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编者按
在糖尿病管理中,一个长期存在的临床悖论是:即使通过药物将血脂严格控制在理想范围内,糖尿病患者的心血管疾病发病风险依然显著高于非糖尿病人群。这一现象强烈提示,高血糖本身是独立于经典“脂质异常”假说之外的、导致血管病变的关键驱动因素。然而,其背后的具体分子机制长期未能阐明,使得临床缺乏直接针对“糖毒性”血管损害的特异性干预策略。为攻克这一难题,华中科技大学同济医学院金肆教授团队开展了一系列系统性研究。他们通过严谨的实验设计,首次完整地解析并证实了一条从代谢紊乱到血管病变的核心通路,构建了清晰的因果链条:代谢信号(高血糖)—细胞自稳机制(自噬)—膜转运结构(小窝)—脂质沉积(LDL)。该研究结果发表在AUTOPHAGY期刊上。
研究背景
糖尿病是全球范围内重大的公共卫生挑战,其最严重的并发症之一是加速了动脉粥样硬化的进程,进而推高心脑血管疾病的风险和死亡率。流行病学和临床研究已明确证实,高血糖是独立于传统危险因素(如高血脂、高血压)之外的,驱动动脉粥样硬化发生发展的独立关键因素。然而,高血糖是如何损伤血管内皮功能、促进脂质沉积的呢?其分子细胞机制长期未被完全阐明。
目前公认富含载脂蛋白B的低密度脂蛋白(LDL)颗粒在内皮下的沉积是动脉粥样硬化的“启动”的事件。由于LDL颗粒直径远大于内皮细胞间的缝隙,其进入内皮下主要依赖内皮细胞的主动运输过程——跨细胞转运。研究证实,细胞膜上的“小窝”结构是LDL颗粒跨内皮细胞转运的主要途径。小窝蛋白(CAV1)及其伴侣蛋白CAVIN1是形成小窝的关键结构蛋白。细胞膜上CAV1/CAVIN1的数量和功能可直接影响LDL的跨膜转运,而自噬在维持CAV1/CAVIN1稳态的过程中发挥了重要的作用。
自噬是一种具有保护作用的细胞自我清理机制,通过降解受损的细胞组分或冗余物质以维持细胞稳态。自噬受AMPK-MTOR-PIK3C3信号通道调控:细胞能量不足时,AMPK激活,促进自噬以提供能量;AMPK活性降低,从而抑制自噬。目前研究已经证实,高血糖导致的细胞能量过剩可直接抑制自噬的过程。
当前研究明确了动脉粥样硬化的起始步骤与低密度脂蛋白(LDL)在血管内皮下的异常沉积直接相关。而在糖尿病背景下,持续的高血糖是此过程的核心驱动因素。然而,其精确的启动机制尚未完全阐明,存在几个关键的科学问题亟待解答:高血糖究竟是通过增加LDL向血管壁内的“输入”(即促进其跨内皮转运),还是通过减少血管壁内LDL的“清除”与代谢,抑或是两者兼有,最终导致了脂质沉积?细胞的自我稳态调节系统,特别是自噬,是否在这一过程中扮演了承上启下的关键角色?连接高血糖信号与最终病理结局的关键细胞与分子开关究竟是什么?
为回答这些问题,华中科技大学同济医学院金肆教授团队开展了系统性研究。该研究首次创新性地构建了“高血糖-小窝蛋白调控-自噬抑制-LDL跨细胞转运”的完整病理链条,揭示了高血糖环境下,受AMPK-MTOR-PIK3C3信号通路调控的,经CAV1-CAVIN1-LC3B介导的自噬降解途径被抑制,导致细胞膜小窝结构数量增加,最终显著促进LDL跨内皮转运和内皮下沉积,从而加速动脉粥样硬化起始的新机制。
研究步骤与逻辑链
1
确立现象:高血糖促进LDL沉积
研究首先在细胞模型(人脐静脉内皮细胞,HUVECs)和临床样本(妊娠期糖尿病孕妇的脐带静脉)中证实了高葡萄糖的促动脉粥样硬化效应。实验发现:
细胞层面:与正常葡萄糖(5.5 mM)相比,高葡萄糖(15 mM 或 30 mM)能显著增加HUVECs对荧光标记LDL(FITC-LDL)的摄取和跨内皮单层转运。这种效应不能被同等渗透压的甘露醇模拟,因此排除了渗透压干扰的可能,确证是葡萄糖本身的生物学作用。
临床层面:对GDM孕妇脐带静脉壁的组织学分析显示,其内皮下空间(基底膜上方)的脂质(油红O染色阳性)沉积量显著高于非GDM孕妇。免疫组化进一步发现,GDM组血管内皮中CAV1和CAVIN1表达升高,而自噬标志物LC3B表达下降。这为细胞实验结果提供了临床相关性证据。
简而言之,体外实验证实高糖显著增强LDL跨内皮细胞转运,且呈剂量依赖性。临床样本分析发现也首次证明高血糖可直接增加动脉内皮下脂蛋白的沉积。
2
锁定途径:小窝是关键媒介
目前已知LDL跨内皮细胞转运主要经细胞膜上的“小窝”结构完成,而小窝蛋白(CAV1)及其伴侣蛋白CAVIN1是形成小窝的关键结构蛋白。为了解锁小窝结构在高糖诱导的LDL跨内皮细胞转运中的作用,研究者敲掉小窝蛋白 (CAV1)及小窝关联蛋白(CAVIN1)。研究发现几乎可完全阻断高糖诱导的LDL转运, 这提示高糖诱导LDL跨细胞转运是通过小窝实现。
因此,研究者推论:既然高糖能增加LDL转运,而转运又依赖小窝,那么高糖很可能直接增加了小窝的数量或功能。电镜观察直接证实了这个猜想——高糖环境下,细胞膜上的小窝数量确实变多了。因此,研究进一步追溯其上游调控机制:高糖是通过什么机制影响小窝的数量和功能的呢?
3
连接机制:自噬调控小窝蛋白稳态
已知小窝的丰度由其核心结构蛋白CAV1/CAVIN1的稳态决定,而蛋白稳态取决于合成与降解的平衡。鉴于学界已有明确共识——高糖环境会普遍抑制细胞的自我清理系统即自噬 ,研究者们提出了一个极具潜力的因果假说:高糖通过抑制内皮细胞的自噬活性,阻碍了细胞膜上CAV1/CAVIN1蛋白的正常降解清除,导致二者在细胞内异常积累;过量的CAV1/CAVIN1进而驱动细胞膜上形成更多的小窝结构;这些新增的“运输门户”最终大幅提升了LDL的跨细胞转运效率,从而加速脂质在内皮下的沉积。
该假说将高糖的代谢信号、细胞的稳态维持机制(自噬)、关键细胞器(小窝)的功能以及动脉粥样硬化的起始事件(LDL沉积)串联成一个完整的病理链条,为机制的深度解析指明了方向。为了证实这一假说,研究者进行了双向实验验证:
正向验证(操纵自噬,看小窝和转运的变化):
研究者使用3-MA等药物抑制自噬,其对小窝的作用效果结果与高糖效果一致:不在高糖环境下,单独抑制自噬也能导致小窝增多、LDL转运增加。
研究者还用雷帕霉素等药物激活自噬,结果出现了神奇的逆转:在高糖环境中,激活自噬能抵抗高糖的作用,阻止小窝增多和LDL转运增加。
反向验证(操纵小窝蛋白,看自噬的变化):
研究还发现,敲低CAV1或CAVIN1本身,竟能激活细胞的自噬水平。这揭示了一个精妙的反馈回路:小窝蛋白不仅是自噬的“货物”,其本身还能反过来抑制自噬。高糖打破了这一平衡,形成一个 “抑制自噬 → 小窝蛋白积累 → 进一步抑制自噬” 的恶性循环。
体外试验进一步验证了上述观察:在高糖环境下,自噬标志物LC3B(压制自噬)的水平显著降低,而小窝蛋白的数量增加。透射电镜观察显示,高糖处理后细胞膜上小窝结构显著增多。
通过以上严密设计的系列研究相互佐证,一个基本链条被证实:高糖 → 压制自噬 → 小窝增加 → LDL跨细胞转运增加 → 内皮下沉积增加。
4
排除旁路:确认跨细胞转运为主途径
为了进一步确认上述研究结果,该研究还进一步验证了高糖促发的内皮下LDL颗粒沉积是跨细胞转运,而不是细胞旁路或破损部位直接渗漏。
当LDL颗粒经细胞旁路或破损部位直接渗漏转运时,LDL颗粒不经过细胞内而直接沉积到内皮下;而跨细胞转运必须经过细胞内。研究观察到细胞内LDL颗粒数量的变化与预期一样,排除了细胞内以外路径的可能。
5
深入探索:高糖抑制自噬机制
研究团队提出了一个 双层递进模型来解释高血糖抑制自噬的核心原理:
上层机制——直接关闭启动开关
高血糖抑制经典的 AMPK-MTOR-PIK3C3 能量信号通路,在代谢层面直接抑制自噬的启动。具体表现为:能量过剩导致 AMPK 活性降低、MTOR 活性增强,从而阻断自噬起始复合物的形成。
下层机制——形成自噬功能瘫痪的恶性循环
这也是本研究的关键突破点:自噬被抑制后,小窝结构蛋白 CAV1 无法被正常降解而在细胞内积累;积累的 CAV1 促进更多小窝形成。而CAV1 不仅是被降解的“货物”,其本身还能主动抑制自噬。由此形成 “自噬抑制 → CAV1 积累 → 进一步抑制自噬” 的自我强化循环,使自噬系统陷入功能瘫痪。
研究意义
该研究成果不仅具有重要的理论意义,还为临床干预糖尿病动脉粥样硬化进展提供了新的策略。
从分子机制层面看,研究首次系统性地提出并验证了:在高糖刺激条件下,自噬被抑制,小窝增加,促进 LDL 从血管腔侧向血管壁内转运。这为解释糖尿病相关动脉粥样硬化的分子机制提供了新的理论框架。
从临床角度看,该研究解释了为何糖尿病患者即使血脂控制尚可,仍高度易发生动脉粥样硬化这一临床现象。这意味着,单纯降脂可能不足以完全阻断糖尿病血管并发症的发生。未来,靶向 CAV1-CAVIN1-LC3B 相关通路或调控内皮细胞自噬水平,可能成为糖尿病动脉粥样硬化防治的新干预策略和潜在治疗靶点。
总而言之,这项研究将看似独立的生物学现象——高血糖、自噬抑制、小窝增多、脂质沉积——编织成了一个有因果、有反馈、可验证的动态网络;证实了糖尿病的心血管并发症并非不可捉摸的“黑箱”,而是遵循着清晰的细胞逻辑。这为未来的药物治疗奠定了坚实的理论基础,使从源头上拦截糖尿病动脉粥样硬化成为可能。
结 语
华中科技大学同济医学院金肆教授团队的这项研究不仅解答了“高血糖如何直接损伤血管”这一长期悬而未决的基础科学问题,更构建了一个从分子信号到细胞结构,再到器官病理的完整逻辑链条;也可为解释临床上降低机体糖负荷水平的药物(如SGLT2i或GLP-1RA等)带来心血管获益的机理提供依据,同时为探索开发更好的降低糖尿病人血糖药物指明方向。这项研究是转化医学的一个典范。始于临床观察(糖尿病患者的残余心血管风险),深入于细胞分子的精密机制,最终又回归临床,为疾病的预警、干预和药物研发提供了全新的视角和靶点。它提醒我们,在对抗糖尿病及其并发症的漫长征程中,对生命最基本单元—细胞—的理解深度,将最终决定我们治疗的高度。未来,基于这一通路开发的生物标志物或药物,有望让糖尿病患者在控制血糖之外,获得更直接、更精准的血管保护,真正实现从“控糖”到“护心”的跨越。科学的探索永无止境,而这项研究无疑为我们打开了一扇重要的大门。
金肆 教授
同济医科大学医学学士,华中科技大学同济医学院医学博士,美国弗吉尼亚州大学医学院博士后。华中科技大学同济医学院附属梨园医院内分泌科教授、主任医师、博士生导师、副院长。
入选国家教育部新世纪优秀人才、湖北省第二届医学领军人才暨湖北名医工作室负责人、华中卓越学者等。从事内分泌疾病临床诊断治疗和研究,先后主持8项国家自然科学基金和1项国家重点研发计划子项目。在国际权威期刊发表论文70余篇, SCI引用3000余次,入选中国内分泌高影响力学者榜单。国家基金委、教育部、科技部、国家卫健委及多省市科技评审评委。国际多种期刊编委或审稿人。
中国老年学和老年医学会老年病分会常委、湖北省医师协会常务理事、湖北省医学会糖尿病分会副主任委员、湖北省医学会老年医学分会副主任委员、湖北省心血管代谢联盟共同主席。湖北省药物和医疗器械临床评价学会常务理事。
资料来源:Bai, X., Yang, X., Jia, X., Rong, Y., Chen, L., Zeng, T., Deng, X., Li, W., Wu, G., Wang, L., Li, Y., Zhang, J., Xiong, Z., Xiong, L., Wang, Y., Zhu, L., Zhao, Y., & Jin, S. (2020). CAV1-CAVIN1-LC3B-mediated autophagy regulates high glucose-stimulated LDL transcytosis. Autophagy, 16(6), 1111–1129. https://doi.org/10.1080/15548627.2019.1659613
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(来源:《国际循环》编辑部)