运动调节血管稳态与重构的分子机制及相关生物药物研发进展.docx

1、运动调节血管稳态与重构的分子机制及相关生物药物研发进展运动调节血管稳态与重构的分子机制及相关生物药物研发进展流行病学研究结果显示，心血管疾病是造成中国人口死亡的首要因素。中国心血管病报告2018提示，中国心血管疾病患病人数预估达2.9亿。造成心血管疾病的风险因素有许多，包括久坐、酒精摄入过多、吸烟、代谢紊乱以及空气污染等。然而，目前还没有完全有效的策略可以根治心血管疾病。多数心血管疾病的发生和发展与血管自稳态失衡、血管不良重构有关。适度的有氧运动可以改善心脏功能，降低心血管疾病的患病风险。越来越多的研究表明，运动能引起生理性心肌肥厚，保护心脏抵抗病理性重构等不良事件，降低罹患缺血性心脏病、冠心

2、病和心力衰竭等心血管疾病的风险。由此，运动康复疗法受到临床医师的广泛认可，在临床康复医疗中发挥着重要作用。除了专业化的运动康复训练，人们自发的体育运动也被证实能显著改善心脏功能8-11。深入了解运动保护心脏过程中对血管稳态和血管重构的调节机制，挖掘运动引起生理性心肌肥厚过程中的分子靶点对维持血管稳态、减少血管不良重构具有重要意义。血管稳态与重构的主要结构基础为血管壁。血管壁主要由内皮细胞、平滑肌细胞、成纤维细胞以及细胞外基质组成，本文拟从血管壁的各层结构出发，概述运动保护心脏过程中对血管稳态、血管重构的调节作用及机制（见图1），初步探讨并展望血管稳态与重构相关的生物药物研发进展，旨在为寻求防治

3、心血管疾病的有效策略及相关药物的研发提供新思路。图1 运动调节血管稳态与良性重构的分子机制及相关药物Figure 1 Molecular mechanism and related drugs of exercise-induced vascular homeostasis and benign remodelingADMA:非对称二甲基精氨酸；eNOS：内皮型一氧化氮合酶；NO：一氧化氮；cGMP：环磷酸鸟苷；Nrf2：核因子E2 相关因子2；ROS：活性氧1 运动对血管稳态的调节作用及其分子机制血管稳态，即血管损伤与修复的动态平衡，是保证生命活动正常进行的重要基础。血管内皮与机体的气体交换

4、、营养物质及激素等在组织间传输和交换有关；此外，血管内皮具有重要的内分泌功能，可以产生血管内皮收缩因子、内皮舒张因子如一氧化氮（NO）以及利钠肽等物质，以旁分泌和自分泌等形式对血压进行调节，在体内发挥着重要的生理功能。然而，当机体面临各种内外环境的变化（例如剪切应力改变、氧化应激以及血管紧张素增加等）和致病菌等病理诱因时，血管结构发生变化，血管功能受到损伤。在血管发生紊乱的初期，机体能够启动内源性的代偿机制，引起血管发生适应性的变化与修复，从而维持血管稳态及正常的生理功能。然而，修复不当或过度修复会引起血管稳态的失衡，进一步引发心脑血管疾病，例如高血压、肺动脉高压以及动脉粥样硬化等。深入研究血

5、管稳态的分子机制，对防治心血管不良事件具有十分重要的意义。血管内皮细胞是血管壁与血液之间的选择性屏障，具有促进血管生成、信息传递和内分泌功能。生理状态下的内皮细胞，可以通过调节血管紧张度来维持血管功能的平衡。机体在维持和修复血管内皮功能过程中，NO 及内皮祖细胞（EPC）扮演重要的角色。研究表明，适量的有氧运动能够促进血管内皮的内分泌功能、提高EPC 的数量，进而有助于机体维持血管稳态12。1.1 影响一氧化氮的生成血管中NO 主要来源于内皮型一氧化氮合酶（eNOS）催化L-精氨酸产生，其具有血管舒张、抑制血管平滑肌细胞（VSMC）增生的功能。生理状态下，适量的NO 利于血管稳态的维持。基本原

6、理是：1）内皮细胞释放出的NO，可自由渗透扩散进入平滑肌细胞，激活平滑肌细胞内的鸟苷酸环化酶，从而引起相关信号通路变化，进一步引起平滑肌松弛，降低血压；2）NO 可扩散进入血液中的血小板，抑制血小板活性，降低血栓形成的风险，对血管稳态的维持具有重要的作用。大量研究证实，有氧运动能够影响NO 的生成，进而调节血管稳态。例如，运动训练能增强高密度脂蛋白的功能，增加NO 的生物利用度，进而防止细颗粒物PM2.5暴露引起的内皮功能障碍13。此外，阿尔茨海默病患者运动后，外周血管功能显著增强14，表明运动可以有效改善该类患者的血管功能，调节血管稳态。运动调节血管稳态的主要机制包括以下3 种：1）运动引起

7、血管壁剪切应力增加，激活eNOS，增强NO 的生物利用度。运动过程中，氧耗增加，血流发生改变引起血管内皮的剪切应力随之增加。增加的剪切应力激活eNOS，从而增加NO的释放及其生物利用度15-16。2）运动过程中，能量需求增加，器官血流发生变化，局部低氧引起肌肉、脑、肺、心脏等脏器血管内皮生长因子（VEGF）上调，介导了新生血管形成17。有研究显示，运动能通过乳酸受体（HCAR1）诱导脑VEGF 上调，促进血管生成18。在心肌梗死模型中发现，运动可以显著促进VEGF 的表达及受体活化，进而促进血管新生，降低梗死面积19。3）运动可以抑制eNOS 的竞争性抑制剂非对称二甲基精氨酸（ADMA），从而

8、间接增加eNOS 活力，促进NO 释放。冠心病患者进行体育锻炼后，血浆中ADMA 的水平显著降低，引起内皮型NO 增多，进而增强血管内皮功能20。1.2 促进内皮祖细胞动员及功能血管EPC 属于血管前体细胞，在机体受到刺激时，可迁移至受损的内皮细胞间隙并分化为具有成熟功能的内皮细胞21；EPC 还能分泌多种细胞因子，如趋化因子基质细胞衍生因子-1（SDF-1）、VEGF 等，可以增强成熟内皮细胞的性能。由于成熟的内皮细胞只有有限的再生能力，因而EPC 在维持血管内皮的完整性及血管稳态方面备受关注。多项研究表明，运动可以增加外周血中EPC 的数量，促进EPC 动员22-23，并通过SDF-1 依

9、赖的信号通路增强祖细胞的动员及功能22。近来发现，运动能显著促进线粒体的生物发生，或为运动维持血管稳态，改善心血管功能的新机制24。2 运动调节血管重构的分子机制血管重构是由血管内外环境变化引起的血管稳态失衡，进而发生结构与功能的适应性甚至是病理性的变化。血管重构的细胞学基础包括内皮细胞的功能变化，VSMC 增殖、舒张及表型转换，成纤维细胞活化与增殖，细胞外基质变化等。从血管形态角度出发，血管重构可以分为肥厚性重构（存在VSMC 的增殖）和非肥厚性重构（仅为血管平滑肌的重排，无增生）25。大量证据表明，运动可以诱导血管的良性重构，抑制病理性重构26。2.1 调节血管生成素的表达血管生成素（An

10、g1 和Ang2）是血管发育和重塑的效应子，二者是调节血管重塑的天然竞争者。Ang1 在整个身体中组成性表达，而Ang2 存在于血管生长活跃的部位，它们之间的相互作用在运动诱导的血管生成中可能至关重要。复旦大学孙莉敏等学者发现，运动或可通过上调Ang1/内皮特异性酪氨酸激酶受体-2（Tie-2）进而促进缺血性脑卒中大鼠、脑缺血性损伤大鼠神经功能的恢复27-28，提示运动可以上调Ang1 的水平促进血管的代偿性重构，抑制病理性重构。2.2 调节平滑肌细胞的增殖与迁移血管重构通常由血流变化后血管壁剪切应力改变所引起。运动能够间接或直接影响VSMC 表型转换，抑制VSMC 的增殖与重排，从而抑制病理

11、性血管重构，保护血管功能。其中涉及的机制为：1）运动过程中引发的血液动力学刺激，增加活动肌肉内的毛细血管生成以及导管血管的增大（动脉生成），引起动脉结构向外重塑，增加动脉径，改变壁腔比29；2）有氧运动过程中，血管内皮感受剪切应力的变化，释放NO、内皮舒张因子（EDRF）和前列环素，并迅速运输到邻近的VSMC，引起VSMC 舒张30-31，抑制VSMC 增殖及VSMC 引发的病理性血管重构25。2.3 影响血管外膜血管外膜主要包含成纤维细胞、巨噬细胞、外弹力层等32，一方面起到支撑血管的作用，另一方面可以分泌活性因子参与调节血管稳态。运动过程中能够影响活性氧、炎症因子的释放，影响血管外膜，调节

12、成纤维细胞的增殖与表型转化，从而维持血管稳态，抑制不良重构。转录组测序数据揭示，运动能够激活成纤维细胞中的与活性氧清除相关的关键分子核因子E2 相关因子2（Nrf2），清除活性氧，抑制成纤维细胞活化33。Nrf2 通路是细胞应对氧化应激的一种保护机制，可以激活活性氧清除相关的基因（如金属硫蛋白）表达。3 运动调节血管稳态与重构的潜在靶点及生物药物研发进展血管内皮感知血流变化及血管壁剪切应力，将信号传递到胞内后激活相应的信号通路，进一步影响VSMC、成纤维细胞，最终影响血管稳态平衡和血管重构。在该过程中，氧化应激/活性氧的释放、与血压有关的肾素-血管紧张素系统、钙离子能信号的强弱直接影响血管的稳

13、态与重构情况。目前，基于抗氧化、肾素-血管紧张素系统以及钙离子调节等方向进行的化学药物研发已取得可喜的进展，但普遍面临研发周期相对较长、研发成本及毒副作用相对较高的问题。随着生命科学的飞速发展，生物药物以其相对较高的药效、相对毒副作用小等特点而备受关注。然而，心血管相关的生物药物研发尚处于起步阶段。以下将对运动调节血管稳态与重构中的潜在的药物靶点进行探讨，以期为相关生物药物的研发提供思路。如前所述，运动能够调节NO、VEGF 等不同分子的生成与表达，这其中主要与微小RNA（microRNA，miRNA，miR）介导的基因表达调节紧密相关。miRNA 是一类广泛存在于各类生物中的、长度约为22

14、个核苷酸的非编码RNA，能够阻断编码基因的蛋白表达，参与许多生理和病理性过程。miRNA 因其复杂而又精细的调节机制，既能作为药物开发的靶点（例如以miRNA 为靶点，针对其前体中的Drosha 位点及Dicer 位点设计抑制剂34），同时又成为潜在的治疗药物（例如miRNA 类似物）。运动调节血管稳态与重构中的潜在miRNA 靶点分为3 类，分别为改善高血压、缓解动脉粥样硬化和保护内皮功能（见图2）。图2 运动调节血管稳态与重构中的潜在miRNA 靶点Figure 2 Potential miRNA targets in exercise-regulated vascular homeost

15、asis and remodelingmiR：微小RNA；AKT：蛋白激酶B；ACE：血管紧张素转换酶；ACE2：血管紧张素转换酶2；Mtfr1：线粒体裂变调节因子；TRAF：肿瘤坏死因子受体相关因子；TLR4：Toll 样受体4；VEGF：血管内皮生长因子3.1 运动改善高血压的miRNA 药物靶点研究表明，运动干预可引起miR-145 上调，抑制蛋白激酶B（AKT）磷酸化，进而抑制VSMC 在高血压动脉中从收缩表型转变为去分化表型，缓解高血压症状35；在自发性高血压模型中，有氧运动训练一方面可以提高主动脉内miR-27a 的水平，靶向抑制血管紧张素转换酶（ACE）的表达；另一方面下调miR

16、-143 的水平，恢复其靶基因血管紧张素转换酶2（ACE2）的表达，调节血压36。Improta Caria 等37近来系统综述了运动对高血压模型中miRNAs 的调控，指出运动可以上调miR-133a 和miR-324靶向线粒体裂变调节因子（Mtfr1），调节线粒体的分裂和凋亡，有效逆转高血压过程中miRNAs 的变化；此外，在高血压患者中进行检测，发现血浆miR-92a 水平升高38，而长期适应性运动可以显著降低miR-92a 的水平39，提示运动能显著改善高血压患者的关键miRNAs。3.2 运动缓解动脉粥样硬化的miRNA 药物靶点研究发现，有氧运动可以逆转动脉粥样硬化模型小鼠主动脉中

17、miR-146a、miR-126 和miR-155的变化40，引起miR-146a 和miR-126 上调，miR-155 下调。其中，miR-126 表达与血管生成、抗炎反应和动脉粥样硬化有关41-42，而运动训练显著提高miR-126 的水平，一方面间接调节VEGF 途径和eNOS，进而促使血管生成43；另一方面减少动脉粥样硬化中的血管肿瘤坏死因子受体相关因子（TRAF）和Toll 样受体4（TLR4）信号传导，降低血管炎性损伤，进而缓解动脉粥样硬化40。3.3 运动保护内皮功能的miRNA 药物靶点近来，笔者课题组综述了运动改善内皮细胞功能相关的miRNAs44：运动能调节miR-126

18、-5p、miR-26a 和miR-19a 等以调节内皮细胞增殖，抑制内皮细胞凋亡，从而抑制血管内皮功能紊乱及血管不良重构的发生；此外，运动可影响miR-29 的水平，调控VEGF 表达，进而调节血管内皮的功能与重构37,45。目前，以miRNAs 为靶点的药物开发或临床实验多集中在肿瘤治疗及抗病毒领域；而在血管稳态失衡与病理性重构相关慢性疾病中，miRNAs药物研发尚处于临床前期研究阶段（见表1）。例如，miRagen 公司正在开发miR-29 的合成替代品remlarsen（MRG-201），用于治疗或预防病理性不良重构，以及microRNA-155 抑制剂cobomarsen（MRG-10

19、6），用于治疗血液癌。这两项研究均由miRagen 公司赞助。其中第2 项旨在评估cobomarsen 对白血病患者的潜在疗效。该项研究前期结果显示，43 名患者对MRG-106 具有良好的耐受性。然而，以miRNAs 为靶点的药物研发也面临瓶颈和挑战：一是如何为每种疾病类型确定最佳的miRNA 候选物或miRNA 靶标；二是如何设计合适的miRNA 传递载体，以赋予治疗候选药物更高的稳定性并实现组织特异性，避免潜在的脱靶效应46。但是同时也应该相信，随着RNA 分子的输送技术不断完善，例如，针对miRNAs 分子进行基因编辑载体设计，结合化学修饰增强稳定性；以及使用天然的、无免疫原性的机体自

20、产细胞外囊泡进行输送，基于miRNA 进行治疗的方案将逐步成为现实。表1 与运动相关的miRNAs 临床试验Table 1 Clinical trials of exercise-related miRNAs4 结语血管稳态是血管正常发挥功能的基础，在遇到内、外环境应激时，机体可以启动代偿性重构进行适应性变化以维持平衡。然而，当修复不当或修复过度时会发生血管病理性重构（内皮损伤、VSMC增殖或迁移、成纤维细胞增殖等）。运动能够影响细胞因子分泌、NO 释放、关键非编码RNA 变化，对血管稳态的维持与血管重构起到重要的调节作用。主要机制为：1）促进内皮细胞释放NO，一方面维持内皮功能平衡，另一方面

21、进入VSMC，激活cGMP 信号通路，引起血管平滑肌舒张，维持平滑肌细胞表型；2）促进EPC 动员以及线粒体的生物发生；3）调节血管生成素促进血管功能恢复；4）激活Nrf2 依赖的抗氧化信号通路，抑制成纤维细胞表型转换，抑制血管的病理性重构。21 世纪是生命科学飞跃式发展的时代，欧美等国龙头企业争相投入生物药物研发与临床验证。目前，心血管领域的生物药物多集中在降血脂类抗体药物研发，而血管重构相关生物药物或生物类似药尚处于萌芽状态。随着生命科学的快速发展，科研条件的不断优化，未来心血管领域的生物药物具有极其广阔的发展空间。笔者认为基于运动调节血管稳态与重构过程中的关键分子进行工程化生物药物研发（例如借助生物医用材料外泌体靶向递送miRNA，定向修复受损的血管内皮），联合化学药物干预将是未来心血管领域药物研发的重要方向。