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血管活性肽与微循环

发表日期:2007-12-07 摄影器材: 点击数: 投票数:

心血管系统合成和分泌多种小分子的生物活性物质,如血管活性多肽、生物活性氨基酸、细胞因子、生长因子和一氧化氮、一氧化碳、硫化氢等气体信号分子。这些生物活性分子具有分子量小、种类繁多、分布广泛、调节灵活和生物作用复杂等特点,对循环系统功能进行复杂调节,以维持心血管稳态,在心血管疾病的发生和发展中具有重要意义。血管活性多肽如内皮素、肾上腺髓质素、降钙素基因相关肽、血管紧张素、心钠素、尾加压素等是其中一类重要的血管活性物质,来源于大分子前体肽原(prepro-peptide)、肽原(pro-peptide)。不同的血管活性肽分子,和同一肽原在体内的众多酶解片段共同构成了极其复杂的调节网络。这些血管肽既可以内分泌方式发挥循环激素样作用,又可以作为旁分泌/自分泌的方式,通过其靶细胞表面的G蛋白偶联受体,在血管局部发挥其调节血管舒缩、细胞增殖迁移和分泌等复杂的生物学作用。随着分子生物学、免疫细胞化学和放射性核素免疫微量测定等技术的发展,越来越多的心血管活性多肽及其重要功能被发现,作为血管稳态调节的新机制和心血管疾病防治的新靶点,受到学术界的高度关注。
1血管活性肽
血管不仅是能舒缩血管的血流通道,所有构成血管壁的各种细胞如内皮细胞、平滑肌细胞、成纤维细胞、以及单核/巨噬细胞、脂肪细胞等都能合成和分泌多种血管活性多肽,参与心血管系统的调节。血管内皮是体内最大的内分泌器官,是内皮素(ET)、肾上腺髓质素和一氧化氮等血管活性物质的主要来源。血管中膜不仅是血管舒缩反应的效应器官,同时也分泌肾上腺髓质素(ADM)、尾加压素(UII)、血管紧张素(Ang II)以及生长因子等,血管外膜的分泌功能近年来倍受关注,外膜成纤维细胞可分泌肝细胞生长因子、NO、一氧化碳(CO)等,对血管的重塑具有重要的作用。单核/巨噬细胞除分泌细胞因子外,还分泌生长因子、血管活性肽等,调节自身和周围细胞的功能。ET是含有21个氨基酸的短链多肽,有三个亚型ET-1、ET-2和ET-3。此三种亚型结构类似,其中以ET-1更为重要。ET-1可由微血管和大动脉的内皮细胞合成和分泌,被内切酶裂解后即为其活性形式。ET的受体分为ETA和ETB两种亚型,ETA亚型受体分布在血管平滑肌,激动时强烈收缩血管,作用持久,几乎可以引起所有的动静脉血管收缩,促进血管平滑肌细胞(VSMC)的增殖和迁移,促进多种血管活性物质的释放; ETB-型受体主要分布于血管内皮细胞,激动时在血管舒张因子的协助下可以产生内皮依赖的血管舒张作用,抑制VSMC增殖,具有降低血压的作用。ET参与高血压、冠心病和休克等心血冠疾病的发病,如休克病人血浆ET水平明显增高,休克时微循环长期处于缺氧状况,可刺激ET的分泌,而ET又可进一步收缩微血管,进一步微循环缺血。ADM是1993年由Kitamura等从肾上腺髓质瘤中发现的一种心血管活性肽,由52个氨基酸组成,与降钙素基因相关肽(CGRP)和胰淀粉样肽(Amylin)具有同源性,同属于降钙素超家族。肾上腺髓质素前体肽原(PreproADM)是由185氨基酸组成,N端为21氨基酸的信号肽,信号肽水解后形成肾上腺髓质素原(ProADM),其中的成对碱性氨基酸残基是内源性肽酶的作用位点。人的ProADM在体内水解后可以生成Pro-ADM22-41、Pro-ADM45-92、 Pro95-146和Pro-ADM153-185等几个活性肽段。其前体分子中,自95-146位氨基酸组成的肽段为肾上腺髓质素(ADM1-52),其中第16-21个氨基酸之间有两个二硫键,形成一个环状结构。ADM具有强大的舒张血管、降低血压和抑制平滑肌细胞增殖的作用,它可作为循环激素、旁分泌激素和自分泌激素参与机体血压的平衡调节。ADM在体内分布广泛,具有多种生物学功能,是一种重要的血管活性肽。血管内皮是合成和分泌ADM的重要器官,血管平滑肌细胞和血管外膜细胞也可合成和分泌ADM。ADM有扩张血管、降低血压、利钠、利尿、抑制平滑肌细胞增殖和抗肾素-血管紧张素-醛固酮系统的功能等多种生理作用, 参与高血压、动脉粥样硬化和冠心病的发病。在肾上腺髓质素前体分子中,N末端的22-42位氨基酸组成的肽链(PAMP),可以抑制交感神经递质的释放,具有降低血压的作用;位于C末端的第153至185位氨基酸肽段(ADT)则可以对抗ADM的效应,具有升压作用。最近,我们实验室发现,ProADM各肽段还可以调控前体肽基因的转录:ADM 和PAMP抑制ADM基因表达和蛋白生成,ADT则促进ADM基因的表达和蛋白生成。表明肾上腺髓质素前体分子内不同肽段具有相互调节作用。在ADM(1-52)肽链之内,也可分为不同的肽段,具有不同的生物活性,而且在不同的降解片段之间也存在着复杂的调节作用:含有16-21个环状结构的ADM(如1-52、13-52、16-52)均具有降压作用,但不含有ADM环状结构的C端肽(如22-52、26-52、34-52等),则可以阻断ADM的降压效应。活性多肽分子内调控的形式是多种多样的,可以表现为同一分子不同肽段的相互作用、酶解片段对底物的作用。目前研究显示,降钙素基因相关肽(CGRP)是一种神经肽,多数血管的平滑肌与内皮都存在有CGRP及其受体,CGRP与受体结合后,激活腺苷酸环化酶,促使细胞内cGMP水平升高发挥其舒张血管的生物学效应。CGRP具有血管扩张作用,尤其是使微血管强烈扩张,故认为CGRP是体内最强的血管舒张剂。血管紧张素是一种结构简单的重要心血管活性多肽。血管紧张素I可以通过ACE形成血管紧张素II(Asp-Arg-Val-Tyr-Ile-His-Pro-Phe),后者具有强大的缩血管、升血压和促进血管平滑肌细胞增殖的作用;近年来发现血管紧张素I和II亦可通过内肽酶,形成血管紧张素1-7 ( Asp-Arg-Val-Tyr-Ile-His-Pro),它可以促进前列环素的合成和分泌,具有强大的利钠利尿、舒张血管和降低血压等作用,并可拮抗血管紧张素II的升高血压作用。此外,血管紧张素III2-8(Arg-Val-Tyr-Ile-His-Pro-Phe ) IV3-8 (Val-Tyr-Ile-His-Pro-Phe)亦有舒张血管的效应。这些血管紧张素1-7、血管紧张素2-8和血管紧张素3-8都是血管紧张素II的不同片段。血管紧张素II在包括血管在内的组织局部发挥作用,与血管局部的平滑肌细胞膜上的受体结合发挥其收缩血管和促进平滑肌细胞增殖的效应。对血管重塑具有重要的调节作用,是高血压、糖尿病肾病和动脉粥样硬化等心血管疾病的重要致病因素。尾加压素Ⅱ(urotensin II, UII)最早是从鱼尾部下垂体提取的一种生长抑素样结构的多肽。1999年,Ames发现人心血管组织中富含UⅡ及其特异性受体。大量的离体实验证实UⅡ具有强烈的收缩血管及心脏抑制和促进内皮细胞、血管平滑细胞、心肌纤维细胞增殖等心血管效应。人UⅡ受体在心肌、冠状动脉内皮细胞、冠状动脉及主动脉的平滑肌细胞中有表达,说明其参与了心肌、冠状动脉的生理活动;人冠状动脉粥样硬化斑块及脂质沉积的平滑肌和巨噬细胞中含丰富的UⅡ,运用人UⅡ后可见心肌缺血性改变,提示其在冠心病、动脉粥样硬化的病理生理过程中可能具有重要意义。人UⅡ对血流动力学也有重要影响。因此,UⅡ可能与心血管的稳态调节以及在心血管病的发生发展中具有意义。g心钠素是a心钠素的前体分子,由126个氨基酸组成,具有利钠利尿和舒张血管的作用,它也可降解为不同的肽段,其中99~126氨基酸段为a心钠素,是心钠素的主要活性形式:1~30氨基酸片段可以延长心钠素的作用、抑制心钠素的降解;31~67具有舒张血管的作用;79~98段可以增强心钠素的利钾利尿作用;此外,去除a心钠素N和C末端的的氨基酸,保留环状多肽,就可以增加细胞内游离Ca2+的浓度,从而拮抗a心钠素的作用。心血管活性多肽的多样性和多功能性组成的复杂网络调节对循环系统稳态的维持起决定性作用。
2血管活性肽研究的长足进展
随着人类基因组计划的顺利完成,几乎全部的静态基因组碱基序列被公布,生物学进入了以功能基因组为标志的后基因组时代,从而改变了传统的生物学思维模式。功能基因组研究在对G蛋白偶联受体的研究中取得重要进展。G蛋白偶联受体是一类非常重要的细胞膜表面受体,约占人类基因组的3%。其中孤儿G蛋白偶联受体是指尚未找到天然配体的G蛋白偶联受体。在仅知道G蛋白偶联受体基因序列的情况下,用高通量的方法,分离出相应的天然配体去孤儿化,谓之孤儿受体策略,后者代表了一组成功的基因组研究方法。对孤儿受体的研究意味着发现其尚未了解的内源性配体,对生命科学的研究和发展具有深远的影响。利用已表达的功能性孤儿受体对已知的生物活性物质进行筛选,或用于纯化组织中的肽类物质,对其功能进行研究,这种策略称为反向生理学,即从克隆的受体开始研究,最终达到阐明其配体的生理功能的目的。反向药理学是指药物的发现先于对其作用模式和机制的了解。反向药理学的研究途径之一便是采用孤儿G蛋白偶联受体分离其天然的配体。孤儿G蛋白偶联受体策略潜在的临床应用价值在于可利用其分离高度选择性或非内源性药学配体。目前对G蛋白偶联受体的研究主要集中在利用多种途径分离其内源性配体方面,一旦找到了与孤儿G蛋白偶联受体的生理功能相匹配的配体,则有可能筛选出药物作用的靶点。目前'反向生理学'和'反向药理学'等新的研究模式,使在较短时间内,发现和鉴定了许多孤儿G蛋白偶联受体及其内源性配体,从而也大大加速了内源性血管活性多肽的发现和功能研究过程,同时对受体-配体的作用模式的认识也发生了改变。孤儿受体的研究方法已经在较短的时间内发现并研究了20多种孤儿受体,并鉴定出其内源性配体,发现了其重要功能,其中不乏血管活性肽,这一思路为研究血管活性肽及其复杂的受体功能开辟了一条有效的新途径。例如,于1996-1998年以同源分析和cAMP检测方法分离鉴定发现降钙素受体样受体(CRLR)是降钙素受体基因相关肽受体和肾上腺髓质素受体的共同组成成分。在一类新发现的单一跨膜链家族蛋白?受体活性修饰蛋白(RAMPs)的调节下,CRLR可以分别转化为降钙素基因相关肽受体和肾上腺髓质素受体表型。在人体组织中,三种不同的RAMP与CRLR结合表现为对不同配体具有亲和的、不同的受体表型而决定配体诱发的生物学效应。例如,RAMP2/ RAMP3与CRLR 共同作用表现为ADM受体表型,识别ADM;CRLR与RAMP1共同作用则表现为CGRP受体表型,识别CGRP;RAMP1或RAMP3直接与降钙素受体作用后产生Amylin受体表型,识别Amylin,从而加深了对肾上腺髓质素功能多样性的认识,大大促进了对肾上腺髓质素的研究和对其生物学功能的认识。再如,尾加压素最初是从鱼的尾垂体中分离出来,1999年Ames通过反向药理学的方法鉴定出UII的受体是一种孤儿G蛋白偶联受体?GPR14。大鼠的GPR14于1995年已被发现,但未发现其内源性配体。从种系上,GPR14十分接近于生长抑素的受体,将人的GPR14受体亚克隆后转染HEK-293细胞,人UII可与其结合,且不能被生长抑素、血管加压素、血管紧张素II竞争性抑制。 提示UII与GPR14的结合具有高度特异性,是内源性配体。GPR14的mRNA广泛分布在人的心肌、主动脉、肺动脉内皮和血管平滑肌细胞,其次还有中枢神经系统、骨骼肌等。另外,从20世纪70年代人们就陆续发现,许多人工合成的小分子肽和非肽类物质在体内和体外均可促进生长激素的分泌,并将这一类激素称为生长素促分泌物(GHSs)。根据GHSs在体内的促进GH分泌的信号转导机制与已知的生长激素释放激素类似,推测体内存在其相应的受体。1996年Howards等成功分离到了单一编码的GHSR的cDNA,并证实GHSR属于G蛋白偶联受体。1999年Kojima等建立了稳定表达GHSR的细胞株,并用此细胞株作为分析系统来寻找内源性GHS。通过对大鼠心、脑、肺和胃肠的提取物的检测,发现大鼠胃提取物中,GHS的活性最高,经过系列层析提纯,从中纯化出了28个氨基酸组成的活性肽命名为生长素(Ghrelin),并证明它就是GHSR的内源性配体。该肽可与GHSR结合,促进生长素分泌,另外还调节摄食、代谢和影响心血管系统的功能。除了上述列举的几种肽类受体外,还有Orexin 1及Orexin 2的受体、Motilin受体Allatostatin样受体、神经介素U受体、神经肽类FF受体、CCR10受体和ORL1受体等均是通过孤儿G蛋白偶联受体策略得以发现, 新的血管活性肽如relaxin 、ghrelin和apelin等新的内源性活性多肽及其重要功能也是通过孤儿G蛋白偶联受体策略得以发现和深入研究。 这些新肽的发现,对研究心血管疾病的发病机制和探索新的防治策略开辟了新的视野。
3.对微循环调节的意义
血管活性肽多对微血管和微循环具有很强的调节作用。下面以ADM和CGRP为例, 介绍血管活性肽对包括增加血流量、微血管渗透性、中性粒细胞聚集等在内的微循环的调节功能。肾上腺髓质素属于降钙素家族的成员,与CGRP一样具有强舒血管作用。ADM主要由血管内皮细胞和平滑肌细胞等非神经细胞分泌,这一点不同于CGRP。更重要的是在炎性疾病时,细胞因子(IL-1)、肿瘤坏死因子和酯多糖均可增加ADM的分泌。静脉注射ADM可产生长久的降血压作用。ADM可以增加人前臂血流量,感染性休克的病人ADM表达增加,其增加量与疾病的严重程度相关。微血管丰富的组织ADM表达也非常丰富。微血管主要包括小动脉、微动脉、毛细血管和微静脉。血流量的变化依从于小动脉和微动脉的舒张,同时微血管的渗透性发生变化,并视毛细血管后微静脉的变化情况可出现炎性水肿和炎性细胞聚集等。用多普勒血流计检测血管舒张、血管漏出的125I标记的白蛋白量代表血管的炎性水肿的形成,组织髓过氧化物酶水平代表中性粒细胞的聚集情况,发现ADM和CGRP均增加大鼠背部微血管床的微循环血流量,其中ADM效应仅为CGRP的3~10倍。腔内显微镜研究发现,ADM可快速舒张小动脉,随之出现后毛细血管微静脉缓慢而被动的舒张。ADM对离体肠系膜微血管床具有强舒张效应,且可被CGRP受体阻断剂CGRP8-37阻断。对肾脏微血管虽然也具有舒张效应,但不能被CGRP8-37阻断。ADM对大鼠皮肤微循环血流的增强作用可被CGRP8-37 阻断,提示ADM通过CGRP1受体介导了这一效应。一般认为,强的血管舒张剂具有调节其临近部位局部血流的功能,这对于维持组织灌流量和保证营养物质的供给具有重要的生理意义。ADM在炎症部位高表达,然后通过CGRP1受体发挥其病理生理作用。ADM可通过增加微循环cAMP的量,降低皮肤微血管床的渗透性。CGRP和PGE2等血管舒张剂可通过协同增强微血管的渗透性加重水肿的形成。血管舒张剂主要通过增加毛细血管后静脉的血压,近而促进血浆溢出,增加渗透性的介质随之漏出。ADM能通过P物质、缓激肽等能增加血管渗透性的介质增加微血管的渗透性,促进组织水肿,提示ADM在炎性的微循环中产生和释放,促进炎性水肿的形成。上述情况导致ADM的致炎和抗炎作用共同参与对水肿形成的调节。中性粒细胞是首先到达炎性部位,以发挥其防御或炎性的作用。中性粒细胞黏附于毛细血管后静脉,然后在炎性介质如IL-1或细胞机制的作用下,迁移到血管外部位。CGRP和ADM单独注射时,并不引起中性粒细胞聚集,但在注射IL-1 2h后,再注射相同剂量的CGRP和ADM,可大幅度增加中性粒细胞的聚集。因此ADM通过增加血流,促进中性粒细胞迁移到炎性的毛细血管后静脉,中性粒细胞到达毛细血管后静脉,黏附于内皮细胞。ADM促进中性粒细胞迁移和聚集的强度大于CGRP。研究表明ADM可通过ADM和CGRP受体增强中性粒细胞的聚集,而CGRP只通过CGRP1受体发挥作用。 CRLR/RAMP1复合物作为功能性的CGRP受体,CRLR/RAMP2作为功能性的ADM受体,这一观点已经在人大动脉和脐静脉等的内皮细胞和平滑肌细胞上得以证实。最近有研究报道在具有抗炎症反应的肾上腺皮质激素存在时,这些细胞也能表达RAMP1,并对 CGRP反应。提示糖皮质激素对RAMP1 和RAMP2之间的相互作用具有重要的调节作用。人微静脉内皮细胞可能有别于大血管,在人皮肤微血管细胞上有CRLR 和RAMP2存在,但检测不到 RAMP1 和 RAMP3 。可以肯定,ADM在微循环上具有很强的血管活性,并作为致炎症因子和可抗炎症因子发挥作用,参与炎症和创伤修复过程。目前对其微血管生物活性的研究取得了一定的成果,但在微血管病理情况下的作用及其机制了解甚少。
微血管内皮细胞功能和形态的改变均导致微循环调节障碍,从而导致疾病。临床的内毒素血症常导致一类微循环障碍的疾病如弥散性血管内凝血和多器官功能衰竭。实验性血管内显微镜观察发现,连续静脉注射内毒素可诱导大鼠肠系膜血管床血流量下降,组织学检测发现有毛细血管内皮尤其是毛细血管后静脉部位内皮损伤,白细胞黏附和渗出。应激引起的胃溃疡,胃黏膜的微血管内皮损伤,肝硬化也伴随内毒素血症。 最明显的超微结构改变是肝窦内皮细胞的改变。所有上述微血管超微结构的变化均与ET-1通过ET(A) 和ET(B)受体产生强烈的收缩血管作用有关.血管紧张素II可以收缩肠系膜血管床等。Ang II和Ang IV的前体Ang I和Ang I-(3-10)和Ang II注入猫肠系膜血管床 可增加毛细血管床的灌注压,且可被AT1受体阻断剂DuP532拮抗。AngII和Ang I 的血管床的作用类似于Ang I-(3-10)和Ang IV. Ang I 和Ang I-(3-10)的作用可被血管紧张素转换酶抑制剂阻断,但不阻断AngII和Ang IV的作用。表明Ang I 、Ang II和 Ang I-(3-10)为快速和有效调节肠系膜毛细血管床的收缩功能的血管活性肽。ET与血管紧张素II对微循环的调节已被熟知,在此不再赘述。
血管活性肽是循环和微循环调节的主要物质基础,对包括以微循环障碍在内的心血管系统疾病的发生和发展具有重大影响,目前活性血管活性肽的研究已成为解决问题的枢纽。认识并阐明其作用机理,有助于阐明疾病发生的分子机理和探寻疾病治疗的新靶点与新药开发的新策略。
by:唐朝枢, 北京大学第一医院心血管研究所

关键词:医学前沿

作者:罗汉果

《血管活性肽与微循环》


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