王 媛，王鈞左，嚴溢泉，葛 昕，李 偉，趙星成△

（1第四軍醫(yī)大學航空航天醫(yī)學訓練教研室，航空航天生理學教研室，陜西西安710032；2空軍航空大學初級飛行訓練基地第五訓練團，山東淄博255300）

內皮細胞代謝在健康維護和疾病發(fā)生中發(fā)揮著重要作用，其主要的代謝通路包括糖酵解、脂肪酸氧化和氨基酸代謝，都在血管發(fā)育進程和結構的形成中有著重要的作用。在多種血管相關疾病如動脈粥樣硬化、糖尿病、視網膜新生血管疾病和腫瘤中，都伴隨不同程度的內皮細胞代謝紊亂。深入理解內皮細胞代謝紊亂在這些疾病中的重要作用對于以代謝為靶點的治療格外重要。在血管發(fā)育過程中，內皮細胞增殖和遷移的能量供給主要依賴于糖代謝，且內皮細胞糖代謝的異常與血管相關疾病的發(fā)生發(fā)展最為相關，因此本文就近年來關于內皮細胞糖代謝在血管發(fā)育和血管相關疾病中的作用進行綜述。

1 生理狀態(tài)下的血管生成

血管發(fā)育主要依賴于血管發(fā)生（vasculogenesis）和血管生成（angiogenesis）2 種形式。在胚胎發(fā)育的早期階段，中胚層細胞分化為成血管祖細胞，再向下分化為內皮祖細胞（endothelial progenitor cells，EPCs），組成血島。血島融合形成初級血管叢，最后逐漸形成血液循環(huán)，這個過程被稱為“血管發(fā)生”，是血管從無到有的發(fā)育過程。若是新生毛細血管從已存在的血管萌芽而出，則被稱為“血管生成”，是血管由少到多的發(fā)育過程，而若是由已經存在的血管通過分裂的方式形成一個“子血管”，則被稱為“套入式（intussusception）血管新生”，這也是血管生成的一種方式［1-2］。目前的研究主要集中在血管生成。

缺氧、炎癥、缺血等因素會刺激血管內皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）、成纖維細胞生長因子（fibroblast growth factor，F(xiàn)GF）等其他促血管生成物質的生成，使靜息內皮細胞的表型變?yōu)榛罨瘧B(tài)。處于最高濃度VEGF 中的內皮細胞會分化為端細胞（tip cells），端細胞有很強的遷移能力，可以利用板狀偽足與絲狀偽足引導新生血管向促血管信號的來源方向遷移，是新生血管的先鋒；緊隨其后的是柄細胞（stalk cells），柄細胞具有增殖能力，可以延長和穩(wěn)定新生的血管。隨著血管的逐漸發(fā)育，新生的血管通過端細胞融合而相互連接，并募集周細胞和血管平滑肌細胞，最后血液成功灌注標志著新的血管網建立，內皮細胞重新恢復至靜息態(tài)［2］。

2 糖代謝在血管發(fā)育中的作用

2.1 內皮細胞糖代謝以糖酵解為主 盡管內皮細胞接觸富含氧的血液，但相比于能夠產生更多ATP的氧化磷酸化，內皮細胞更傾向于利用糖酵解來生產ATP［3］。內皮細胞的增殖依賴糖酵解，且85%的能量供應來自糖酵解［4］。內皮細胞的這一特點與其線粒體數量較少相一致［5］。但除此以外，還有以下原因：（1）高糖酵解率可以維持乳酸的穩(wěn)定產生，而乳酸是一種促血管生成的信號分子［6-7］；（2）較低的氧化磷酸化不僅使內皮細胞內的活性氧簇（reactive ox?ygen species，ROS）含量維持在低水平，還可以確保內皮細胞周圍的組織和細胞最大程度地利用氧；（3）在葡萄糖充足的情況下，糖酵解產生ATP 速率比氧化磷酸化更快，且依賴糖酵解的先決條件，在低氧環(huán)境中，血管形成的速度可以不受氧氣限制，故糖酵解可以更快地產生能量從而促進無氧環(huán)境中血管的發(fā)育及形成［8-9］；（4）較高的糖酵解速率通過糖酵解分支來合成大分子和維持氧化還原穩(wěn)態(tài)［9］；（5）體外研究表明，通過阻斷線粒體呼吸功能來提高糖酵解程度會刺激端細胞分化，更有利于新生血管的形成［10］。正是由于以上原因，內皮細胞才會首選糖酵解作為能量供應。

2.2 糖酵解與血管發(fā)育 糖酵解在內皮細胞的代謝中占主導地位，有研究認為內皮細胞的分化和增殖由糖酵解引起。血管發(fā)育時，內皮細胞從靜止狀態(tài)變?yōu)榛钴S狀態(tài)，其糖酵解量大大提高，從而為血管發(fā)育提供能量。因此，在血管發(fā)育的過程中有許多因素可以驅動內皮細胞的糖酵解，如VEGF、FGF、缺氧等。端細胞利用糖酵解產生的ATP 來形成板狀偽足和絲狀偽足，雖然糖酵解的缺失對柄細胞所支持的細胞增殖能力有一定影響，但主要會降低端細胞的遷移能力［4］。內皮細胞利用葡萄糖轉運體1（glucose transporter 1，GLUT1）來吸收葡萄糖。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）的數量來促進葡萄糖的吸收與分解［11］。PFKFB3 是糖酵解的重要活化劑，具有很強的磷酸化作用，且在內皮細胞中含量很高，它促進果糖-2，6-二磷酸的合成，果糖-2，6-二磷酸會激活磷酸果糖激酶1（糖酵解的限速酶之一），因而可以促進糖酵解［3］。其次，F(xiàn)GF 通過促進己糖激酶2（hexokinase 2，HK2）的表達來促進糖酵解，而HK2 是糖酵解中的第一個關鍵酶，催化葡萄糖轉化為葡萄糖-6-磷酸（glucose-6-phosphate，G6P）。此外，缺氧會促進PFKFB3 的表達，從而誘導GLUT1 表達和激活HK，啟動糖酵解。丙酮酸激酶（pyruvate kinase，PK）是糖酵解最后的關鍵酶，催化磷酸烯醇式丙酮酸轉化為丙酮酸。PKM2 是PK的一種亞型，在成人正常細胞中有表達［2，4］。研究表明，敲減內皮細胞中PKM2的表達會抑制血管的形成。糖酵解的終產物乳酸會增加VEGF 的表達，從而促進血管生成［12］。一般來說，靜息內皮細胞的糖酵解發(fā)生在核周基質中，而一旦內皮細胞開始遷移，在板狀偽足與絲狀偽足中也可發(fā)生糖酵解，這樣可以為肌動蛋白骨架重塑提供局部所需的大量ATP 從而促進血管發(fā)育［4］。

血管生成中需要活躍的內皮細胞，大量的糖酵解不僅可以為血管生成提供能量，其產物也具有促血管生成的作用，因此，干擾或過表達糖酵解過程中的重要酶類，如PFKFB3，對血管生成會造成一定的影響。

2.3 糖酵解分支與血管發(fā)育 糖酵解的部分中間產物會進入糖酵解分支途徑，包括己糖胺合成途徑（hexosamine biosynthesis pathway，HBP）和磷酸戊糖途徑（pentose phosphate pathway，PPP），這些途徑在血管生成中也發(fā)揮著重要的作用。

2.3.1 HBP HBP 是糖酵解的另一種途徑，在葡萄糖代謝中所占的比例非常小，它通過糖基化和糖基磷脂酰肌醇的錨定合成來修飾翻譯后的蛋白［13］。G6P 代謝為果糖-6-磷酸（fructose-6-phosphate，F(xiàn)6P）進入HBP，谷氨酰胺果糖-6-磷酸轉氨酶（glutamine fructose-6-phosphate aminotransferase，GFAT）是HBP中的一個限速酶，催化谷氨酰胺和F6P 合成葡萄糖胺-6-磷酸。高濃度的葡萄糖胺會促進蛋白質的糖基化并抑制血管發(fā)育；除此以外，在主動脈環(huán)生成模型中，高水平O-連接的N-乙酰葡糖胺糖基化修飾（OGlcNAcylation）會抑制血管發(fā)育，過表達O-連接的N-乙酰葡糖胺水解酶（O-GlcNAcase，OGA）則會因為抑制蛋白質的糖基化而促進血管發(fā)育［14-15］。但HBP 對內皮細胞的精確調控及機制仍有待研究。

2.3.2 PPP PPP 分為氧化階段和非氧化階段：糖酵解的第一個中間產物 G6P 可以進入 PPP［16］，在G6P 脫氫酶（G6P dehydrogenase，G6PD）的作用下轉化為5-磷酸核酮糖（ribulose-5-phosphate，Ru5P）并產生NADPH，這一過程是不可逆的，也稱氧化階段；在非氧化階段，Ru5P 異構為5-磷酸木糖（xylu?lose-5-phosphate，Xu5P）和 5-磷酸核糖（ribose-5-phosphate，R5P），R5P 為核酸合成提供原料，也可經轉化重新進入PPP［17］。其中在氧化階段生成的NADPH 是脂類物質、核酸及一氧化氮（nitric oxide，NO）的生物合成所必需的，NADPH 可以維持還原型谷胱甘肽的數量進而維持細胞內的氧化還原穩(wěn)態(tài)，而 NO 會促進血管生成［18-19］。PPP 的阻斷會抑制血管發(fā)育，而G6PD的沉默會抑制內皮細胞的分化、遷移及血管形成［3］。

2.4 線粒體的呼吸作用與血管發(fā)育 雖然內皮細胞更傾向于利用糖酵解來產生能量，但它仍然具有相當大的備用的線粒體呼吸能力［20］。端細胞依靠糖酵解維持其表型，但在高能量的需求下則需要線粒體的呼吸作用來提供能量；非端細胞依靠糖酵解獲取能量，而依賴氧化磷酸化增殖。線粒體的呼吸功能有以下作用：（1）氧化磷酸化產生ATP；（2）三羧酸（tricarboxylic acid，TCA）循環(huán)代謝產物用于大分子生物合成；（3）釋放ROS 和代謝物來調節(jié)細胞的功能。在內皮細胞中線粒體可能是促進血管增殖的信號細胞器。Yetkin-Arik 等［10］發(fā)現(xiàn)抑制線粒體復合酶Ⅲ會抑制內皮細胞的增殖，但內皮細胞的遷移能力不會發(fā)生變化，這意味著線粒體呼吸是內皮細胞增殖所必需的，也從側面證明糖酵解在血管生成過程中為內皮細胞的遷移提供能量。

3 內皮細胞糖代謝紊亂與疾病

靜息態(tài)的血管內皮細胞能夠很好的維持血管屏障的完整性從而維持血管穩(wěn)態(tài)。然而，在多種血管相關疾?。ㄈ鐒用}粥樣硬化、糖尿病、視網膜新生血管疾病和腫瘤）中都會發(fā)生靜息態(tài)內皮細胞的功能失調，而內皮細胞的功能失調與其糖代謝的紊亂密切相關。

3.1 內皮細胞糖代謝紊亂與動脈粥樣硬化 動脈粥樣硬化是一種與脂質有關的累及大、中型動脈的慢性炎癥性疾?。?1］。在該病發(fā)展過程中最早可檢測到的變化是內皮細胞激活和功能紊亂［22］。內皮細胞受刺激后一方面會分泌促平滑肌細胞生長因子，促進平滑肌細胞遷移至內膜［23］；另一方面，會增加黏附分子的表達，促進血管壁內單核細胞的募集，這些單核細胞分化為巨噬細胞吞噬修飾過的脂蛋白，變?yōu)榕菽毎?4］。這便是動脈粥樣硬化形成的基礎。高層流剪切應力（laminar shear stress，LSS）會促進轉錄因子Krüppel 樣因子2（Krüppel-like factor 2，KLF2）的表達，而KLF2 的過表達會抑制PFKFB3啟動子活性，從而促進內皮細胞的沉默［3］。相反，粥樣硬化區(qū)的內皮細胞受低LSS 干擾，表現(xiàn)為促炎通路的激活和糖酵解酶的增強表達，促進內皮細胞激活［25］。內皮細胞功能紊亂會使活性氧產量增高和具有抗動脈粥樣硬化作用的NO 和H2S 降低，進一步加劇內皮細胞氧化應激和炎癥，從而導致動脈粥樣硬化的形成。促炎癥信號增強糖酵解，反過來糖酵解可以驅動促炎信號從而形成惡性循環(huán)，最終可能會導致動脈粥樣硬化的形成［3］。

此外，內皮細胞維持單層屏障完整性的能力被認為是預防動脈粥樣硬化的關鍵［26］。低LSS 和其他動脈粥樣硬化危險因素的結合促進內皮細胞死亡，從而損害內皮屏障的完整性。此外，AMP 活化蛋白激酶催化亞基α1（protein kinase AMP-activated cata?lytic subunit alpha 1，PRKAA1）會誘導糖酵解增強，使內皮細胞增殖來保持單層狀態(tài)及血管屏障的完整性，從而保護小鼠免受動脈粥樣硬化；相反小鼠內皮細胞Prkaa1的選擇性丟失降低了內皮細胞糖酵解，并破壞內皮細胞的單層結構，加速了動脈粥樣硬化的形成［27］。由此看來，內皮細胞糖酵解紊亂確實會引起動脈粥樣硬化，這與糖酵解驅動促炎信號從而導致動脈粥樣硬化的研究結論相反［3］，故內皮細胞糖酵解紊亂在動脈粥樣硬化形成中的具體作用仍有待研究，且以糖酵解為靶點治療動脈粥樣硬化是否真的有效也需要進一步研究。

3.2 內皮細胞糖代謝紊亂與腫瘤 無論是否有氧氣存在，糖酵解始終是腫瘤生長代謝的中心，這種現(xiàn)象被稱為Warburg 效應［28］。腫瘤生長的特征之一是血管過度增生，新生血管為腫瘤的生長、擴散提供營養(yǎng)；而缺氧是腫瘤生長的另一個顯著特征，腫瘤微環(huán)境內的血管經常處于低氧狀態(tài)，且缺氧會引起內皮細胞增殖及血管形成［25］。因此，腫瘤內皮細胞（tu?mor endothelial cells，TECs）以高于正常內皮細胞的糖酵解量來滿足血管生成所需的能量［29］。不僅如此，腫瘤微環(huán)境中還存在許多促血管生長物質（如VEGF 等），這些物質可以過度激活內皮細胞糖酵解從而導致腫瘤血管的過度生長。由于TECs 形狀和大小不規(guī)則并與周細胞連接松散，導致腫瘤血管壁間隙較大，直接后果是血液灌流減少，腫瘤細胞無法及時得到營養(yǎng)并很容易入侵滲漏的血管以及從中擴散出去，而化學藥物也因此無法到達腫瘤組織［3］。以往的治療都是聚焦于阻止腫瘤血管的生長，以期來阻斷腫瘤的營養(yǎng)供應，一個關鍵的靶點為VEGF，但由于這種方法效力低下，并且存在抗藥性，所以效果也不盡如人意。但使腫瘤血管正?；瘉泶龠M化療藥物的吸收及減少腫瘤細胞的擴散未嘗不是一個好方法?；赥ECs 的高糖酵解特點，降低TECs 糖酵解量來減少腫瘤血管的病理性增殖是一個不錯的方案。Cantelmo 等［29］在黑色素瘤內皮細胞中用藥物阻斷PFKFB3 后，降低了糖酵解量，使周細胞更易于粘附，減少了內皮細胞間的縫隙，腫瘤血管開始正?；L，同時也會提高化學藥物的療效，而這種降低糖酵解量來使腫瘤血管正?；姆椒▽δ[瘤有一定的療效也在不斷被證實［30］。

此外，抑制線粒體復合酶Ⅲ會抑制TECs 增殖及腫瘤細胞（tumor cells，TCs）的增殖［31］。乳酸是促進血管生成的一個重要因素，其含量在腫瘤組織中也較高。TECs 通過單羧酸轉運蛋白1（monocarboxylate transporter 1，MCT1）來吸收乳酸［3］，抑制MCT1 的表達也可有望靶向降低腫瘤血管生成。以往利用VEGF抗體拮抗血管生成使腫瘤營養(yǎng)供應減少［32］，但現(xiàn)在可以在這種療法的基礎上再加入以內皮細胞代謝為靶點的方法。

3.3 內皮細胞糖代謝紊亂與糖尿病及糖尿病視網膜病變 糖尿病是一種代謝性疾病，其特征主要為血糖升高。在這種情況下，內皮細胞除了表現(xiàn)為壞死性凋亡外［33］，糖代謝也會發(fā)生異常：首先，與以往GULT 不受血糖影響相反，最近有研究表明，高血糖時GULT1 減少；其次，糖酵解相關酶活性下降，使糖酵解中間產物蓄積，上述兩種現(xiàn)象會導致ROS 的過度產生和晚期糖基化終產物（advanced glycation end products，AGEs）的蓄積，ROS 和AGEs 不僅會導致內皮細胞功能紊亂，還參與糖尿病的病理進程［4，34］。

糖尿病視網膜病變（diabetic retinopathy，DR）是糖尿病最常見的并發(fā)癥之一，主要表現(xiàn)為眼內新生血管紊亂［35］并且以周細胞覆蓋減少和神經元數量下降為特征［17］。在DR 中，早期血管細胞死亡是由糖代謝異常引起的。高血糖導致內皮細胞的GAPDH 失活，故過量的葡萄糖經多元醇途徑代謝，該途徑不僅會消耗NADPH，增加氧化應激，還會導致糖酵解中間產物的積累，從而導致 ROS 的產生［36］。ROS 的過度生成會導致炎癥、線粒體功能障礙、細胞死亡和微血管缺陷，在許多動物模型中加入抗氧化劑可以緩解DR。與以往的認識不同，最近研究發(fā)現(xiàn)VEGFB有抗氧化的功能，在DR 小鼠模型中，玻璃體腔注射VEGFB可明顯抑制視網膜細胞凋亡［37］。

高血糖和缺氧會使血管的完整性受到破壞，而成熟的血管內皮細胞修復損傷的潛力有限，骨髓來源的EPCs 具有修復血管和血管新生的能力。研究表明，在高糖條件下，EPCs 的線粒體膜電位會增高，進而釋放大量ROS，此外EPCs 線粒體通透性也遭到破壞，這兩個原因導致EPCs 功能受損，無法對DR 中損傷的血管進行修復。由于DR 中EPCs 線粒體功能變化的機制仍在研究中，目前沒有針對性的治療，但可以通過抑制ROS 對EPCs 的損傷作用或者增加EPCs 的數量和增強EPCs 的功能來治療DR［38］。

4 糖代謝為靶點的治療研究

內皮細胞代謝是血管生成中的重要環(huán)節(jié)，由上文可知內皮細胞代謝狀態(tài)的改變會促進病理性血管的生成，故以內皮細胞代謝為靶點治療相關疾病越來越受到關注。糖酵解為血管生成提供了大量的能量，通過降低糖酵解來減緩腫瘤的生長逐漸成為一種共識［3］。過去的抗糖酵解治療面臨著靶外效應、膜滲透性差等，例如用2-脫氧-D-葡萄糖（2-deoxy-D-glucose，2DG）抑制糖酵解不僅沒有達到預期效果，反而加速了腫瘤病人病情的惡化。這種方法對糖酵解的抑制是完全的，不可逆的，還會影響葡萄糖的其它代謝途徑［5］。PFKFB3 的 mRNA 水平升高與人表皮生長因子陽性的乳腺癌患者生存數據的下降顯著相關［39］。目前更多的采用PFKFB3 抑制劑來降低糖酵解。

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 的抑制劑之一，可通過占據PFKFB3 的作用和連接位點而抑制糖酵解。3PO 抑制糖酵解的作用有許多優(yōu)點：（1）3PO 不會改變血漿中葡萄糖和其他蛋白的濃度；（2）3PO 不會抑制葡萄糖代謝；（3）3PO 可特異性地降低糖酵解而不影響糖酵解分支的代謝；（4）3PO 不會造成內皮細胞的死亡；（5）3PO對于糖酵解的抑制是暫時的［5，40］；（6）3PO 的耐受量很高。以3PO 抑制PFKFB3 的方法使腫瘤血管正常化，不但使化療藥物順利到達腫瘤內部，還減少了腫瘤細胞的擴散，目前該方法處于臨床前實驗階段［3］。內皮細胞可以適應較低水平的糖酵解，然而有研究表明濃度為70 mg/kg 的3PO 會導致內皮細胞死亡，使腫瘤血管的完整性受到破壞，從而加速腫瘤細胞的擴散［41］，所以確定3PO 的最大耐受量尤為重要。與3PO 同源的PFK15，也可以抑制糖酵解，但它更多的是誘導細胞凋亡。PFK158也是PFKFB3的一種抑制劑，具有強大的抗腫瘤作用，Ⅰ期臨床試驗在2016年圓滿完成［40］。雖然迄今為止已經發(fā)現(xiàn)了很多PFKFB3 的抑制劑，但是由于其對糖酵解的關鍵作用，各種小分子抑制劑的內在機制仍然需要我們不斷地深入了解，進而為以糖酵解為靶點的治療提供更好的思路。

5 總結與展望

越來越多的證據表明內皮細胞糖代謝在生理和病理血管生成中有著重要的作用，靶向作用內皮細胞糖代謝可以為治療以血管生成紊亂為特點的疾病如癌癥、動脈粥樣硬化等提供一種新的治療策略。這也提示我們深入研究內皮細胞糖代謝及其關鍵酶，將會為開發(fā)新的抗代謝藥物奠定基礎。此外，內皮細胞糖代謝與其它代謝途徑及相鄰細胞的相互影響是否對于某些疾病的發(fā)展有著影響仍有待研究。而將細胞代謝作為治療手段可能會成為一種治療趨勢。