细胞外基质蛋白的合成、排列与动静脉疾病

 
      细胞外基质蛋白是大血管如大动脉和大静脉的主要结构蛋白。细胞外基质蛋白也是遍及全身组织以及病理组织如脂肪组织、血管病变、良恶性胂瘤中微血管的主要成分。蛋白水解活性改变以及细胞外基质合成变化与适当排列均会影响大小血管的最终结构。
一、动脉粥样硬化
      动脉壁弹性蛋白和胶原蛋白可能是在动脉粥样硬化中研究最为透彻的细胞外基质蛋白。这些细胞外基质蛋白的失控性降解通过增加血源性白细胞的跨内皮细胞迁移、平滑肌细胞迁移和增殖、血管新生、血管细胞凋亡以及最终的内膜增生和主动脉壁破裂促进动脉粥样硬化。弹性纤维由弹性蛋白分子按长丝状交联组成，其交联依靠的是锁链素和异锁链素。成熟的胶原蛋白是由两种形式的非还原型交叉链接稳定：吡啶啉和脱氧吡啶啉。动脉粥样硬化和腹主动脉瘤中胶原蛋白结构的变化使动脉破裂更易发生。
      人颈动脉粥样硬化斑块中弹性蛋白含量减少。动脉粥样硬化病灶内的细胞无法产生机械性稳定基质可能会导致斑块破裂。如前所述，弹性蛋白的交联是弹性纤维排列组合的先次条件，而这一步是赖氨酰氧化酶介导的，后者在人内皮细胞中可被炎性细胞因子下调。阿托伐他汀和辛伐他汀这两种高脂血症患者常用的降脂药物可以上调猪、牛、人主动脉内皮细胞中赖氨酰氧化酶的表达，阻断高胆固醇血症动物中炎症细胞因子诱导的赖氨酷氧化酶表达下降。在兔股动脉球囊损伤劲脉粥样硬化模型中，喂食赖氨酰氧化酶抑制剂β-氨基丙腈（β-APN ）的动物股动脉赖氦酸水平由每毫克股动脉干重 191.5±16.3 mmol 增加至 228.0±18.4 mmol，锁链素和异锁链素由每毫克股动脉千重 13.0±2.2 mmol 降低至 7.2士0.1mmol，提示弹性蛋白的交联受到了抑制。
      人主动脉内膜主要含有I型胶原和III型胶原，还包括其他胶原蛋白（如V、VI、VII、VIII型胶原蛋白）和多糖。激光诱导荧光光谱结合显微镜、双折射和基因表达谱分析表明，人的颈动脉斑块中弹性蛋白含量降低，但I型胶原和III型胶原含量增加。天狼猩红染色显示胶原蛋白含量与纤维帽的机械硬度相关。虽然平滑肌细胞、内皮细胞和成纤维细胞均表达胶原蛋白，平滑肌细胞可能是中膜产生胶原蛋白的主要细胞。动脉壁中平滑肌细胞的一个重要作用是通过分泌I型胶原纤维稳定动脉壁。但在动脉粥样硬化病变中，平滑肌细胞中脂肪超量，这可能会影响平滑肌细胞的生物学特性。在体外实验中，平滑肌细胞培养时，与低密度脂蛋白或极低密度脂蛋白共孵育，平滑肌细胞的胶原纤维排列能力降低约80%，纤连蛋白排列能力降低 60% ～70%。尽管这些平滑肌细胞肌动蛋白细胞骨架的表达和含黏着斑蛋白的细胞黏附复合物的形成并未受影响，它们已经无法形成纤维黏附复合物，并且α_Vβ₁，整合素与张力蛋白的聚合体发生紊乱，后者是纤维黏附复合物的主要成分，在纤连蛋白排列中起重要作用。因此，动脉粥样硬化病变的平滑肌细胞可能与正常动脉的平滑肌细胞表达不同的胶原蛋白。Realtime-PCR检测易发动脉粥样硬化的 ApoE^-/-小鼠的动脉粥样硬化部位与非动脉粥样硬化部位分离的平滑肌细胞，显示VIII型胶原只在动脉粥样硬化斑块部位的平滑肌细胞表达，非动脉粥样硬化部位的平滑肌细胞并不表达。原位杂交结果显示VIII型胶原蛋白在斑块的管腔面表达。在兔股动脉球囊损伤动脉粥样硬化模型申，用赖氨酰氧化酶抑制剂β-APN 抑制胶原蛋白交联，可降低股动脉组织提取物中每摩尔羟脯氨酸的吡啶啉水平（未处理组 0.52mmol± 0.02mmol，处 理组 0.30mmol ±0.03mmol）和戊糖素水平（未洽疗 组 28.0mmol±2.0mmol，治疗 组15.9mmol±1.4mmol)。扫描和透射电子发现β-APN 处理的小鼠动脉胶原纤维严重紊乱，重构指数显著增高，新生内膜胶原密度较低，再狭窄减少 。
二、主动脉瘤
      弹性蛋白的降解是人腹主动脉瘤或其他大小血管动脉瘤最重要的一个特征。用ELISA 血清分析表明，腹主动脉瘤患者血清弹性蛋白显著高于正常对照组。弹性蛋白的交联和弹性纤维的形成直接影响腹主动脉瘤膨胀及破裂。高效液相色谱分析主动脉组织提取物表明，弹性蛋白交联在人腹主动脉瘤中减少90%。弹性蛋白的合成增加或防止弹性蛋白降解会有助于稳定腹主动脉瘤的进展。在主动脉弹性蛋白酶灌注诱导的大鼠腹主动脉瘤模型中，以腺病毒为载体在平滑肌细胞中表达弹性蛋白原可抑制腹主动脉瘤的发歷。多酚单宁酸是新型弹性蛋白稳定剂，如五没食子酰葡萄糖。单宁酸结合弹性蛋白后导致弹性蛋白耐受酶降解。主动脉用 CaCl₂损份诱导的大鼠腹主动脉瘤 28 天或 56天后，外膜周单次给予无细胞毒性的五没食子酰葡萄糖可以抑制弹性蛋白降解，减轻腹主劲脉瘤，尽管并不影响炎症(巨噬细胞和T细胞）、钙化或高的金属蛋白酶活性。
      虽然中膜弹性蛋白缺失被视为腹主动脉瘤的特点，但腹主动脉瘤的增长和最终破裂也与胶原蛋白平衡受损相关。3-D共聚焦成像显示正常主动脉外膜中胶原纤维构成一个松散的织带状组织。这些胶原纤维环绕血管，使血管轻松扩张又不会过度伸展。然而，腹主动豚瘤和马方综合征动脉瘤中胶原蛋白结构松散。原子力显微镜显示，腹主动脉瘤壁丧失了其轻松伸展的能力。然而，动脉瘤病变的胶原蛋白含量变化一直存在争议。这可能是由于胶原蛋白类型或者分析方法不同导致的。血浆ELISA 分析表明，腹主动脉瘤患者IV型胶原蛋白和XVIII胶原蛋白比健康供者或外周动脉疾病患者显著升高。比色分析和气相色谱分析表明，人腹主动脉瘤病变组织提取物中胶原蛋白合成标志物胶原羟脯氨酸和5-羟赖氨酸的水平下降50%，但吡啶啉胶原增加 350%，并且脱氧吡啶啉增加 100%。这些发现表明人腹主动脉瘤病中新胶原蛋白的合成减少，陈旧胶原蛋白累积。腹主动脉瘤、主动脉夹层以及对照患者的主动脉组织切片天狼猩红染色法显示，腹主动脉瘤、主劲脉夹层患者病变部位的胶原蛋白水平远远低于对照组患者。胶原蛋白含量减少主要位于夾层动脉的中膜外层和动脉瘤部位，后者更分散，与动脉的整体扩张相一致。大鼠左侧颈总动脉和双侧肾动脉后支结扎诱导脑动脉瘤，Realtime PCR 和免疫组化分析显示随着时间的推移(手术后0、1、3个月)，I型胶原、III型胶原和赖氨酰氧化酶的表达减少。炎性细胞因子工IL1β可以通过激活 NF-KB 通路抑制大鼠主动脉乎滑肌细胞中I型胶原、III型胶原和赖氨酰氧化酶的表达。
三、静脉曲张
      根据临床诊断的标准，14%~50%的成年人患有静脉曲张，其中3%~11%有慢性功能不全的临床症状，如湿珍、过度色素沉着或溃疡，这是由于浅静脉扩张或深静脉血栓形成导致静脉回流及压力增高、瓣膜功能不全和穿静脉瓣膜回流所引起。静脉壁的主要结构蛋白是胶原蛋白、弹性蛋白和平滑肌细胞肌动蛋白。扩张和扩张性增强是静脉曲张的生物物理特性，可使用超声检测。
      静脉曲张患者静脉壁组织的组织学、形态学与组织芯片检测表明，曲张静脉的外膜中弹性蛋白损失（P=0.01)，内膜和中膜的III型胶原减少(P=0.004)。弹性蛋白损失与静态静脉直径呈负相关(P=0.005)。内膜中III型胶原损失与 Valsalva 动作下静脉内径的增加呈负相关(P<0.001）。与此相反，曲张静豚中膜的 I型胶原 mRNA 水平增加，导致I型胶原与III型胶原的比率升高，这可能会影响静脉抗拉伸性。
      与主动脉壁中一样，平滑肌细胞是生成弹性蛋白、原纤蛋白 1和胶原蛋白的重要细胞。免疫染色和原位杂交证实覆于弹性蛋白层的平滑肌细胞表达弹性蛋白原和原纤蛋白 1，而表达这此细胞外基质的平滑肌细胞呈片状杂乱无章的状态。静脉曲张的内皮下膜、中膜以及严重损伤区域中，潜在TGFβ结合蛋白 2和TGFβ 的表达很高。因此，静脉曲张的进展涉及弹性蛋白成分重建与TGFβ表达增加，曲张静脉中的LTBP2 可调节平滑肌细胞弹性蛋白和胶原蛋白的表达，这些平滑肌细胞与正常静脉表达不同的细胞外基质。静脉曲张平滑肌细胞体外培养发现与正常血管相比，I型胶原 mRNA 表达水平增加，但是III型胶原 mRNA 水平并无差异。在蛋白质水平，由于MMP3 等胶原酶的蛋白降解作用，静脉曲张组平滑肌细胞III型胶原和纤连蛋白都减少。曲张静脉平滑肌细胞中的III型胶原表达下降也会导致I型胶原过表达。静脉曲张的平滑肌细胞还出现增殖和基质 Gla 蛋白(matrix Gla protein, MGP)介导的矿化增强。MGP 是一种钙结合蛋白，参与骨组织的组成，在人动脉粥样硬化病变中高表达，动脉粥样硬化患者血浆含量增加，血浆水平与年龄及 Framingham 冠心病危险评分的增加相关。在体外，抑制 MGP 或使用 siRNA 可减少曲张静脉平滑肌细胞的增殖。
      与主动脉或微血管的研究相比，静脉曲张中弹性蛋白和胶原蛋白隆解的研究信息非常少。蛋白降解事件申，基质金属蛋白酶（MMP）及金属蛋白酶类组织抑制剂(tissue inhibitor of metalloproteinase, TIMP ）受到了最多的关注，而且与静脉曲张的病理事件联系起来，但不同研究组的结果有时互相矛盾。已发现 MMP1、MMP2、 MMP3、MMP7、TIMP1和 TIMP3 在静脉曲张时表达增加，不同的研究发现 MMP1 和 MMP2 在静脉曲张时表达降低。我们最近发现人的曲张静脉含有大量的半胱氨酸组织蛋白酶S、K、L和B，但其内源性抑制剂胱抑素C的水平却降低。这些组织蛋白酶是较强的胶原酶和（或）弹性蛋白酶。一个未经验证的假设是，这些蛋白酶在人静脉曲张时表达升高，然后可能导致弹性蛋白和III型胶原蛋白的减少。