Phenotypic Shift in Vascular Disease

OU He-sheng,TANG chao-shu

(Central Laboratory in First Affiliated Hospital of Beijing Medical University,Beijing 100083)

［A Review］ Vascular endothelial regeneration play a key role in regulating vascullar injury and recovery.As a major event of endothelial recovery,endothelial regeneration may take part in the pathogenesis of atherosclerosis and restenosis after angioplasty.There is a phenotypic shift between normal and regenerated endothelial cell.Changes of para/autocrine funtion in regenerated endothelial cell,due to the variety of cell phenotypic response,play an important role in regulating vascular tone and smooth muscle cell proliferation,which was a critical event in the neointimal formation of restenosis and the plaque of aterosclerosis.

血管内皮细胞(endothelial cell;EC)再生是血管内膜损伤或剥脱后的主要修复方式。然而，Koo等^［1］于1989年应用血管体外培养发现，球囊拉伤后再生EC存在功能紊乱，并促进了再狭窄病变的发生发展。近来研究表明，EC再生的过程不仅参与血管内膜的修复，而且也参与动脉粥样硬化和再狭窄等病变过程。再生EC存在表型的改变可能对血管损伤性病变的发生发展起重要的作用。

1正常血管内皮细胞的结构与功能

EC是衬于血管腔内表面的单层扁平上皮细胞，大血管EC和微血管EC的结构基本相同，形态略有差别。微血管EC扁平而细长，大血管EC多数呈多角形或两种形态并存。大血管EC比微血管EC要厚些，它们在血管原位都是以顺血流方向呈纵行排列。随着物种的进化，人和高等动物的EC由于各系统和器官功能的需要而逐渐分化成一些有特征的EC，如肾和胃肠粘膜的开窗性EC；肝、脾和骨髓的窦状EC、心内膜上的连续性EC以及脑和视网膜的特化性EC。

EC的功能远不仅仅是解剖意义上的屏障作用，而是具有多种功能。EC能合成和分泌许多种具有不同功能的血管活性物质如细胞因子、肽类和生长因子等，在调节血管弹性和舒缩状态、对血管壁平滑肌细胞的生长抑制或刺激、促凝和纤溶功能的调节以及血管壁重塑等方面均有十分重要的作用。EC是人体最大的多功能内分泌器官的观点已得到公认^［2］。

2内皮的损伤与再生

由于所处解剖位置的特殊性，EC极易受到各种因素的影响而被损伤。这些损伤性因素包括物理性因素如血流产生的切应力、化学性因素如酸碱平衡紊乱、生物性因素如细菌内毒素以及机械性因素如血管成形术等。各种因素导致EC损伤或剥脱后，邻近内皮细胞出现再生修复以取代受损或剥脱的内皮，这个过程称为内皮再生(endothelial regeneration)。

内皮的再生过程包括几个阶段：(1)损伤周边邻近的正常细胞向损伤区扩展，但不足以覆盖损伤区和重建内膜；(2)邻近正常细胞发生迁移和增殖；(3)增殖停止时细胞表型发生改变，从增殖型又转向静止型。剥脱后最起始的反应是邻近细胞体积增大，并开始向剥脱区扩展，大约7小时细胞转向损伤区并开始迁移，此时细胞的密度明显增加，12～24小时细胞DNA合成增加，并出现细胞分裂。该区域DNA合成增加可达到100个细胞范围，距损伤区越近，DNA合成越明显^［3］；内皮细胞的迁移和分裂使损伤区内膜得以重建。内膜重建所需时间与损伤剥脱的程度有关；5～8个细胞范围的重建需要48小时左右；更广泛的剥脱时，细胞再生迁移可持续数天或数周，并且在未完全覆盖时，内皮细胞就停止其迁移和增殖。内皮增生的最后阶段以细胞形态改变为特征，再生的细胞胞体大、胞浆有突起，胞核也大。无疑内皮再生对于受损的血管内膜修复其结构和功能有着积极的意义。然而近年来越来越多的实验现象和证据表明，再生EC对动脉粥样硬化(AS)和再狭窄起着不可忽视的作用^［4，5］。大面积、严重的EC损伤或剥脱(如血管成形术后)内皮再生可形成新内膜；而反复少量的内皮损伤或剥脱意味着反复出现内皮再生、再生内皮又可被损伤，这种状况在很大程度上将找造成内皮功能紊乱^［6］。已有的资料证实，再生内皮与正常内皮确实存在某些生化成分和功能上的差异^［7，8］。这种差异意味着再生内皮不可能实现正常内皮的某些功能、或具有某些异常的功能，这可能是内皮功能紊乱引起AS和再狭窄细胞学基础。

3再生内皮的结构和功能改变

再生EC的结构出现改变是其功能改变的基础。已有实验证实，在内皮损伤后再生内皮细胞超微结构的改变包括细胞的微丝、微管和中心体的变化^［9］。对再生内皮细胞和正常内皮细胞的细胞骨架进行比较表明，正常情况下EC的肌动蛋白作为细胞周边的网状结构而存在，而在再生内皮细胞中可出现应激性纤维，尤其在受到致裂源的刺激时，应激性纤维的排列发生明显改变。如当内皮剥脱时，再生内皮中的应激性纤维明显朝向剥脱区^［10］。一般认为应激性肌动蛋白纤维是EC中所固有的细胞器，是在某些不恰当因素的作用下、或在某种病理状态下重新进行的适应性排列。这种排列的改变意味着将出现细胞迁移，并决定其迁移的方向。在内皮剥脱后所出现的再生内皮细胞中，细胞骨架的重排对内膜的修复起着非常重要的作用。这种重排还受到许多因素和邻近细胞的增殖、细胞外基质成分和一些可溶性分子的调节。

再生EC结构的改变必然伴随其功能的改变，包括EC的通透性、对血管舒缩反应性调节、促凝和纤溶系统功能、血管平滑肌细胞生长刺激和抑制以及细胞外基质的合成等、而这些功能的改变是AS和再狭窄病变形成的重要基础。最近Alvarez等^［11］雌激素对内皮细胞凋亡的影响时发现，当内皮细胞的更新率增加时可出现内皮细胞功能紊乱；更新率的增加意味着细胞凋亡和再生速度增高，因此这时内皮细胞功能的紊乱不仅是凋亡增加所引起，更可能是再生速度增加时内皮细胞本身功能发生改变的结果。

4再生内皮细胞表型改变的病理生理意义

众所周知高胆固醇血症是AS的重要危险因素。内皮细胞对胆固醇有积极主动的代谢调节。在体外培养的EC能够摄取外源性胆固醇，然后在EC胞体内的固醇27-羟化酶作用下生成27-羟化胆固醇及其氧化产物3β-羟基5-胆淄烯酸，该产物很容易转运出细胞外。体内EC能摄取血液中的部分胆固醇，以同样的代谢方式处理胆固醇，将代谢产物转移到血液中，然后经肝脏进一步代谢变成胆汁酸排出体外。Day等^［12］报道，当球囊剥脱内皮11～15周后，再生内皮细胞摄取³H-胆固醇明显高于去内皮区和假手术组，即再生内皮比正常内皮和损伤内皮更多地摄入胆固醇。对胆固醇酯的代谢研究表明再生内皮分解胆固醇的能力明显低于假手术组。胆固醇的摄取增加而分解代谢减少，是再生内皮对胆固醇代谢与正常内皮有明显区别的表型改变特征，它将导致胆固醇在新内膜下的积聚，被单核-巨噬细胞或平滑肌细胞过多摄入便形成泡沫细胞。Gorog等^［13］用激光损伤内膜，14周时再生内皮对¹²⁵I-LDL的摄取是正常内皮的两倍，到16周内皮再生更完整时对¹²⁵I-LDL的摄取是正常内皮的5倍，说明新内膜下的胆固醇积聚与再生内皮对胆固醇的摄取增加有直接的关系。

再生内皮对胆固醇酯的摄取增加可能与脂蛋白同细胞外基质的结合增加有关。细胞外基质参与多种细胞反应的调节，也可能是细胞的一种代偿机制。它在细胞分化、炎症反应、凝血与纤溶、细胞与细胞之间的相互联系以及一些可溶性分子的主动转运等方面都起着不可忽视的作用。在血管壁，细胞外基质如蛋白聚糖(PG)影响着血管壁细胞与血液细胞之间的联系。脂质可通过改变血管的PG代谢而发挥致AS作用，早期AS病变如存在PG的合成增加则会促进AS病变的发展^［14］。血管壁PG可来源于EC或平滑肌细胞(SMC)，但两种细胞合成的成分有些区别，EC主要合成硫酸肝素(HS)，而SMC主要合成硫酸软骨素(CS)和硫酸角质素(DS)。球囊剥脱后形成的新内膜中PG的合成释放明显增加，其种类和分布也发生明显改变。Ismail等^［15］报道这些PG可同时来源于EC和SMC，其中75%的PG与中-内层结合，多以较大的分子量呈多聚体形式存在，而且高分子的PG中HS的增加比例更明显，即来源于EC的PG增加占了较高的分量。新内膜中的CS来源于SMC和再生EC，这种CS的链比正常要长，提示细胞内合成CS的基因激活位点发生改变，或其蛋白释放前的修饰加工过程有异常。再生EC合成释放细胞外基质的量和成分发生改变，无疑有助于AS和再狭窄血管的重塑过程，也影响细胞间可溶性分子对血管舒缩反应性、平滑肌细胞增殖和迁移的调节。

内皮细胞通过合成和释放一些血管活性物质来调节血管的舒缩反应性。这些物质有的引起血管收缩如内皮素-1(ET-1)，有的引起血管舒张如一氧化氮(NO)。NO是具有很高活性的信使分子，能自由地扩散于膜性结构。在血管EC，NO由L-精氨酸在NO合成酶(NOS)催化下生成。当进入SMC时与细胞内特殊的靶分子自由而发挥其生理功能，如当与胞内鸟苷酸环化酶卟啉环上的铁原子结合时该酶被激活，产生环磷酸鸟苷(cGMP)，通过cGMP的升高导致血管舒张。调节这一生理过程的关键酶是EC中的NOS。自从1990年获得NOS的单克隆抗体和多克隆抗体、继而在1992年克隆了牛和人的NOS cDNA以来，NOS的分子生物学研究对血管医学的研究起了很大的推动作用。<