脑血管内皮细胞与动脉粥样硬化性脑小血管病的研究进展

刘睿，喻志源，骆翔

脑小血管病（cerebral small vessel disease，CSVD）是一种由脑微血管功能异常引起的白质高信号和其他脑成像异常，如新发的皮质下梗死和腔隙性脑梗死，目前发病机理尚不清楚[1]。CSVD 可分为2大类，即散发性CSVD和遗传性CSVD[2]。本文主要讨论动脉粥样硬化性CSVD（atherosclerotic cerebral small vessel disease，aCSVD），它是最常见的散发性CSVD，与年龄、高血压、糖尿病密切相关。其特征为直径40～150 μm的小动脉或微动脉的平滑肌细胞发生缺失或胶原化。aCSVD 过程中血管病变为具有不同程度狭窄的、细长曲折、缺乏细胞的透明样变管腔。在此过程中，血管内皮细胞形态上无明显变化，但功能发生改变[3]，包括：血脑屏障功能异常、血管舒张功能异常及僵硬等[1]。脑血管内皮细胞（endothelial cells，ECs）不同于机体其他部位的内皮，它参与构成血脑屏障（blood brain barrier，BBB），为脑组织供能，并具有特异性的表达谱。此外，ECs 参与局部脑血流量的调节[3]。内皮细胞的功能异常是aCSVD 的首要改变[4]。在严重的aCSVD 患者中，即使其他单核细胞和壁细胞完全丢失，内皮细胞层仍然完好，但内皮细胞的功能出现异常[3]。下面从以下3 个方面来详述ECs 如何参与aCSVD的发生发展。

1 aCSVD中ECs的活化

内皮细胞活化（endothelial activation）指内皮细胞受到有害刺激后，表面标志物的表达出现变化[5]。活化后的内皮细胞表现出促炎、促血管收缩、增殖和促凝的特性。这是由于内皮细胞分泌因子之间的平衡被打破，趋于促凝集、促血栓生成效应。如凝血酶作用于内皮细胞，使其分泌的血小板活 化 因子（platelet-activating factor，PAF）及von Willebrand（vWF）因子，具有促进血小板活化的作用。同时，内皮细胞的形态和通透性发生改变，其表面的黏附因子分泌增多，有利于内皮细胞对白细胞的募集。ECs 分泌的血管生成因子和抑制剂的平衡可影响aCSVD预后[6]。

目前国内外的许多研究对aCSVD患者循环血中血管内皮活化的标志物进行检测。研究表明，在aCSVD 患者血清中，存在内皮活化因子水平的升高，提示aCSVD 进程中内皮细胞的活化。可能可作为aCSVD诊断标记物的内皮活化因子包括细胞间 黏 附 分 子（intercellular adhesion molecule-1，ICAM-1），可溶性血栓调节蛋白（soluble thrombomodulin，sTM），白 介素-6（interleukin-6，IL-6），纤溶酶原激活物抑制物-1（plasminogen activator inhibitor-1，PAI-1），vWF 等[3,7]。需要注意的是，内皮活化标志物常需要多种联合使用，以作为aCSVD的诊断标记物。aCSVD患者外周血中内皮活化因子的升高已经被证明。但在病灶周围，即弥漫性白质损伤灶（white matter lesion，WML）区域的内皮细胞是否活化尚存在争议。有研究发现，在aCSVD 患者脑组织中，脑内皮细胞的ICAM-1、IL-6 水平并无明显变化，sTM 水平相比对照组轻度升高[8]。这提示ECs 在aCSVD 进程中可能并未发生活化。据此有研究提出，脑小血管病病变可能是全身性血管病的一个组成部分；在全身性血管病的病程中，不同器官的血管内皮细胞的活化表达谱不同[9]。为阐明这一问题需要进一步深入的研究。

2 ECs参与aCSVD中局部脑血流量改变

在生理状况下，ECs 参与局部脑血流量（cerebral blood flow，CBF）的调节，介导血管对神经递质、代谢因子和药物等刺激的舒张反应[10]。这些作用大多是通过内皮细胞的一氧化氮合酶（endothelial nitric oxide synthase，eNOS）催化L-精氨酸合成的一氧化氮（nitric oxide，NO）介导的。这种调节基于血管内皮对血管平滑肌的作用。其主要机制为血管活性分子的产生和释放，这些活性分子扩散到特定的分子靶点，并使血管平滑肌细胞发生内皮依赖性的超极化[10]。通过这些机制，内皮细胞可以影响静息状态下的脑血流。

WML区域的CBF下降是aCSVD的影像学特征，这使得白质损伤区域处于低灌注状态；灌注不足的程度与WML 的严重程度相关[11]。内皮来源的NO 是调节局部CBF 的重要因子，通过NO/cGMP信号通路调节局部血管[12]。因此CBF调节异常可作为阐明内皮损伤的标志物[3]。内皮来源的NO 扩散至血管平滑肌细胞，通过刺激可溶性鸟苷酸环化酶促进cGMP的合成，引起血管舒张。其他血管扩张途径包括内皮源性超极化因子和前列环素[12]。此外，内皮来源的NO通过抑制血小板的凝聚，具有抑制动脉粥样硬化形成的能力[13]。另一方面，哺乳动物的神经活动变化也可引起局部脑血流量的变化，这一过程通常被称为神经血管耦联（neurovascular coupling，NVC）或功能性充血（functional hyperaemia）[14]。当内皮细胞功能出现异常时，由于NVC的部分反应是内皮依赖性的，内皮功能障碍也会导致NVC调节能力的损伤[10,15]。

3 ECs参与aCSVD中BBB通透性改变

ECs 是使BBB 维持脑稳态的最重要组成部分[16]。BBB 的内皮细胞具有特定的转运蛋白和受体，以供代谢物及营养物质通过[17]。而内皮细胞之间形成的紧密连接则构成了BBB 的第一道防线。相邻的内皮细胞通过紧密连接蛋白结合。大脑中紧密 连 接 蛋 白（tight junctions，TJs）有3 大 家 族：闭 锁 蛋 白（occludins）、claudin 蛋白和连接黏附分子（junctional adhesion molecules，JAM）[18]。这些TJs 都通过内皮细胞内的封闭蛋白ZO-1 锚定在内皮细胞骨架上。此外，脑内皮细胞没有窗孔，跨胞囊泡的数目少，限制了细胞间物质运输[19]。与CBF类似，BBB的通透性也受到NVC的调控[20]。

目前，动态对比增强MRI（DCE-MRI）已成为评估aCSVD患者BBB功能的首选成像技术[21]。许多临床研究表明，在合并卒中、认知障碍，或有影像学特征性改变的脑小血管病患者中，可观察到BBB 功能障碍。BBB 功能障碍随着脑白质高信号负荷的增加而增加，其损伤的严重程度可提示脑小血管病的预后[22]。在aCSVD动物模型易卒中自发性高血压大鼠中，同样可以观察到BBB 的通透性改变；对其脑组织染色，可见脑组织损伤区域内皮细胞claudin-5的水平相较对照组明显降低[23]。这提示BBB 通透性改变可能是由于内皮细胞间TJs 的破坏所导致。在正常的衰老过程中，BBB 也会发生轻度的功能障碍；但这一过程可由于遗传易感性而加速[1]。例如，在ECs中表达的基因Foxf2就与散发性CSVD病程中BBB的损伤有关[24]。

当脑组织处于低灌注状态或缺血再灌注损伤后，活性氧自由基（reactive oxygen species，ROS）和细胞因子通过激活肌球蛋白轻链磷酸化（phosphorylation of myosin light chains，MLC）信号通路，肌动蛋白丝聚合成纤维[25]。这种聚合通常伴随着肌动球蛋白的收缩和细胞骨架张力的增加，从而引起脑内皮细胞TJs的重排，使紧密连接松散，最终引起导致BBB通透性增加甚至出现渗漏[26]。缺血后BBB 的早期损伤主要是通过ROCK/MLC 信号通路引起的，并参与之后发生的基质金属蛋白酶（matrix metalloproteinases，MMPs）介导的BBB 开放[27,28]。内皮细胞释放的MMP2 和MMP9 参与了缺血后再灌注损伤过程中BBB 的破坏[29]。通过对MMP2/9 进行基因敲除或通过药物抑制其功能可以保护BBB 的完整性，并减少缺血再灌注后的脑损伤[30]。

除TJs 的改变外，另一个导致BBB 通透性升高的机制是内皮细胞跨细胞作用的增多。跨细胞作用是指载有各种分子的囊泡穿越细胞的运输方式[31]。研究发现，卒中后6 h，内皮细胞中可观察到跨胞小泡的增多；此时内皮细胞的TJs无明显变化[32]。目前关于脑小血管病病理过程中BBB 的破坏是否存在上述机制尚无定论，需要进一步研究以得出结论。

4 结语

脑小血管病引起25%～30%的缺血性卒中，但目前对其发病机制的理解仍然不够全面[33]。内皮功能异常作为aCSVD 的首要改变，内皮来源的一系列生物活性物质的含量也发生变化：eNOS 和NO 的含量降低，引起局部脑血流量降低；同时对血小板的抑制能力也下降；内皮活化后分泌的一系列分子如ICAM-1、PAI-1、IL-6 等，使内皮趋于促炎、促凝集的效应；在ROS、细胞因子等缺氧相关物质作用下，内皮细胞细胞骨架发生重排，TJs 变得松散，从而导致BBB 通透性降低。此外，内皮细胞作为神经血管单元（neurovascular unit，NVU）的中心，参与神经血管耦联，调节CBF 和BBB 通透性，维持脑内环境的稳态。目前ECs 在CSVD 进程中的作用日益清晰，但其功能异常与aCSVD 发生的先后顺序、因果关系仍不确定[8]。进一步研究内皮细胞功能异常在CSVD发病机制中的作用，可为今后脑小血管病的预防和治疗提供新的靶点。