FIB为凝血酶的底物,为动脉血栓形成提供了主要的网架,是构成血栓的物质成分,参与AS的发生发展。

2.4 高尿酸血症

   试验和临床报道,尿酸过多可触发高血压、MS、血管损害和肾脏疾病。流行病学研究进一步证实高尿酸血症是心血管事件发病率和病死率的独立危险因素,在女性患者表现尤其明显。尿酸是人类嘌呤代谢的最终代谢产物,其代谢酶为黄嘌呤氧化还原酶(xantlline oxidoreductase,XOR),XOR在将嘌呤代谢成尿酸的过程中,同时产生大量超氧化物,其不仅氧化LDL,而且灭活一氧化氮(nitric oxide,NO),损害血管内皮功能及促发AS。

2.5 遗传因素

  AS是一种具有遗传易感性、多基因遗传的复杂疾病,目前与冠状动脉粥样硬化性心脏病(CHD)发生相关的基因还未完全阐明。一些与AS发生具有相关性的基因,如H3K和PTEN基因,从基因水平调控AS发生的关键环节。

3.其他因素

   其他的一些危险因素包括:职业(如从事体力活动少、脑力活动紧张等)、A型性格(性格急躁、进取心和竞争性强)、饮食习惯(常进食较高的热量,较多的动物性脂肪和胆固醇)等。

二、发病机制

  AS的发生发展包括内膜损伤、脂质入侵、炎性反应、血管平滑肌细胞激活、氧化应激、血小板活化、血栓形成、选择性基质代谢及血管重建等[1] 。目前关于AS的发病机制有很多学说,如损伤应答学说、血流动力学说、脂质渗入学说、巨噬细胞受体缺失学说、致平滑肌突变学说、炎性反应学说及免疫学说等,但没有一种学说可以单独全面的解释 AS的发生发展。

1.内皮细胞损伤的作用

  正常血管内皮是AS的第一道防线,其覆盖于血管腔表面,不仅可保护血管平滑肌细胞 ( vascular smooth muscle cells, VSMC),而且是人体最大的分泌及效应器官。正常的内皮细胞可维持血管结构,调节血管紧张度,分泌抗凝、抗血小板物质及纤溶蛋白,同时具有抗炎作用,可防止炎症细胞向血管壁黏附聚集。内皮功能的损伤是发生 AS的必备条件。

1.1内皮功能障碍的表现

  内皮功能障碍(endothelial dysfunction)指内皮细胞在病理因素(如高血脂、氧自由基、吸烟、高血流切应力等) 刺激下发生的内皮功能异常,是AS形成早期的始动环节。其中血管张力调节障碍和黏附分子的表达异常是内皮功能障碍的两个重要表现。

1.1.1血管张力调节障碍

  正常血管内皮细胞通过产生大量扩张血管物质如NO及内皮源性收缩因子如内皮素-1( endothelin-1,ET-1)来调节血管紧张度,使促进和抑制效应达到平衡。当血管内皮功能障碍时,血管张力调节功能受损,其以扩血管物质如NO生物活性减弱及缩血管物质如ET-1增加为特征,导致这一细微平衡被打破。随之,脂质和炎性细胞(主要是单核细胞和 T淋巴细胞)侵入内皮,引起炎性反应的发生和脂纹的形成。

  NO是以 L-精氨酸为基质,在NO合成酶(nitcoxide synthase,NOS)的催化下合成。诱导型一氧化氮合酶(inducible nitricoxide synthase,iNOS),又称病理性NOS,其在生理条件下不表达,只在内毒素和神经因子刺激时表达,主要分布于巨噬细胞、肥大细胞、中性粒细胞等;而内皮型 NOS(eNOS)与NO的生成有关,主要在内皮合成,其催化生成的NO具有抗AS的作用。NO具有强烈的舒血管作用,抑制血小板在血管内皮黏附聚集,抑制VSMC增殖,同时可抑制内皮-单核细胞黏附。NO分泌异常及活性降低时,可导致血管痉挛、血管异常收缩、血管增生及血栓形成,这不仅是AS形成之前的一个早期表现,亦在AS的发展过程中发挥极为重要的作用。研究发现,在AS状态或炎性细胞因子如TNF-α和LDL刺激下,NOS的表达明显降低引起NO合成减少,相关动物实验发现给予 NOS 抑制剂会明显加速AS 进程[2]

  ET-1是内皮源性收缩因子,NO的反向调节物质,主要由血管内皮细胞分泌。当NO生物学活性降低时,ET会相对增多,使血管收缩、重塑及机能障碍[3]。研究证实,与正常人相比,AS患者的血浆ET浓度明显升高,且增高程度与病变程度相关,大量的ET促进VSMC增生,导致粥样斑块形成和斑块体积扩大,同时可引起冠状动脉强烈而持久的收缩,导致心肌缺血加重,从而诱发心绞痛甚至心肌梗死。

1.1.2黏附分子表达异常

  当血管内皮功能障碍时,其表面的黏附分子表达异常。黏附分子的表达异常可使内皮细胞表面黏附性异常增高,促使黏附于内皮的单核细胞迁移至动脉内皮下间隙,分化、摄取脂质转化为泡沫细胞,促进AS的发生发展。目前认为,黏附分子是AS这一慢性炎症反应过程始动的关键因素[4]
   细胞黏附分子,顾名思义是一类起黏附作用的细胞表面跨膜糖蛋白,可调节细胞与细胞、细胞与细胞外基质间相互结合黏附。根据其编码基因结构的同源性及产物的功能特点,可将其分为 6个家族:整合素家族、选择素家族、免疫球蛋白超家族、钙依赖黏附素家族、血管附着素家族及尚未分类的家族。黏附分子在静息状态下呈低水平表达,但能在炎性反应等病理条件下被快速诱导而大量表达于血管内皮上。目前研究最多的与AS相关的黏附分子为免疫球蛋白超家族成员中血管细胞黏附分子-1( vascular cell adhesion molecule-1,VCAM-1)和细胞间黏附分子-1( intercellular adhesion molecule-1,ICAM-1)。
   VCAM-1(CD106)表达于内皮细胞、上皮细胞、树突状细胞、巨噬细胞,由6个或7个免疫球蛋白样功能区组成,其配体β1整合素VLA-4 ( very late antigen-4)可与VCAM-1的结构中的 1区和 4区结合。配体VLA-4多表达在单个核细胞上,包括嗜酸性粒细胞、淋巴细胞、单核细胞和嗜碱性粒细胞,不表达于中性粒细胞,因此 VCAM-1可选择性地促进单个核细胞与内皮细胞相互结合黏附。目前的研究[5]认为,在AS发生过程中,VCAM-1和 ICAM-1介导的免疫反应起了极其重要的作用。在AS发生早期VCAM-1和 ICAM-1促进单核细胞向内皮黏附、迁移,在AS进展期促进已迁入病灶的单核细胞滚动,激活T淋巴细胞,并增加其他细胞与细胞间的相互作用。
   最新研究发现,内皮细胞特异性的细胞表面蛋白Tie-1在内皮细胞过表达时,可通过 p38依赖的机制上调VCAM-1,E-选择素和细胞间黏附分子,同时可促进单核细胞黏附到内皮细胞上,从而促进内皮细胞炎性反应的发生[6]。Boos等[7,8]研究指出,能够反映内皮损伤程度的循环内皮细胞增多与内皮损伤、组织因子及炎性反应 (如IL-6)等有关,可作为 AS的发病指征及其严重程度和治疗的新型指标。
   黏附分子介导的黏附过程,首先是内皮细胞上多种选择素成员通过与循环中的单核细胞表面相应配体结合,使单核细胞被松散地“栓”在损伤/活化的内皮细胞上,然后是单核细胞活化,其表面表达增强的整合素与内皮细胞上的免疫球蛋白超家族成员中相应受体稳定结合,促进单核细胞黏附于血管壁,最后穿过内皮层,进入内膜下,成为巨噬细胞,通过清道夫受体吞噬ox-LDL,转变为泡沫细胞,参与AS的形成(见图1)。 

图1 AS斑块的形成(引自Goldman’s Cecil Medicine Inflammation, atherosclerosis, and coronary artery disease. N Engl J Med.

2005;352:1685-1695.)

   Adhesion molecules:黏附分子 Monocyte:单核细胞 T cell:T细胞 T cell receptor:T细胞受体 HLA:人白细胞抗原 Scavenger receptor:清道夫受体  foam cell:泡沫细胞 HDL:高密度脂蛋白 LDL:低密度脂蛋白 ox-LDL:氧化低密度脂蛋白 Endothelium:内皮细胞 Antigen presenting cell:抗原递呈细胞 Cytokines:细胞因子 Macrophage:巨噬细胞 Eicosanoids:类花生酸类物质 Radicals:氧自由基 Proteinases:蛋白酶 Inflammation:炎症 Cholesterol efflux:胆固醇外流

1.2导致内皮功能障碍的原因

  在化学(ox-LDL、自由基、炎性反应因子及感染)及物理(血流剪切力、牵拉、痉挛、缺氧 )等因素刺激下, 内皮细胞被损伤或者活化。下面主要介绍氧化型低密度脂蛋白及血流剪切力的作用。

1.2.1氧化低密度脂蛋白(ox-LDL)损伤血管内皮

   ox-LDL是渗透到动脉内膜下的LDL在内皮细胞和巨噬细胞产生的氧自由基和催化酶的作用下被氧化而成,是导致血管内皮细胞损伤的主要原因。ox-LDL损伤血管内皮功能表现在:1)直接损伤内皮细胞表面层糖萼,增强内皮细胞黏附能力,诱导血液中的单核细胞黏附于内皮细胞表面和向内皮下趋化,最终将其定于内皮细胞表面;2)与植物血凝素样氧化型低密度脂蛋白受体-1( lectin like oxidized low density lipoprotein receptor-1,LOX-1)结合。当机体存在高血压、糖尿病及脂代谢紊乱时,LOX-1可高度表达于血管壁。LOX-1摄取ox-LDL后,促进定于内皮细胞表面的单核细胞进入血管壁内,促使单核细胞向巨噬细胞转化,进一步形成泡沫细胞;3)产生细胞毒性作用,诱导内皮细胞凋亡;4)直接损伤内皮细胞及泡沫细胞,溶酶体释放多种酶,加速局部粥样斑块的形成等。有研究发现,ox-LDL可通过与LOX-1结合来上调人冠状动脉内皮细胞表达基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase,MMPs),且呈时间及剂量依赖性。其中MMPs可降解细胞外基质,若细胞外基质降解过度则引起动脉粥样硬化斑块破裂。
   由此可见,LOX-1介导了ox-LDL对内皮细胞的损伤。LOX-1除作为ox-LDL的受体外,也是一种细胞黏附因子,其可与激活的血小板和中性粒细胞结合,使内皮细胞释放内皮素增多,从而诱导内皮细胞功能紊乱,促进AS进程。

1.2.2 血流剪切应力作用

  血流动力学因素在AS分布部位上起主要作用。在体内,血管内皮细胞持续暴露于3种不同的机械力:平行于管壁的切线应力即剪切应力、垂直于管壁的环形张力和静水压。其中剪切应力对于动脉粥样硬化斑块的灶性形成具有重要影响。在正常生理动脉血流及剪切应力( > 15 dyn/cm2) 作用下,单层扁平的VEC排列成梭形,长轴与血流方向一致,能分泌多种血管活性物质,以扩血管、抗氧化、抗凝血纤溶为主,如 NO、PGI2、C型利钠肽(CNP)、超氧化物歧化酶(SOD) 等;而血管收缩因子、生长因子、炎症介质和粘附分子的表达受抑制,因而具抗动脉粥样硬化作用。反之,在血流剪切应力降低(< 4dyn/cm2)时,内皮细胞呈多角型且排列不规则,所分泌的活性物质以ET、血管紧张素转换酶(ACEI)等缩血管活性物质、血小板源性生长因子(platelet derived growth factor,PDGF) 、炎症介质、粘附分子、促血管内皮细胞增生和凋亡的活性物质为主,使内皮细胞受损伤,导致动脉粥样硬化发生[9]

  因此,在物理及化学因素刺激下,血管内皮细胞功能障碍,其伴随着扩血管物质如NO生物活性降低,氧化产物的增加及多种黏附分子的表达,从而启动粥样斑块的形成及发展,最终导致心血管疾病的发生。

2.脂质的作用

  大量研究证明,AS的病理改变始于儿童青少年时期,且与血脂水平特别是血浆胆固醇及三酰甘油水平密切相关。有学者提出,脂质和脂肪酸的沉积是内皮细胞功能障碍和 AS斑块形成过程中重要的病理机制。而软脂酸是游离脂肪酸中最丰富的饱和脂肪酸,软脂酸能刺激VECs释放CRP、IL-6,刺激VSMCs产生CRP、IL-6、TNF-α、iNOS[10],刺激巨噬细胞表达IL-6、TNF-α、单核细胞化学趋化蛋白-1(moncyte chemoattractant protein-1,MCP-1)等,促进单核细胞黏附,激活炎症反应。软脂酸亦能通过激活Toll样受体( toll-like receptor,TLR),刺激脂肪细胞和巨噬细胞炎性细胞因子的释放。这些证据为高脂血症的致AS作用提供了新的机制。研究发现,与正常动脉相比,有 AS斑的动脉载脂蛋白C1和载脂蛋白 E的基因和蛋白表达均明显升高,这可能是 AS形成的原因而不单是一种结果。亦有研究发现[11],高水平的游离脂肪酸可通过 Akt的抑制作用来诱导人脐静脉内皮细胞凋亡,这一机制可能是通过刺激凋亡来损伤和影响细胞的生存,从而影响心血管系统疾病的发生发展。
   现已得到公认的是, 高脂血症在 AS发病中的作用机制除直接引起内皮细胞损伤外,主要是使内皮细胞的通透性增加,这与LDL氧化修饰成为ox-LDL有关。内皮细胞损伤使细胞之间缝隙增大,导致LDL从缝隙渗透到动脉内膜下累积,此时血管中的抗氧化物质就起不到保护作用,LDL 在内皮细胞和巨噬细胞产生的氧自由基和催化酶的作用下,被氧化为ox-LDL而损伤内皮细胞功能。药物干预实验证实,降低 LDL-C的水平可以显著减少高胆固醇血症患者心血管疾病的生命危险,甚至也能使LDL-C水平正常的患者获益。而HDL-C具有抗AS的作用,其可将胆固醇逆向运输至肝脏处理,降低机体胆固醇水平。虽然循证研究认为 HDL不能单独作为治疗靶点,但升高体内 HDL的浓度确实能够减缓 AS的病变进程,HDL-C还有抗氧化和抗炎作用,HDL水平每升高 10mg/L, 冠脉疾病的危险就可能降低 6% ,低 HDL水平与心血管疾病的相关性在老人和女性群体中表现更为显著[12]

3.炎症的作用

  早在1856年,德国病理学家VIRCHOW就已提出AS是动脉内膜炎。而在1986年,美国华盛顿大学医学院ROSS教授首次明确提出AS是一种炎症性疾病,是对损伤的一种过度防御反应。病理学检查发现,AS存在炎症反应的基本特征,即变性、渗出和增生。

3.1炎性细胞

  研究证明,单核细胞、单核细胞来源的巨噬细胞、ox-LDL负载的巨噬细胞 (即泡沫细胞 )和 T淋巴细胞等炎性反应细胞均存在于AS病灶里浸润。

3.1.1单核巨噬细胞

   当VECs损伤时,内皮活化合成大量黏附分子,单核细胞黏附于血管内皮,在MCP-1的吸引下迁移入内膜下,转变为巨噬细胞,其可与ox-LDL结合,从而摄入大量胆固醇,成为泡沫细胞,启动AS的早期病变。巨噬细胞不仅是吞噬细胞,也是分泌细胞,活化的巨噬细胞可释放大量炎性因子进入细胞外基质而诱发特有的炎性反应。同时,活化的巨噬细胞可释放多种细胞因子和生长因子,促进中膜 VSMC的迁移和增生。此外,巨噬细胞还可表达多种金属蛋白酶和丝氨酸蛋白酶类,使细胞外基质退化,斑块不稳定甚至有破裂的趋势。近来研究显示,抵抗素作为一种炎性反应标记,主要由单核-巨噬细胞分泌,可直接作用到内皮细胞和VSMC,或刺激 IL-1b、IL-6、TNF-α、IL-12等炎性因子的表达[13],或通过刺激 CD36在细胞表面的表达来促进巨噬细胞中脂质的沉积,进而参与到 AS的炎性反应过程[14]

3.1.2 T淋巴细胞

  T淋巴细胞是天然免疫细胞,可不依赖抗原特异性而得到活化。在AS斑块中亦存在T淋巴细胞的浸润,斑块中的树突状细胞吞噬ox-LDL后游走至淋巴结,通过膜表面主要组织相容性复合体分子,将抗原信息提呈给T细胞使其活化,转化为效应T细胞和记忆T细胞,这些T细胞通过黏附分子作用与内皮细胞黏附,进入AS斑块内,经过巨噬细胞抗原提呈作用再次激活而发挥作用。在抗原刺激下活化的T细胞可产生多种炎性细胞因子,后者进一步放大炎症反应加重AS的进展。动脉粥样硬化斑块中的大部分T细胞为CD4十T细胞。正常血管壁存在不同的T细胞亚群,包括1型辅助性T细胞(Th l)、2型辅助性T细胞(Th 2)和调节性T细胞(Th 3)等,不同T细胞亚群影响AS的方式各异,既参与AS早期斑块的形成又促进AS的进展。AS斑块内的T细胞以Th l居多,Th l能分泌IL-4、IL-5、IL-13,从而介导嗜酸性粒细胞参与炎症反应。Th l还可分泌干扰素(interferon,INF)-γ、TNF-α、IL-2等,激活巨噬细胞并促进炎症的发生。
   INF-γ在AS中的作用可概括为如下:1)活化巨噬细胞和血管平滑肌细胞(VECs),分泌黏附分子和趋化因子,促进T细胞、单核细胞进入AS斑块内,使斑块增大;2)增强巨噬细胞吞噬脂质而形成泡沫细胞;3)抑制VSMCs浸润、增殖及胶原合成,增加基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase ,MMPs)产生,引起AS斑块的不稳定和破裂。致炎细胞因子TNF-α和IL-1也存在于人体AS斑块里,通过NF-κB刺激炎性细胞因子分泌。因而,Th l在AS发生中发挥重要作用。而Th2和Th3具有抗AS的特性,提示不同T细胞亚群之间的相互作用和不平衡参与AS的发生发展。一旦Th1和Th2间的平衡被打破,Th1功能占优势,就可促进AS发展;而Th2和Th3占优势则有抗炎、抗AS作用。CD4+T细胞和CD8+T细胞均存在于小鼠 AS斑块内,CD8+T细胞也存在于人AS斑块,虽然CD8+T细胞在早期AS斑块内较少,但CD8+T细胞是AS进展期的主要T细胞。

3.1.3其他炎性细胞

  其他炎性细胞如B细胞、天然杀伤细胞、树突状细胞、中性粒细胞、肥大细胞等亦参与AS的发生发展。

3.2致炎因素

  依据炎症反应的性质及致炎物质的不同,可将AS的炎症反应以下3种:生物性炎症、免疫性炎症和化学性炎症。

3.2.1生物性炎症

  多种病原体引起血管壁感染和血管外感染可导致AS的发生。其中血管内感染研究较多的病原体包括肺炎衣原体(Chlamydia pneumoniae)、疱疹病毒(herpesvirus)、幽门螺杆菌( Helicobacter pylori)等;血管外感染常来源于牙源性病灶、支气管炎、前列腺炎等,感染病灶局部产生的大量炎性细胞因子进入血液循环,从而引起血管壁的炎症反应。实验证明,肺炎衣原体可在VECs、VSMCs及巨噬细胞内生长繁殖,释放内毒素、热休克蛋白等而引起炎症反应;疱疹病毒,尤其是人巨细胞病毒(human cytomegalovirus, HCMV)感染VECs后,机体产生相应抗体,抗原抗体结合激活补体系统,从而导致VECs损伤,刺激炎性细胞因子释放。研究发现,幽门螺杆菌可黏附于VECs刺激炎性细胞因子分泌,同时可产生细胞毒素相关性抗原抗体与VECs的抗原发生免疫反应,刺激VECs和VSMCs增殖,激活炎性细胞。

3.2.2 免疫性炎症

   AS患者体内亦存在自身抗原,如ox-LDL、热休克蛋白、凋亡或死亡的细胞等,这些抗原可刺激机体产生相应抗体引起免疫反应,参与AS的发生。免疫反应可能主要通过2种途径参与AS发生、发展: 
   由各种因素引起的免疫性血管损伤:临床资料发现,自身免疫性疾病(如系统性红斑狼疮、类风湿性关节炎、强直性脊柱炎、牛皮癣性关节炎、多肌炎、皮肌炎、肠道炎症性疾病等)往往伴有自身免疫性血管炎。实验证明[15],系统性红斑狼疮患者循环免疫复合物中C1q与VECs表面C1q受体结合,刺激细胞因子表达。

3.2.3化学性炎症

  化学性炎症的发生涉及炎性细胞因子、炎症介质、黏附分子和趋化因子等。目前研究发现,脂质、血管紧张素Ⅱ、醛固酮、纤维蛋白原、高级糖基化终产物(advanced glycation end products,AGEs)、Hcy、尿酸、ET-1、抵抗素等这些化学物质对心血管具有致炎作用。
   临床观察发现,原发性高血压患者循环血液中炎性细胞因子(如CRP、IL-1、IL-6、TNF-α等)和ICAMs表达增多,其增高程度与血压升高水平呈正相关,这与高血压时交感神经兴奋、RAAS被激活、血管紧张素Ⅱ产生增多有关[16]。AGEs可刺激VECs释放炎性细胞因子,表达iNOS,这可以解释糖尿病患者亦并发AS[17]
   近年来, 大量流行病学调查和临床病例研究证实, HHcy是AS心血管疾病的独立危险因素[18]。临床观察也发现,HHcy患者血浆中CRP、IL-6水平增高[19]。研究证明[20],HHcy能使核因子κB活化,增加CRP、IL-6、IL-8等炎性细胞因子的分泌,上调MCP-1等趋化因子的表达,刺激VECs黏附分子的表达,诱导单核细胞黏附。HHcy也可促进ROS产生,刺激B细胞、T细胞的增殖,增加血浆和组织中ET-1和血管紧张素Ⅱ水平[21]
   实验证明[22],尿酸对AS的形成有双重作用,这与尿酸浓度的高低有关。低浓度和高浓度的尿酸均促进AS的形成和发展,而中等水平的尿酸反而对心血管系统具有保护作用。有报道发现,人类AS斑块中存在较多含量的尿酸,提示尿酸可能参与了血管壁的炎症反应,对AS形成有直接作用。血浆中高浓度的尿酸可促进单核细胞黏附于VECs,增加血管壁CRP表达;激活核因子-κB和激活蛋白-1,活化MAPK依赖性信号通路,增加环氧化酶和单核细胞趋化蛋白-1MCP-1表达,从而引起炎症反应。

4.VSMC的作用

  血管平滑肌细胞是血管壁中产生细胞外基质的主要细胞,在AS的发生中起着重要作用。在致AS刺激因子的作用下,中膜的VSMC增殖、游走进入内膜,吞噬脂质,形成 VSMC源性泡沫细胞,参与脂斑的早期富集。中膜增生的VSMC亦可合成各种基质蛋白,如胶原蛋白、弹性蛋白和糖蛋白等,这些基质蛋白又会影响进展中斑块的脂质量和黏附其上的细胞增殖指数。同时,斑块中的VSMC产生多种细胞因子,如PDGF、转化生长因子-p( TGF-p)、IFN-γ和MCP-1,这些细胞因子可引发和加重脂类的炎症反应,促进不稳定板块的形成。
   近年来,AS形成过程中 VSMC凋亡的作用也备受关注。研究表明VSMC的调亡可促进AS进展、斑块钙化、动脉中层变性以及动脉管腔狭窄。在正常的动脉壁并不存在VSMC的凋亡。在AS斑块形成早期,VSMC的凋亡频率很低,但在进展斑块中,其凋亡频率却达到最大,致使 VSMC和巨噬细胞均显现出凋亡的特点。亦有研究证明,单纯 VSMC凋亡是 AS斑块稳定的重要前提。与稳定性斑块相比,不稳定斑块中VSMC的凋亡水平更高。在体内,VSMC的凋亡能可促进 IL-1的释放及上调MCP-1和IL-8的表达从而导致巨噬细胞浸润。在体外,VSMC的凋亡能引起凝血酶的生成和血管钙化,同时,凋亡的血管细胞能够促进局部和全身性的血栓形成。

5.氧化应激的作用

  氧化应激使AS形成的重要诱因之一。氧化应激是指机体在遭受有害刺激时,机体活性氧 (reactive oxygen species,ROS)的产生与组织抗氧化之间失衡,从而导致组织损伤,即ROS的生成速率大于清除速率,导致其在体内蓄积,而产生一系列生物反应的过程。常见的ROS主要有:超氧阴离子、羟自由基、过氧化氢、过氧亚硝酸根离子、氧自由基以及一氧化氮等。正常情况下,细胞具有抗氧化作用,可清除多余的ROS维持细胞氧化还原自稳状态,ROS由机体正常代谢产生,具有杀死有害微生物,调节免疫力等独特的生理作用,是机体防御所不可或缺的。当机体处于氧化应激状态时,机体的抗氧化防御能力下降,血管壁细胞可产生大量的ROS,超过机体的清除能力,这一稳态失调,对细胞脂质、细胞膜、蛋白质及DNA产生不可逆损伤,引起血管壁的氧化性损伤,表现为VECs功能和结构障碍、单核-巨噬细胞迁移、平滑肌细胞和成纤维细胞增生、细胞外基质降解等,最终发展为AS。

5.1氧化应激对脂质、蛋白及核酸的影响

  氧化应激引起ROS水平升高,可直接使LDL氧化成ox-LDL。同时可导致构成生物膜的脂质过氧化,使其液态性与流动性发生改变、膜受体与离子通道的脂质微环境遭到破坏。线粒体膜受破坏会影响ATP的生成与转运,进而影响细胞能量代谢,甚至导致细胞凋亡或坏死,促使局部炎性反应发生和巨噬细胞富集等,形成AS发生发展的条件[23]
   研究发现,蛋白质氧化标志物与冠状动脉疾病有显著联系,氧化应激状态下,ROS与相应蛋白质发生反应,产生终末氧化蛋白质产物 ( advanced oxidative protein products,AOPP),并可通过氧化作用将蛋白质转换成羰基衍生物,AOPP和羰基衍生物是蛋白质氧化的标志[24]
   氧化应激产生的 ROS可对线粒体DNA造成损害。线粒体DNA编码的多肽是氧化磷酸化的组成部分,所以ROS可以通过损伤线粒体DNA来攻击氧化磷酸化系统,导致ATP生成减少,干扰细胞能量代谢,影响细胞活动及其生理功能等,线粒体DNA的氧化损伤与AS病变的进展相关。另外,氧化应激可活化线粒体凋亡途径,并已经在血管疾病如AS和高血压中得以检测[25]

5.2氧化应激的血管生物学效应

   ROS可降低内皮细胞中eNOS的活性,从而抑制NO的产生,促使ET的合成和释放[26],这种NO和ET之间动态平衡的破坏是动脉内皮受损的显著特征。ROS在损伤内皮依赖的血管功能的同时,促进脂质激活补体趋化单核细胞,诱导内皮细胞表达多种选择性黏附分子,如 ICAM-1、VCAM-1和选择素[27]。研究显示,ROS参与调控多种MMPs,刺激VSMC分泌MMP-2(明胶酶A)和MMP-9(明胶酶B), 调节细胞外基质的降解来介导VSMC的迁移,亦促进纤维冒降解,影响斑块的稳定性。ROS亦可激活细胞外信号调节激酶 ERK1/2,刺激 VSMC增殖;诱导血小板和巨噬细胞产生PDGF,PDGF则诱导 VSMC和成纤维细胞增殖,并由动脉壁中层迁移至血管内膜,刺激血管细胞生成新的结缔组织,导致内膜纤维肌性增殖性病变,加重动脉粥样硬化。

6.血小板的作用

  动脉内皮细胞损伤后,可促进血小板黏附到受损的内皮细胞上,从而促进PDGF的释放,导致肌内膜细胞不断增生,最终导致胶原合成,形成AS斑块。在AS血栓形成的最终阶段,血小板的黏附、活化和聚集可导致动脉闭塞和继发性缺血。
   血小板与内皮细胞、结缔组织相互作用,对局部管壁动脉粥样硬化的发生有重要意义。血小板在 AS中的作用主要表现在: 1)任何形式的内皮损伤,均能使血小板大量黏附聚集于内皮局部,激活凝血系统,引起血栓形成(图2)。研究指出[28],血小板的活化主要通过 CD36依赖的信号通路发挥作用。2)分泌和释放多种活性物质,如 PDGF、血小板第4因子(PF4)、血栓球蛋白等对 VSMC及单核细胞均具有强烈的化学趋化作用,参与 VSMC游出、增殖及修饰主动脉内膜,吸引单核细胞黏附内皮。有学者指出 PDGF具有趋化成纤维作用,并能促进单核细胞增殖各自的抗原决定簇,在致 AS过程中起重要作用(图4)。3)静脉内皮细胞能产生NO和PGI2,并不断在肺内释放,调节血小板的功能。研究发现[29],与AS炎性反应过程密切相关的血小板内皮黏附细胞分子-1也是重要的血小板抑制剂,其可能通过对酪氨酸激酶连接受体的负反馈调节从而对血小板起到微弱的调节作用。

 

      图2 血小板释放功能

7.基因水平研究

   随着人类基因组计划迅速展开,尤其是高通量基因芯片和基因测序技术迅速发展,使得心血管疾病的基因组学研究取得了重大进步,全基因组关联研究(whole genome association studies,GWAS) 是目前寻找AS基因位点的最好方法,成功发现了许多先前从未认识致病或易感基因,确定这些致病/易感基因将为疾病的分子分型、早期预警/分层及个体化干预策略制定提供基础。
   PTEN基因的生物学功能是一种脂质磷酸酶,共编码403个氨基酸,具有两个主要的功能区域:起催化酶促作用的磷酸酶区域和c2区域。国外学者发现PTEN能够抑制VSMC的增殖、迁移以及存活,进一步研究发现PIEN能够显著抑制机体损伤后VSMC向伤口的迁移,从而延缓AS的进程[30]。其机制在于PTEN可作用于上游的一些重要增殖信号转导通路,激活通路中的关键酶(如磷酸肌醇依赖性激酶)后,通过调控信号通路诱导细胞凋亡和中层细胞增生来抑制平滑肌细胞内膜增生。
   微小RNA(miRNA,miR)是一种长度约为19~23个核苷酸的RNA分子,抑制mRNA翻译,调控基因表达。与组织中miR不同,血液中miR具有稳定性,miR调节内皮细胞的功能,在AS中发挥作用。如miR-126抑制VEC表达VCAM-1,降低单核细胞和T细胞的黏附及迁移,抑制AS进展[31]。miR除调节平滑肌细胞和内皮细胞之外,还作用于斑块中的单核巨噬细胞、T细胞、树突状细胞、中性粒细胞,发挥广泛的作用。目前,miR是AS研究的新领域,可能成为AS预防和治疗的新靶点。
   蛋白质组学是功能基因组学重要组成部分,通过比较差异化蛋白探讨 AS 疾病的发病机制是目前心血管领域的前沿和热点。有研究者利用 2DE 对颈动脉动脉粥样硬化斑块核心区和周围正常区组织进行蛋白质组学研究,21种差异蛋白被鉴定出,其中热休克蛋白(hot shock protein,HSP) 27 是第一个在颈动脉斑块分泌研究中发现的具有潜在的AS生物标记物。HSP的表达和动脉粥样硬化有明显关联:以HSP60为代表的HSP主要通过诱发自身免疫促进AS的发生发展,可识别SR或TLR,通过NF-KB,调节细胞因子的释放,促进VSMC增殖、迁移以及细胞外基质合成,通过巨噬细胞和抗HSP抗体进一步引起AS。以HSP27为代表的热休克蛋白,可以抑制氧化应激,降低炎症免疫反应,调节平滑肌的迁移、增殖、凋亡,增强斑块的稳定性,抑制AS的进展[32]
   总的来说,尽管关于 AS的学说很多,其发病机制尚未完全明了,仍有待进一步研究。

三、

   AS基本损害是动脉内膜局部呈斑块状增厚,故又称动脉粥样硬化性斑块或简称斑块。AS发病率很高,且常累及全身动脉血管,如主动脉、冠状动脉、脑动脉、肾动脉等大中型肌弹力型动脉等,其中以冠状动脉和脑动脉罹患最多,肢体各动脉、肾动脉、和肠系膜动脉次之,下肢多于上肢,而肺循环动脉极少受累。AS好发于血流由层流变为涡流、振荡流、甚至停滞之处,这些部位血流剪切应力明显降低且方向改变,如动脉分支开口处外侧壁及动脉弯曲处。病变分布多为数个组织器官的动脉同时受累,AS斑块导致管腔狭窄甚至完全堵塞,使重要器官缺血缺氧、功能障碍以至机体死亡。
   AS发生时动脉壁相继出现脂质点和脂质条纹、粥样斑块和纤维粥样斑块、复合病变3类变化。美国心脏病学学会(AAC)将其细分为6型:I型即脂质点,为小范围的巨噬细胞来源的泡沫细胞富集而成;Ⅱ型即脂质条纹,为富含脂质的巨噬细胞及平滑肌细胞成层排列,并有T淋巴细胞浸润;Ⅲ型即斑块前期,细胞外出现较多脂滴,并在内膜和中膜平滑肌层之间形成脂核,但尚未形成脂质池;Ⅳ型即粥样斑块,脂质积聚形成脂质池,致使血管内膜结构破坏,动脉壁变形;V型即纤维粥样斑块,此型为AS最具特征性的病变,白色斑块突入血管腔内引起管腔狭窄,向中膜扩展破坏管壁。斑块表面内膜被破坏而由增生的纤维膜覆盖于脂质池上。同时,可有纤维结缔组织增生,变性坏死等继发病变;Ⅵ型即复合病变,为严重病变。由纤维斑块发生出血、坏死、溃疡、钙化和附壁血栓形成。
   按AS病程阶段分类,AS发展过程可分为4期,但临床上各期并非严格按顺序出现,可交替或同时出现。1)无症状期或称亚临床期,其过程长短不一,包括从较早的病理变化开始,直到AS已经形成,但尚无器官或组织受累的临床表现;2)缺血期,血管腔狭窄引起相应的器官缺血症状;3)坏死期,由于血管内急性血栓形成,使管腔闭塞而产生器官组织坏死的表现;4)纤维化期,长期缺血使器官组织纤维化萎缩而引起的症状。
   近年来由于冠脉造影(CAG)的普及和冠脉内超声成像技术(IVUS)的进展,对冠心病患者的斑块性状有了更直接、更清晰的认识。从临床的角度来看,AS斑块基本上可分为两类:一类是稳定型即纤维帽较厚而脂质池较小的斑块;而另一类是不稳定型(又称为易损型)斑块,其纤维帽较薄,脂质池较大易于破裂。其中不稳定型斑块破裂可导致急性心血管事件发生。

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