内皮细胞糖代谢在血管发育中的作用*

王 媛，王钧左，严溢泉，葛 昕，李 伟，赵星成△

（1第四军医大学航空航天医学训练教研室，航空航天生理学教研室，陕西西安710032；2空军航空大学初级飞行训练基地第五训练团，山东淄博255300）

内皮细胞代谢在健康维护和疾病发生中发挥着重要作用，其主要的代谢通路包括糖酵解、脂肪酸氧化和氨基酸代谢，都在血管发育进程和结构的形成中有着重要的作用。在多种血管相关疾病如动脉粥样硬化、糖尿病、视网膜新生血管疾病和肿瘤中，都伴随不同程度的内皮细胞代谢紊乱。深入理解内皮细胞代谢紊乱在这些疾病中的重要作用对于以代谢为靶点的治疗格外重要。在血管发育过程中，内皮细胞增殖和迁移的能量供给主要依赖于糖代谢，且内皮细胞糖代谢的异常与血管相关疾病的发生发展最为相关，因此本文就近年来关于内皮细胞糖代谢在血管发育和血管相关疾病中的作用进行综述。

1 生理状态下的血管生成

血管发育主要依赖于血管发生（vasculogenesis）和血管生成（angiogenesis）2 种形式。在胚胎发育的早期阶段，中胚层细胞分化为成血管祖细胞，再向下分化为内皮祖细胞（endothelial progenitor cells，EPCs），组成血岛。血岛融合形成初级血管丛，最后逐渐形成血液循环，这个过程被称为“血管发生”，是血管从无到有的发育过程。若是新生毛细血管从已存在的血管萌芽而出，则被称为“血管生成”，是血管由少到多的发育过程，而若是由已经存在的血管通过分裂的方式形成一个“子血管”，则被称为“套入式（intussusception）血管新生”，这也是血管生成的一种方式［1-2］。目前的研究主要集中在血管生成。

缺氧、炎症、缺血等因素会刺激血管内皮生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）、成纤维细胞生长因子（fibroblast growth factor，FGF）等其他促血管生成物质的生成，使静息内皮细胞的表型变为活化态。处于最高浓度VEGF 中的内皮细胞会分化为端细胞（tip cells），端细胞有很强的迁移能力，可以利用板状伪足与丝状伪足引导新生血管向促血管信号的来源方向迁移，是新生血管的先锋；紧随其后的是柄细胞（stalk cells），柄细胞具有增殖能力，可以延长和稳定新生的血管。随着血管的逐渐发育，新生的血管通过端细胞融合而相互连接，并募集周细胞和血管平滑肌细胞，最后血液成功灌注标志着新的血管网建立，内皮细胞重新恢复至静息态［2］。

2 糖代谢在血管发育中的作用

2.1 内皮细胞糖代谢以糖酵解为主 尽管内皮细胞接触富含氧的血液，但相比于能够产生更多ATP的氧化磷酸化，内皮细胞更倾向于利用糖酵解来生产ATP［3］。内皮细胞的增殖依赖糖酵解，且85%的能量供应来自糖酵解［4］。内皮细胞的这一特点与其线粒体数量较少相一致［5］。但除此以外，还有以下原因：（1）高糖酵解率可以维持乳酸的稳定产生，而乳酸是一种促血管生成的信号分子［6-7］；（2）较低的氧化磷酸化不仅使内皮细胞内的活性氧簇（reactive ox‑ygen species，ROS）含量维持在低水平，还可以确保内皮细胞周围的组织和细胞最大程度地利用氧；（3）在葡萄糖充足的情况下，糖酵解产生ATP 速率比氧化磷酸化更快，且依赖糖酵解的先决条件，在低氧环境中，血管形成的速度可以不受氧气限制，故糖酵解可以更快地产生能量从而促进无氧环境中血管的发育及形成［8-9］；（4）较高的糖酵解速率通过糖酵解分支来合成大分子和维持氧化还原稳态［9］；（5）体外研究表明，通过阻断线粒体呼吸功能来提高糖酵解程度会刺激端细胞分化，更有利于新生血管的形成［10］。正是由于以上原因，内皮细胞才会首选糖酵解作为能量供应。

2.2 糖酵解与血管发育 糖酵解在内皮细胞的代谢中占主导地位，有研究认为内皮细胞的分化和增殖由糖酵解引起。血管发育时，内皮细胞从静止状态变为活跃状态，其糖酵解量大大提高，从而为血管发育提供能量。因此，在血管发育的过程中有许多因素可以驱动内皮细胞的糖酵解，如VEGF、FGF、缺氧等。端细胞利用糖酵解产生的ATP 来形成板状伪足和丝状伪足，虽然糖酵解的缺失对柄细胞所支持的细胞增殖能力有一定影响，但主要会降低端细胞的迁移能力［4］。内皮细胞利用葡萄糖转运体1（glucose transporter 1，GLUT1）来吸收葡萄糖。首先，VEGFA 可以增加 GLUT1 和 6-磷酸果糖-2-激酶/果糖-2，6-二磷酸酶 3（6-phosphofructo-2-kinase/fructose-2，6-bisphosphatase 3，PFKFB3）的数量来促进葡萄糖的吸收与分解［11］。PFKFB3 是糖酵解的重要活化剂，具有很强的磷酸化作用，且在内皮细胞中含量很高，它促进果糖-2，6-二磷酸的合成，果糖-2，6-二磷酸会激活磷酸果糖激酶1（糖酵解的限速酶之一），因而可以促进糖酵解［3］。其次，FGF 通过促进己糖激酶2（hexokinase 2，HK2）的表达来促进糖酵解，而HK2 是糖酵解中的第一个关键酶，催化葡萄糖转化为葡萄糖-6-磷酸（glucose-6-phosphate，G6P）。此外，缺氧会促进PFKFB3 的表达，从而诱导GLUT1 表达和激活HK，启动糖酵解。丙酮酸激酶（pyruvate kinase，PK）是糖酵解最后的关键酶，催化磷酸烯醇式丙酮酸转化为丙酮酸。PKM2 是PK的一种亚型，在成人正常细胞中有表达［2，4］。研究表明，敲减内皮细胞中PKM2的表达会抑制血管的形成。糖酵解的终产物乳酸会增加VEGF 的表达，从而促进血管生成［12］。一般来说，静息内皮细胞的糖酵解发生在核周基质中，而一旦内皮细胞开始迁移，在板状伪足与丝状伪足中也可发生糖酵解，这样可以为肌动蛋白骨架重塑提供局部所需的大量ATP 从而促进血管发育［4］。

血管生成中需要活跃的内皮细胞，大量的糖酵解不仅可以为血管生成提供能量，其产物也具有促血管生成的作用，因此，干扰或过表达糖酵解过程中的重要酶类，如PFKFB3，对血管生成会造成一定的影响。

2.3 糖酵解分支与血管发育 糖酵解的部分中间产物会进入糖酵解分支途径，包括己糖胺合成途径（hexosamine biosynthesis pathway，HBP）和磷酸戊糖途径（pentose phosphate pathway，PPP），这些途径在血管生成中也发挥着重要的作用。

2.3.1 HBP HBP 是糖酵解的另一种途径，在葡萄糖代谢中所占的比例非常小，它通过糖基化和糖基磷脂酰肌醇的锚定合成来修饰翻译后的蛋白［13］。G6P 代谢为果糖-6-磷酸（fructose-6-phosphate，F6P）进入HBP，谷氨酰胺果糖-6-磷酸转氨酶（glutamine fructose-6-phosphate aminotransferase，GFAT）是HBP中的一个限速酶，催化谷氨酰胺和F6P 合成葡萄糖胺-6-磷酸。高浓度的葡萄糖胺会促进蛋白质的糖基化并抑制血管发育；除此以外，在主动脉环生成模型中，高水平O-连接的N-乙酰葡糖胺糖基化修饰（OGlcNAcylation）会抑制血管发育，过表达O-连接的N-乙酰葡糖胺水解酶（O-GlcNAcase，OGA）则会因为抑制蛋白质的糖基化而促进血管发育［14-15］。但HBP 对内皮细胞的精确调控及机制仍有待研究。

2.3.2 PPP PPP 分为氧化阶段和非氧化阶段：糖酵解的第一个中间产物 G6P 可以进入 PPP［16］，在G6P 脱氢酶（G6P dehydrogenase，G6PD）的作用下转化为5-磷酸核酮糖（ribulose-5-phosphate，Ru5P）并产生NADPH，这一过程是不可逆的，也称氧化阶段；在非氧化阶段，Ru5P 异构为5-磷酸木糖（xylu‑lose-5-phosphate，Xu5P）和 5-磷酸核糖（ribose-5-phosphate，R5P），R5P 为核酸合成提供原料，也可经转化重新进入PPP［17］。其中在氧化阶段生成的NADPH 是脂类物质、核酸及一氧化氮（nitric oxide，NO）的生物合成所必需的，NADPH 可以维持还原型谷胱甘肽的数量进而维持细胞内的氧化还原稳态，而 NO 会促进血管生成［18-19］。PPP 的阻断会抑制血管发育，而G6PD的沉默会抑制内皮细胞的分化、迁移及血管形成［3］。

2.4 线粒体的呼吸作用与血管发育 虽然内皮细胞更倾向于利用糖酵解来产生能量，但它仍然具有相当大的备用的线粒体呼吸能力［20］。端细胞依靠糖酵解维持其表型，但在高能量的需求下则需要线粒体的呼吸作用来提供能量；非端细胞依靠糖酵解获取能量，而依赖氧化磷酸化增殖。线粒体的呼吸功能有以下作用：（1）氧化磷酸化产生ATP；（2）三羧酸（tricarboxylic acid，TCA）循环代谢产物用于大分子生物合成；（3）释放ROS 和代谢物来调节细胞的功能。在内皮细胞中线粒体可能是促进血管增殖的信号细胞器。Yetkin-Arik 等［10］发现抑制线粒体复合酶Ⅲ会抑制内皮细胞的增殖，但内皮细胞的迁移能力不会发生变化，这意味着线粒体呼吸是内皮细胞增殖所必需的，也从侧面证明糖酵解在血管生成过程中为内皮细胞的迁移提供能量。

3 内皮细胞糖代谢紊乱与疾病

静息态的血管内皮细胞能够很好的维持血管屏障的完整性从而维持血管稳态。然而，在多种血管相关疾病（如动脉粥样硬化、糖尿病、视网膜新生血管疾病和肿瘤）中都会发生静息态内皮细胞的功能失调，而内皮细胞的功能失调与其糖代谢的紊乱密切相关。

3.1 内皮细胞糖代谢紊乱与动脉粥样硬化 动脉粥样硬化是一种与脂质有关的累及大、中型动脉的慢性炎症性疾病［21］。在该病发展过程中最早可检测到的变化是内皮细胞激活和功能紊乱［22］。内皮细胞受刺激后一方面会分泌促平滑肌细胞生长因子，促进平滑肌细胞迁移至内膜［23］；另一方面，会增加黏附分子的表达，促进血管壁内单核细胞的募集，这些单核细胞分化为巨噬细胞吞噬修饰过的脂蛋白，变为泡沫细胞［24］。这便是动脉粥样硬化形成的基础。高层流剪切应力（laminar shear stress，LSS）会促进转录因子Krüppel 样因子2（Krüppel-like factor 2，KLF2）的表达，而KLF2 的过表达会抑制PFKFB3启动子活性，从而促进内皮细胞的沉默［3］。相反，粥样硬化区的内皮细胞受低LSS 干扰，表现为促炎通路的激活和糖酵解酶的增强表达，促进内皮细胞激活［25］。内皮细胞功能紊乱会使活性氧产量增高和具有抗动脉粥样硬化作用的NO 和H2S 降低，进一步加剧内皮细胞氧化应激和炎症，从而导致动脉粥样硬化的形成。促炎症信号增强糖酵解，反过来糖酵解可以驱动促炎信号从而形成恶性循环，最终可能会导致动脉粥样硬化的形成［3］。

此外，内皮细胞维持单层屏障完整性的能力被认为是预防动脉粥样硬化的关键［26］。低LSS 和其他动脉粥样硬化危险因素的结合促进内皮细胞死亡，从而损害内皮屏障的完整性。此外，AMP 活化蛋白激酶催化亚基α1（protein kinase AMP-activated cata‑lytic subunit alpha 1，PRKAA1）会诱导糖酵解增强，使内皮细胞增殖来保持单层状态及血管屏障的完整性，从而保护小鼠免受动脉粥样硬化；相反小鼠内皮细胞Prkaa1的选择性丢失降低了内皮细胞糖酵解，并破坏内皮细胞的单层结构，加速了动脉粥样硬化的形成［27］。由此看来，内皮细胞糖酵解紊乱确实会引起动脉粥样硬化，这与糖酵解驱动促炎信号从而导致动脉粥样硬化的研究结论相反［3］，故内皮细胞糖酵解紊乱在动脉粥样硬化形成中的具体作用仍有待研究，且以糖酵解为靶点治疗动脉粥样硬化是否真的有效也需要进一步研究。

3.2 内皮细胞糖代谢紊乱与肿瘤 无论是否有氧气存在，糖酵解始终是肿瘤生长代谢的中心，这种现象被称为Warburg 效应［28］。肿瘤生长的特征之一是血管过度增生，新生血管为肿瘤的生长、扩散提供营养；而缺氧是肿瘤生长的另一个显著特征，肿瘤微环境内的血管经常处于低氧状态，且缺氧会引起内皮细胞增殖及血管形成［25］。因此，肿瘤内皮细胞（tu‑mor endothelial cells，TECs）以高于正常内皮细胞的糖酵解量来满足血管生成所需的能量［29］。不仅如此，肿瘤微环境中还存在许多促血管生长物质（如VEGF 等），这些物质可以过度激活内皮细胞糖酵解从而导致肿瘤血管的过度生长。由于TECs 形状和大小不规则并与周细胞连接松散，导致肿瘤血管壁间隙较大，直接后果是血液灌流减少，肿瘤细胞无法及时得到营养并很容易入侵渗漏的血管以及从中扩散出去，而化学药物也因此无法到达肿瘤组织［3］。以往的治疗都是聚焦于阻止肿瘤血管的生长，以期来阻断肿瘤的营养供应，一个关键的靶点为VEGF，但由于这种方法效力低下，并且存在抗药性，所以效果也不尽如人意。但使肿瘤血管正常化来促进化疗药物的吸收及减少肿瘤细胞的扩散未尝不是一个好方法。基于TECs 的高糖酵解特点，降低TECs 糖酵解量来减少肿瘤血管的病理性增殖是一个不错的方案。Cantelmo 等［29］在黑色素瘤内皮细胞中用药物阻断PFKFB3 后，降低了糖酵解量，使周细胞更易于粘附，减少了内皮细胞间的缝隙，肿瘤血管开始正常化生长，同时也会提高化学药物的疗效，而这种降低糖酵解量来使肿瘤血管正常化的方法对肿瘤有一定的疗效也在不断被证实［30］。

此外，抑制线粒体复合酶Ⅲ会抑制TECs 增殖及肿瘤细胞（tumor cells，TCs）的增殖［31］。乳酸是促进血管生成的一个重要因素，其含量在肿瘤组织中也较高。TECs 通过单羧酸转运蛋白1（monocarboxylate transporter 1，MCT1）来吸收乳酸［3］，抑制MCT1 的表达也可有望靶向降低肿瘤血管生成。以往利用VEGF抗体拮抗血管生成使肿瘤营养供应减少［32］，但现在可以在这种疗法的基础上再加入以内皮细胞代谢为靶点的方法。

3.3 内皮细胞糖代谢紊乱与糖尿病及糖尿病视网膜病变 糖尿病是一种代谢性疾病，其特征主要为血糖升高。在这种情况下，内皮细胞除了表现为坏死性凋亡外［33］，糖代谢也会发生异常：首先，与以往GULT 不受血糖影响相反，最近有研究表明，高血糖时GULT1 减少；其次，糖酵解相关酶活性下降，使糖酵解中间产物蓄积，上述两种现象会导致ROS 的过度产生和晚期糖基化终产物（advanced glycation end products，AGEs）的蓄积，ROS 和AGEs 不仅会导致内皮细胞功能紊乱，还参与糖尿病的病理进程［4，34］。

糖尿病视网膜病变（diabetic retinopathy，DR）是糖尿病最常见的并发症之一，主要表现为眼内新生血管紊乱［35］并且以周细胞覆盖减少和神经元数量下降为特征［17］。在DR 中，早期血管细胞死亡是由糖代谢异常引起的。高血糖导致内皮细胞的GAPDH 失活，故过量的葡萄糖经多元醇途径代谢，该途径不仅会消耗NADPH，增加氧化应激，还会导致糖酵解中间产物的积累，从而导致 ROS 的产生［36］。ROS 的过度生成会导致炎症、线粒体功能障碍、细胞死亡和微血管缺陷，在许多动物模型中加入抗氧化剂可以缓解DR。与以往的认识不同，最近研究发现VEGFB有抗氧化的功能，在DR 小鼠模型中，玻璃体腔注射VEGFB可明显抑制视网膜细胞凋亡［37］。

高血糖和缺氧会使血管的完整性受到破坏，而成熟的血管内皮细胞修复损伤的潜力有限，骨髓来源的EPCs 具有修复血管和血管新生的能力。研究表明，在高糖条件下，EPCs 的线粒体膜电位会增高，进而释放大量ROS，此外EPCs 线粒体通透性也遭到破坏，这两个原因导致EPCs 功能受损，无法对DR 中损伤的血管进行修复。由于DR 中EPCs 线粒体功能变化的机制仍在研究中，目前没有针对性的治疗，但可以通过抑制ROS 对EPCs 的损伤作用或者增加EPCs 的数量和增强EPCs 的功能来治疗DR［38］。

4 糖代谢为靶点的治疗研究

内皮细胞代谢是血管生成中的重要环节，由上文可知内皮细胞代谢状态的改变会促进病理性血管的生成，故以内皮细胞代谢为靶点治疗相关疾病越来越受到关注。糖酵解为血管生成提供了大量的能量，通过降低糖酵解来减缓肿瘤的生长逐渐成为一种共识［3］。过去的抗糖酵解治疗面临着靶外效应、膜渗透性差等，例如用2-脱氧-D-葡萄糖（2-deoxy-D-glucose，2DG）抑制糖酵解不仅没有达到预期效果，反而加速了肿瘤病人病情的恶化。这种方法对糖酵解的抑制是完全的，不可逆的，还会影响葡萄糖的其它代谢途径［5］。PFKFB3 的 mRNA 水平升高与人表皮生长因子阳性的乳腺癌患者生存数据的下降显著相关［39］。目前更多的采用PFKFB3 抑制剂来降低糖酵解。

3-（3-吡啶基）-1-（4-吡啶基）-2-丙烯-1-酮［3-（3-pyridinyl）-1-（4-pyridinyl）-2-propen-1-one，3PO］是PFKFB3 的抑制剂之一，可通过占据PFKFB3 的作用和连接位点而抑制糖酵解。3PO 抑制糖酵解的作用有许多优点：（1）3PO 不会改变血浆中葡萄糖和其他蛋白的浓度；（2）3PO 不会抑制葡萄糖代谢；（3）3PO 可特异性地降低糖酵解而不影响糖酵解分支的代谢；（4）3PO 不会造成内皮细胞的死亡；（5）3PO对于糖酵解的抑制是暂时的［5，40］；（6）3PO 的耐受量很高。以3PO 抑制PFKFB3 的方法使肿瘤血管正常化，不但使化疗药物顺利到达肿瘤内部，还减少了肿瘤细胞的扩散，目前该方法处于临床前实验阶段［3］。内皮细胞可以适应较低水平的糖酵解，然而有研究表明浓度为70 mg/kg 的3PO 会导致内皮细胞死亡，使肿瘤血管的完整性受到破坏，从而加速肿瘤细胞的扩散［41］，所以确定3PO 的最大耐受量尤为重要。与3PO 同源的PFK15，也可以抑制糖酵解，但它更多的是诱导细胞凋亡。PFK158也是PFKFB3的一种抑制剂，具有强大的抗肿瘤作用，Ⅰ期临床试验在2016年圆满完成［40］。虽然迄今为止已经发现了很多PFKFB3 的抑制剂，但是由于其对糖酵解的关键作用，各种小分子抑制剂的内在机制仍然需要我们不断地深入了解，进而为以糖酵解为靶点的治疗提供更好的思路。

5 总结与展望

越来越多的证据表明内皮细胞糖代谢在生理和病理血管生成中有着重要的作用，靶向作用内皮细胞糖代谢可以为治疗以血管生成紊乱为特点的疾病如癌症、动脉粥样硬化等提供一种新的治疗策略。这也提示我们深入研究内皮细胞糖代谢及其关键酶，将会为开发新的抗代谢药物奠定基础。此外，内皮细胞糖代谢与其它代谢途径及相邻细胞的相互影响是否对于某些疾病的发展有着影响仍有待研究。而将细胞代谢作为治疗手段可能会成为一种治疗趋势。