血管内皮细胞与心血管疾病课件

血管内皮细胞与心血管疾病 VEC and Cardiovascular Diseases 临床病理生理学 武汉大学医学院 病理生理学教研室 王保华 2008-10 Physiology 1998 For discoveries concerning nitric oxide as a signalling molecule in the cardiovascular system. Peter Agre Chemistry 2003 For discovery of water channels Recent Nobel Prizes related to endothelial physiology 讲述内容 血管内皮细胞的形态结构 血管内皮细胞的功能 血管内皮细胞的异质性 血管内皮细胞功能障碍 血管内皮细胞功能的测定 血管内皮功能异常与心血管疾病 血管内皮细胞的形态结构 循环血液与血管壁内皮下组织之间的单层细胞，通过各种 结缔组织纤维，附着在内皮下组织。 形态扁平、略长、呈多角形，细胞相互排列紧密，呈“鹅卵 石”样外观 。 形态学标记：WeibelPalade小体（Von Willebrand因子 贮存和加工构器官）。 内皮细胞之间的连接有粘附连接、紧密连接和缝隙连接。 内皮细胞的管腔面上存在有突起的微绒毛，上面覆盖着一 层主要由多糖构成的细胞外衣，称为“fuzzy coat”。 LUMEN Tunica adventitia Tunica media Tunica intima Can you see the endothelium? LUMEN Note the individual Endothelial Cells Vasoconstriction and dilatation NormalVasoconstrictionVasodilatation VasoconstrictionVasodilatation Vasoconstriction and dilatation Resistance to flow Resistance to flow Endothelial Apoptosis NormalApoptosed Human Umbilical Artery Endothelial Cells (HUAEC) Human Umbilical Vein Endothelial Cells (HUVEC) Weibel-Palade body (arrows) in the cytoplasm of endothelial cell Lung Lung MicrovascularMicrovascular Endothelial Cells - HMVEC-L Endothelial Cells - HMVEC-L stained for von stained for von WillebrandWillebrand factor factor HUVECsHUVECs F-actin microfilaments yellowish von Willebrand factor (Weibel-palade bodies) orange vinculin plaques greenish nuclei blue (DAPI) Cell JunctionsCell Junctions Tight JunctionTight Junction Gap JunctionGap Junction Adhesion Junction Adhesion Junction DesmosomeDesmosome MicrovilliMicrovilli and and Glycoprotein Glycoprotein Surface CoatSurface Coat MicrovilliMicrovilli of Cultured HUVEC of Cultured HUVEC （EMEM） The Endothelium As an Endocrine Organ 血管内皮细胞的功能 调节血管通透性 维持血管壁的完整性 释放血管活性物质，调节血管舒缩状态 调节血管平滑肌细胞的增殖及迁移 调节凝血与抗凝之间的动态平衡，维持血液流动性 抗白细胞粘附 修饰（氧化）转移入动脉壁的脂蛋白 调节血管通透性 血管壁内外物质交换和转移的选择性的通透屏障 内皮细胞间的紧密连接能有效地防止血浆成分和血液细胞无序地漏出。 正常只有1-10%的血浆蛋白能通过血管壁进入周围组织 物质转运的方式： (1)对流和弥散(主要是水、气体和脂溶性物质)；(2)通过内皮细胞间隙的 扩散；(3)吞饮小泡的转运；(4)穿内皮小管的运输；(5)受体调节的转运 影响物质通过内皮细胞转运的因素： (1)血管的部位；(2)内皮细胞的完整性；(3)血压及血液动力学因素；(4) 转运物质的血浆浓度和分子量大小；(5)物质与组织的亲和程度；(6)血管 活性物质；(7)炎症、损伤等因素 W. Rose Mehta 91Tousoulis, et al., Heart 2005; 91: 353-358.: 353-358. Endothelial cell functions Maintaining the vascular tone: Vasodilation and Vasoconstriction NO/EDRFNO/EDRF 作用最强的舒血管物质 合成途径 在eNOS的作用下由L-arg合成 舒血管机制 NO 激活GC 胞内cGMP 平滑肌内内游离Ca2 活化cGMP依赖性蛋白激酶 改变细胞内一系列蛋白质 磷酸化状态 肌球蛋白轻链脱磷酸化 平滑肌细胞松弛 其它作用 (L-NMMA) = N(G)-mono-methyl-L-arginine W. Rose Shear stress eNOS activation NO production smooth muscle relaxation Galley 91Tousoulis D, et al., Heart 2005; 91: 353-358.: 353-358. 血管内皮功能的检测 血管内皮依赖性舒张功能检测 应用心导管技术评价内皮功能 应用无创性高分辨率超声技术进行内皮功能评价 内皮功能标志物的检测 NO的检测 cGMP测定法 一氧化氮合酶（NOS）的测定 其他内皮功能标志物的检测 其他检测方法 应用心导管技术评价内皮功能 冠脉内乙酰胆碱输入法借助定量血管造影的方法评价血管反应 1986 年Luder等采用冠脉造影研究发现，冠脉内输入乙酰胆碱 可引起正常的冠脉呈剂量依赖性血管舒张，而有动脉粥样硬化的冠 脉则出现反常的收缩。 由于内皮功能受损，NO 释放障碍，血管平滑肌细胞失去舒张 因子的作用，而对乙酰胆碱产生直接反应所致。 该方法结果可靠，但属于有创检查，并需要在心电导管室中完成，价 格昂贵，临床应用受到极大的限制。 RR of CVA CBFR to Ach CBF Increase with ACh Relative Risk of CVA/TIA Targonski PV et al, Circulation 2003;107:2805 应用超声技术进行内皮功能评价 原理：肱动脉血流介导的内管扩张程度可间接反映冠状动脉的内皮功能。 高分辨率的血管外超声检测肱动脉的内皮依赖性舒张功能与冠状动脉粥样 硬化有很好的相关性。 方法：用袖带阻断肱动脉血流5分 钟后再释放袖带，引起动脉内反应 性血流增加，血流增加带来的切力 作用于血管壁，促进NO的释放， 导致血管扩张。 简便易行，重复性好，无创 Flow-mediated dilatation (FMD) Is defined as an endothelium- dependent process that reflects the relaxation of a conduit artery when exposed to increased flow and, thereby, increased shear stress. An impaired FMD response reflects endothelial dysfunction. A temporary increase in shear stress can be induced by increasing the local blood flow, the so-called “reactive hyperemia”. An abrupt decrease in vascular resistance mediated by the EDNO caused FMD. Tousoulis D, et al., Heart 2005: 91: 553-558.Tousoulis D, et al., Heart 2005: 91: 553-558. The genesis of FMD Moens, et al., Chest 2005; 127: 2254-2263. Flow-mediated vasodilation (FMD) Equipment: Ultrasonic imaging of brachial artery diameter Measurement of vasodilation response by ultrasonic imaging of arterial diameter: should be equipped with vascular software for 2D imaging, color and spectral Doppler, an internal ECG monitor and high frequency vascular transducer attached to a high-quality mainframe ultrasound. and Noninvasive, simple, costly, widely available, need further Noninvasive, simple, costly, widely available, need further validation.validation. Brachial Artery Flow-Mediated Dilation Baseline 5 Minutes Post-Occlusion Blood Pressure Cuff Occlusion 1 Minute Release 3.1 mm 3.6 mm 4 Yr CVEs in Suspected CAD According to Brachial Artery FMD Murakami T et al. J Am Coll Cardiol 2001;37:294A 5 Yr CHD Events CAD Patients According to Brachial Artery FMD Neuntfeufl T et al, Am J Cardiol 2000;86:207 NO的检测 （重氮化反应法，亦称亚硝酸盐法或Griess法） 原理： 体内NO释放后很快变为亚硝酸盐和硝酸盐（稳定的终末代谢产物），利用 测定亚硝酸盐和硝酸盐的含量而间接反映NO的生成量。 方法： 亚硝酸盐可与Griess试剂发生重氮化反应，产物通过比色法测定；测定硝酸 盐时先以金属或其他还原剂将其还原为亚硝酸盐后再与Griess试剂发生反应。 有报道用高效液相色谱法可同时测定亚硝酸盐和硝酸盐，有较好的发展前 途。 应用：可测定血液，组织，细胞培养液，尿液等的NO含量。 方法简单，对设备要求简单，快速，稳定，但灵敏度不高，且易受饮食中 的硝酸盐或含硝基化合物等外源性含硝基类物质的影响。 cGMP测定法 原理： NO能激活细胞内的可溶性鸟苷酸环化酶，从而使cGMP产 生增多，由于cGMP充当了NO的第二信使，故可通过测定 cGMP浓度来反映NO的生产量。 方法：cGMP可通过放射免疫法测定。 检测方便，灵敏度高，但仅用于测定细胞内的cGMP，易受其他 因素影响，特异性不高，近年应用较少。 一氧化氮合酶（NOS）的测定 原理： 在还原型尼克酰腺嘌呤和核苷酸磷酸存在的条件下，NOS可 催化L-精氨酸和氧气生成胍氨酸和NO。 方法： 应用液体闪烁计数仪测定同位素标记的精氨酸生成胍氨酸的 量可反映NOS的活性。 本法应用较广，但钙离子浓度，温度，时间等因素常影响测定结果 。 其他内皮功能标志物的检测 ET在血管内皮细胞受损时，产生增多。因此ET增高也可以间接 反映血管内皮功能。 受损的血管内皮细胞还可释放vWF因子及ICAM。这两者也被当 作内皮功能标志物，反应血管内皮细胞受损的程度。 其他检测方法 应用正电子发射断层描记术( PET) ，可对冠脉内血流 及内皮细胞的新陈代谢进行定量分析。 方法虽无创，但因价格昂贵而不能广泛应用。 应用冠脉内血管超声来直接观察冠状动脉在剌激物作 用下(乙酰胆碱输入) 的内径变化。 99 Clinical Sequelae Pathophysiology Vascular Disease O2 Endothelial Cells and H2O2 Vascular Smooth Muscle Oxidative Stress: Endothelial Dysfunction and CAD Risk Factors Endothelial Dysfunction Apoptosis Vasoconstriction Leukocyte adhesion Lipid deposition Thrombosis VSMC growth Hypertension Smoking Diabetes LDL HomocysteineEstrogen deficiency 内皮功能异常与心血管疾病 动脉粥样硬化（Atherosclerosis，AS） 高血压（Hypertension） 充血性心力衰竭（CHF） 心肌缺血（Myocardial ischemia） 血管内皮细胞损伤与心血管介入 EC在心血管病的发生、发展中起着不可忽视的作用，纠正疾病时内皮功能 的紊乱，有助于疾病的治疗，同时对于理解心血管疾病的病因学也有帮助 。心血管庆病的基因治疗探索中，就是以改变血管EC的功能为手段。 动脉粥样硬化 概念： AS是指内膜下脂质沉积，同时有平滑肌细胞和纤维基质成 分的增殖，逐步发展形成AS斑块的广泛性动脉病变。 斑块含大量脂质 、泡沫细胞、淋 巴细胞、增殖的 平滑肌细胞，以 及基质成分。 The Universal Damage Coronary Coronary Heart Heart DiseaseDisease Endothelial Endothelial DysfunctionDysfunction NO NO Inflammation Inflammation Thrombosis Thrombosis GenesGenes Coronary Risk Factors The Essential Components Pathogenesis of AS Non Vulnerable Atheromatous Plaque Vulnerable Atheromatous Plaque www.drsarma.in 106 AS中的内皮细胞 危险因素： 高血压、缺氧、高胆固醇血症、糖尿病、 吸烟及血液流变学、动力学改变等。 AS过程中的内皮细胞 内皮细胞的损伤是AS的始动环节 关于AS的发生学，主要有两种学说，即脂质浸润学说和内皮 细胞损伤-反应学说。在这两种中，有一共同点，即各种损伤因素 首先导致了内皮的功能紊乱，从而引起一系列的细胞间的相互作 用，使AS得以发生发展。 在整个AS的发展过程中，内皮细胞的功能改变具有重要的作用。 AS是内皮细胞与平滑肌细胞、血小板、白细胞等的相互作用 的过程。 自分泌或旁分泌方式作用的细胞因子的参与，其对内皮细胞 功能的影响在AS过程中具有十分重要的地位。 随着血清胆固醇的下降及动脉粥样硬化的消退，内皮功能的异常可 得到逆转。 内皮细胞的损伤是AS的始动环节 致AS的危险因素均可导致冠脉内皮的功能障碍。 高胆固醇可激活补体，促进白细胞和血小板在内皮聚集和粘附， 致使血流减慢和血管通透性升高，导致内皮的损伤。 氧化型LDL对eNOS的RNA表达具有直接的抑制效应。 高血压及血流动力学的变化可引起内皮破损，使内膜暴露。 AS中内皮源性细胞因子的参与 损伤后的内皮细胞能合成分泌若干类别的细胞因子，调节血管的多项 功能，进而可能影响AS损伤的发生、发展和复杂化的全过程。 使内皮细胞界面转变成促进血液凝固和抑制纤溶的表面； 舒血管物质（PGl2、EDRF等）释放减少，而收缩因子(ET等) 释 放增加；引起血管收缩、通透性增加、组织缺血； 促进平滑肌细胞增殖及向内膜下迁移； 促进诱导中性粒细胞、单核细胞等炎症细胞由血管腔向血管壁黏 附浸润； 激活血小板释放PAF、ADP等，促进血小板粘附于内皮细胞上， 释放氧自由基、蛋白水解酶、白三烯等，进一步造成内皮损伤； 调节血管细胞外基质的合成； 细胞因子可调节自身的表达，并诱导一些相关蛋白生长因子的表 达。 高血压 高血压以外周血管阻力增加为特征。 高血压时血管EC功能的失调 血管EC功能失调在高血压发病中的作用 纠正血管EC功能失调在高血压治疗中的意义 高血压时VEC功能的失调 证据： 不同高血压动物分离得到的动脉显示，高血压时EC首先受到损害， 其功能失调。 人患高血压时，血管内皮功能也出现失调现象。 表现： 以内皮依赖性舒张反应减弱为特征，与血压升高的程度呈相关性。 机制： 由于血流切应力及血流搏动过强剌激EC，造成细胞形态结构改变， 功能失调：内皮舒张因子NO的合成减弱或丧失，内皮收缩因子ET等的 合成增多，血管壁重构阻隔NO发挥作用，并因此导致内皮依赖性舒张 反应减弱，血管痉挛性收缩，血压进一步升高，造成恶性循环。 VEC功能失调在高血压发病中的作用 EC功能失调是高血压的结果而不是原因 动物实验提示，内皮受损是继发于高血压的。 抗高血压药物治疗使血压降低到正常水平后，可使血管的内皮依 赖性舒张反应转为正常。 EC既是外周血管阻力的调节器，又是高血压的靶组织 高血压引起血管内皮结构功能改变，既可引起血管的内皮依赖性 舒张反应受损，血管痉挛性收缩；又可促进血管平滑肌细胞增殖纤维 化，引起血管壁僵硬，血管阻力升高，结果引起血压进一步升高，血 压升高后进一步损害血管内皮细胞的结构和功能，如此周而复始，使 高血压病程持续性发展，甚至发生严重的并发症，造成恶性循环。 纠正VEC功能失调在高血压治疗中的意义 纠正VEC功能失调的主要措施 增加内皮源性舒张因子NO的产生或协同其作用; 抑制内皮源性收缩因子ET-1等的产生或拮抗其作用; 抗氧化作用延长NO在血管壁内的存在时间。 意义： 有效降低血压； 进一步减轻高血压引起的血管变化，如粥样硬化和平滑肌肥大 ； 也有可能进一步降低与高血压有关的心脑血管意外，如中风和 心肌梗死的发病率和死亡率。 纠正内皮功能失调是研制抗高血压药物的新思路和有发展前途 的方向。 充血性心力衰竭 动物实验研究 CHF时内皮依赖的舒张功能 受损。 临床研究 CHF病人外周血管Ach介导的内皮依赖性血管扩张受损， 导致病人外周血管阻力的增强。 CHF时病人血管内皮结构及功能均受到损害，自分泌舒血 管物质能力下降，相反，缩血管肽内皮素的释 放增多。 CHF时EC受损机制 心衰发生前，血压升高、切变应力增大，造成内皮受损； 肾素-血管紧张素系统活性增高，一方面收缩血管，另一方 面又增强内皮素缩血管作用，促进其合成。 心肌缺血 动物实验研究