Nature重磅综述 | 衰老与动脉粥样硬化的"不解之缘"

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翻译 By 李明恒 丁英杰 蒋晓钰

白居易在写下“何人不衰老,我老心无忧”的诗句时,大概没预料到人在步入衰老状态时,心血管是“不得不忧”的。对于老年人而言,许多老年疾病均与动脉粥样硬化有关,如缺血、高血压、心肌梗死等。很多人将动脉粥样硬化归因于饮食搭配不合理、生活作息不规律等。然而,哪怕作息规律、饮食健康的人在老年时期时也容易出现动脉粥样硬化。这是因为我们机体在自然衰老过程中会促使血管动脉粥样硬化的形成。
 
衰老促进动脉粥样硬化形成主要有两种机制——血管系统的内在机制和外在机制。2020年9月11日,密西根大学的Daniel R. Goldstein在Nature Reviews Cardiology上发表题为Ageing and atherosclerosis: vascular intrinsic and extrinsic factors and potential role of IL-6的综述文章,详细介绍了衰老促进动脉粥样硬化形成的机制。


心血管的内外因素在其中起到了什么作用?IL-6又充当了何种角色?这些发现能提示我们什么治疗策略?接下来,小编将带各位读者一起来解开衰老与动脉粥样硬化的“不解之缘”。

 

通讯作者:Daniel R. Goldstein(图源网络)

摘要

世界范围内老年人口的数量正在上升,而高龄是动脉粥样硬化性心血管疾病的主要危险因素之一,但这种现象背后的机制仍不清楚。在这篇综述中,作者介绍了衰老影响血管动脉粥样硬化的内在和外在机制。首先,作者关注了血管系统的外部因素,探讨了衰老如何通过影响髓系细胞的发育,从而导致某种髓系细胞的扩增以及诱导细胞功能发生变化。接下来,作者描述了衰老促进动脉粥样硬化形成的内在因素,特别是对线粒体功能的影响。对小鼠和人类的研究表明,衰老会导致血管线粒体功能下降和线粒体自噬功能受损。在小鼠中,衰老与主动脉中炎症细胞因子白介素6(IL-6)水平的升高有关,IL-6参与了血管线粒体损伤加速动脉粥样硬化形成的正反馈循环。作者推测衰老的血管和髓系细胞通过IL-6信号协同促进动脉粥样硬化形成。最后,作者提出了未来临床研究的途径和潜在的治疗方法,以期降低老年人患动脉粥样硬化的风险。
 

文章要点

  • 与衰老相关的骨髓改变增加了不确定潜能克隆性造血(Clonal haematopoiesis of indeterminate potential, CHIP)现象,并促进了造血干细胞向髓系细胞分化的倾斜,这两者都可以加速动脉粥样硬化。

  • 与CHIP相关的动脉粥样硬化性心血管疾病发病率的增加可能是由IL-6信号和/或炎性小体激活介导的。

  • 衰老与线粒体功能下降和血管中IL-6水平升高有关,这两种效应可能独立于慢性高脂血症而加速动脉粥样硬化。

  • 免疫系统的脉管系统和髓样细胞在促进年龄相关动脉粥样硬化中的作用可能是由共同的炎症通路介导的,特别是IL-6信号。

正文

全球老年人口(年龄>65岁)的数量正在上升,在衰老人群中,心血管疾病成为影响发病率和死亡率的最大风险因素。饮食和生活方式的变化导致老年人心血管发病率和死亡率增高,但随着年龄增长,许多生物过程的改变也导致了这种心血管风险的增加。因此,对年轻人和中年人有效的心血管疾病治疗方法可能对老年人不太有效。此外,可能需要新的疗法来改善疾病治疗,特别是对于老年人的治疗。破译衰老促进动脉粥样硬化性心血管疾病的机制将是开发降低衰老相关心血管疾病新疗法的基础。新疗法的开发与2019年新型冠状病毒肺炎(COVID-19)的流行也密切相关,因为老年人,特别是那些患有心血管疾病的人,发病率和死亡率要高得多。
 
在这篇综述中,作者介绍了衰老促进动脉粥样硬化的两个主要方面。首先,作者探讨了血管系统外在的与年龄相关的因素,重点探讨了衰老对免疫系统中髓系细胞的影响。在骨髓中,衰老使造血细胞偏向髓系细胞分化。此外,衰老还会促进造血细胞克隆的发生,而没有明显的造血恶性肿瘤或其他已知的克隆性疾病的迹象,这种现象被称为不确定潜能克隆性造血(Clonal haematopoiesis of indeterminate potential, CHIP)。过去10年的临床研究显示,CHIP的存在增加了心血管疾病的风险。有趣的是,在IL-6功能缺失突变患者中,与CHIP相关的心血管疾病的风险被降低了。然而,CHIP促进心血管疾病发展的确切机制尚未被完全阐明。
 
接下来,作者阐述了血管内在因素,讨论衰老如何通过改变线粒体功能来损害血管生物能量学,以及这种改变如何与血管内的炎症通路联系起来促进动脉粥样硬化。在小鼠和人类中的研究表明,在主动脉中,衰老既损害了线粒体的功能,又损害了受损线粒体的清除(线粒体自噬)。2020年报道的一项实验证明了年龄介导的主动脉中IL­-6水平的增加与血管线粒体功能障碍相关,并且这些改变促进了动脉粥样硬化。
 
康纳单抗抗炎血栓形成的结果研究(Canakinumab Antiinflammatory Thrombosis Outcome Study, CANTOS)表明,IL-1β阻断可降低60岁以上患者复发心血管疾病的风险。重要的是,IL-1β阻断的最大益处可在血浆IL-6水平较低的患者中被观察到。这项关键的临床研究表明,慢性炎症是年龄相关动脉粥样硬化的主要因素,并可能是通过IL-6信号通路传递的。鉴于这一观察结果,提示了随着年龄的增长,动脉粥样硬化的增加可能是由于免疫系统的髓样细胞和血管系统之间通过IL-6信号的协同作用所致(图1)。这一机制之所以特别重要,是因为针对这一途径的临床批准药物(如抗IL-6疗法)已经应用于降低老年人患心血管疾病的风险。最后,作者建议未来的实验和临床研究将需要确定这一炎症通路在年龄相关性动脉粥样硬化中的作用。此外,其他炎症通路和细胞因子也可能导致年龄相关的动脉粥样硬化,这些细胞因子(包括IL-6)的来源可能是衰老的脂肪细胞,这一内容在先前发表的一篇关于细胞衰老和动脉粥样硬化的研究中已被详细探讨。
 
衰老以复杂的方式影响免疫系统,免疫系统的不同机制(先天免疫和适应性免疫)都会不同程度的影响动脉粥样硬化。本篇综述聚焦于随着年龄增长的髓系细胞克隆以及这些克隆如何导致动脉粥样硬化。作者在此没有介绍衰老如何影响免疫系统的其他细胞(例如,B细胞、T细胞、嗜酸性粒细胞或树突状细胞)。此外,作者还关注到了血管线粒体功能,以及线粒体功能障碍如何影响血管系统内的炎症途径。然而,鉴于大多数现有证据表明氧化应激不是生物衰老的主要驱动因素,且氧化应激对动脉粥样硬化的发生具有复杂作用,作者没有详细描述氧化应激在年龄相关动脉粥样硬化中的作用,也没有详细描述衰老如何影响动脉壁内的其他过程,如细胞外基质重塑或产生促纤维化和促钙化因子,这些因子可以通过增加动脉僵硬和高血压间接促进动脉粥样硬化,这些在先前综述已有介绍。

 

 

血管外在机制

 

衰老对髓系细胞产生的影响

许多不同谱系的免疫细胞亚群与动脉粥样硬化有关,包括巨噬细胞、树突状细胞、辅助性T细胞1(TH1)和B细胞,且都受到衰老的影响。造血干细胞(HSCs)通过造血作用在骨髓中产生免疫细胞。单核细胞、巨噬细胞和中性粒细胞来源于偏髓性造血干细胞。随着年龄的增长,尽管造血干细胞的绝对数目增加了,但造血干细胞失去了再生能力。这种再生能力的丧失伴随着分化为血小板(巨核细胞)和髓系的造血干细胞数量的增加。在小鼠中,竞争性骨髓移植研究表明,与年轻的HSCs相比,老年HSCs的再生能力降低,髓系细胞分化不平衡。几种主要的生物途径导致衰老,包括DNA损伤、线粒体功能障碍、细胞衰老、自噬受损、表观遗传学改变和基因转录失调。小鼠的转录组学研究表明,随着年龄的增长,HSCs增强应激反应和激活炎症通路,下调与遗传稳定性相关的基因表达。随着年龄的增长,造血干细胞出现表观遗传紊乱,特别是染色质重塑和转录沉默的下调,以及DNA甲基化的增加。这些表观遗传学改变伴随着造血干细胞的功能缺陷,包括造血干细胞归巢到骨髓的减少和造血干细胞增殖减弱。重要的是,IDH2等基因的突变会改变表观遗传调控,导致小鼠的造血祖细胞受损,并与人类T细胞淋巴瘤有关,这是一种患病风险随着年龄增长而增加的恶性肿瘤。尽管造血干细胞或一般干细胞是否会衰老仍值得商榷,但清除衰老细胞可以改善骨髓移植小鼠模型中的造血干细胞植入,并减少髓系细胞分化倾向。与野生型幼鼠相比,自噬缺陷的幼鼠增加了线粒体含量和新陈代谢,导致了HSCs中的线粒体应激。这些特征也在年老的野生型小鼠中观察到,并与HSCs向髓系细胞分化倾斜和增殖能力降低有关。随着年龄的增长,HSCs中microRNA-146a(miR-146a)的丢失也促进了髓系细胞的偏倚。此外,来自miR-146a缺陷的HSCs的髓样细胞同时具有高水平的IL-6和肿瘤坏死因子(TNF),这两个因子将HSCs转录调控的改变与炎症联系起来。总而言之,这些研究表明,衰老通过几个复杂的通路对HSCs产生影响,导致HSCs功能降低。
 
衰老还通过影响骨髓微环境而改变造血功能。骨髓微环境为HSCs功能提供支持环境,其组成包括有间充质细胞和内皮细胞。衰老如何影响骨髓微环境尚不清楚,但慢性全身炎症的存在可能起到了一定作用。衰老导致全身处于一种慢性低水平炎症状态,这可能是由细胞衰老导致炎症因子(称为衰老相关分泌表型)的产生所介导的。衰老炎症细胞的一个来源是脂肪组织,它通常随着年龄的增长而增大。随着年龄的增长,骨髓中脂肪细胞的数量也会增加,同时包括IL-6在内的促炎细胞因子水平也会升高。这些细胞因子促进向髓系细胞分化的倾斜和血小板生成的增加,后者可能导致血栓形成。重要的是,来自骨髓中瘦素受体阳性祖细胞的脂肪细胞会合成干细胞因子,从而促进HSC再生。骨髓中衰老的基质细胞是另一个潜在的炎症来源。这些细胞可以在老化的骨髓中分化成脂肪细胞,并进一步促进炎症环境。随着年龄增长,骨髓内皮细胞的功能也会下降。此外,骨髓中支持HSC再生的血管微环境的数量随着年龄的增长而减少,但在衰老小鼠中可以通过激活内皮细胞中的Notch信号来恢复。
先天免疫受体(Toll-like receptor 4,TLR4)的激活诱导小鼠造血干细胞向髓系细胞分化。衰老与肠道微生物的改变也有关,而肠道微生物可以刺激TLR4激活(例如,来自革兰氏阴性菌的脂多糖(LPS)能够激活TLR4)。TLR4活化可增加HSC向髓系细胞分化的失衡。在2019年对小鼠的一项研究中,发现骨髓微环境中的β2肾上腺素能受体信号随着年龄的增长而增加,这与髓系细胞和血小板的生成增加有关,这是通过IL-6依赖的机制实现的。这项研究还表明,随着年龄的增长,骨髓微环境从一个骨内生的微环境转变为一个非骨内生的微环境。这表明衰老将髓样细胞的产生从骨组织转移到了骨髓内。这项研究还发现,在早衰症小鼠模型中外周血的淋巴细胞更偏向于髓样细胞。给予β3肾上腺素能受体激动剂可减轻这种影响。总体而言,确切证据表明,衰老通过多种机制改变骨髓微环境,损害造血干细胞功能,促进髓系细胞分化。

1:促进动脉粥样硬化形成的衰老相关过程:IL-6作为潜在的共同通路。衰老通过不同的机制促进动脉粥样硬化的发生和发展,这可能与衰老引起的循环系统和细胞内IL-6水平升高有关。在衰老过程中,骨髓脂肪细胞中的IL-6信号增强。这种增加的IL-6信号可能会使造血干细胞偏向髓系细胞分化,并增加编码转录调节因子基因(如TET2)突变的风险,这可能导致造血细胞克隆的阳性选择和扩张,而不会发展为明显的恶性肿瘤或其他已知的克隆性疾病,这种现象被称为不确定潜能克隆性造血(CHIP)。衰老也会对导致CHIP的造血干细胞(HSCs)产生直接影响。带有TET2突变的髓样细胞显示IL-6和IL-1β增加,这可能导致动脉粥样硬化加速。衰老也可以直接对血管系统产生促动脉粥样硬化的作用。衰老与IL-6水平升高有关,这可能是由血管平滑肌细胞(VSMCs)产生的增加、线粒体基因组的不稳定性和血管系统中线粒体功能的下降所介导的。线粒体功能的降低改变了线粒体自噬,增加了IL-6水平,形成了加速动脉粥样硬化形成的正反馈循环。血管老化还会导致化学诱导剂的产生,增加髓样细胞向动脉壁的募集,进一步促进动脉粥样硬化。线粒体功能受损,线粒体吞噬功能降低,可能导致活性氧(ROS)水平升高。

 

克隆性造血与心血管疾病:临床相关性

对携带某些体细胞突变的HSCs克隆进行阳性选择和扩增,称为克隆性造血,通常会发生在衰老的过程中。70岁以上的个体中大约有10%携带与克隆性造血相关的突变,而这些突变在40岁以下的个体中很少见。这些造血细胞的克隆含有单个体细胞突变,最常见的是与血液恶性肿瘤相关的基因,如DNMT3ATET2ASXL1。携带这些基因突变的个体患血液系统恶性肿瘤的风险增加。与无突变的个体相比,具有与克隆性造血相关的任何体细胞突变的个体的全因死亡率增加。有趣的是,这些人死亡率上升不仅表现在血液系统恶性肿瘤的发生率较高,而且不良心血管事件的发生率也较高。在多变量分析中,即使在排除了糖尿病、高血压、吸烟和体重指数等传统的心血管危险因素之后,克隆性造血与不良心血管病变风险之间仍然存在关联。作为这些研究的结果,学者们创造了一个新的术语—CHIP,用以区分没有明显的造血恶性肿瘤发展倾向的克隆性造血或其他已知的来自于癌前克隆性造血的克隆性疾病。
 
一项后续的临床研究为心血管疾病和CHIP之间的联系提供了进一步的证据。特别是,患有CHIP的老年人(60-70岁)发生冠状动脉疾病的风险大约是未患CHIP的老年人的2倍,早发性心肌梗死的风险是后者的四倍,冠状动脉钙化指数是没有CHIP的同龄个体的3倍。重要的是,CHIP克隆的大小(定义为变异等位基因频率(variant allele frequency,VAF))与心血管疾病的发病风险相关。具体来说,VAF>10%的CHIP克隆的个体与没有突变的个体相比,心血管疾病的发病风险增加了12倍,而VAF<10%的CHIP携带者患心血管疾病的发病风险并没有显著增加。这项研究已证实CHIP与心血管疾病的风险有关,并提出了一种可能,即某些造血细胞克隆可以加速动脉粥样硬化的形成。然而,到目前为止,CHIP的存在只能作为动脉粥样硬化的生物标志物,尚不能用于治疗。

 

CHIP和衰老通过髓系细胞增加动脉粥样硬化

TET2突变是仅次于DNMT3A的CHIP相关的第二大常见体细胞突变。已经有小鼠模型用于说明TET2突变的致病机制。在动脉粥样硬化Ldlr-/-小鼠模型中,与接受野生型骨髓移植的小鼠相比,接受Tet2/Tet2+/骨髓重建的小鼠,在受辐射后动脉粥样硬化病变大小增大。这些数据表明,Tet2基因的一个拷贝的缺失足以增加小鼠的动脉粥样硬化风险对小鼠的进一步研究表明,髓系细胞特异性TET2缺乏会增加动脉粥样硬化斑块的大小。有趣的是,骨髓来源的巨噬细胞缺乏TET2会导致IL-­6和IL­1β(一种由炎症体激活产生的标志性细胞因子)的分泌增加,以响应各种体外刺激(如LDL、LPS和IFNγ)。此外,当对接受Tet2/骨髓移植的小鼠使用NLRP3炎症的小分子抑制剂治疗时,Tet2/骨髓细胞增加的致动脉粥样硬化的潜能被降低。TET2缺失的影响可能并不局限于血管疾病,有实验研究表明,将Tet2/骨髓细胞转移到未受辐射的小鼠体内会加速年龄相关性心肌肥大和纤维化的发展,并且髓系细胞中的TET2缺乏会加重急性损伤后小鼠心力衰竭的发展。
 
在UK Biobank注册登记的35,416名没有流行心血管疾病的个体中,研究人员评估了IL­-6对具有大CHIP克隆(VAF>10%)个体的心血管疾病发病风险的影响。科研人员研究了导致IL-­6信号减少的IL-6R编码突变是否改变了CHIP与不良心血管疾病(心肌梗死、冠状动脉疾病血运重建、中风或死亡)风险之间的关联。这项研究表明,IL-6R突变的存在减轻了携带大型CHIP克隆的个体不良心血管疾病发病风险的增加,但对没有CHIP的个体没有影响。这些数据表明,IL­-6信号与CHIP相关的心血管疾病发病风险增加之间存在因果关系。
 
IL-­6在炎性小体激活后释放,因此IL-­6与CHIP之间的联系表明,炎性小体激活是CHIP促进心血管疾病发展的一种机制。这一理论与之前在小鼠中的研究相一致,表明NLRP3炎性小体在Tet2/骨髓移植引起的动脉粥样硬化负荷增加中起作用。CANTOS研究表明,抗IL-1β的单克隆抗体可降低既往心肌梗死患者再发心血管事件的风险,证明了IL-1β对人类心血管疾病的影响。在CANTOS试验中,与循环系统中IL-6水平较高的患者相比,IL-1β阻断对循环IL-6水平较低的患者的影响更大。然而,IL-1β和IL-6在动脉粥样硬化实验模型中的作用尚不完全清楚,因为已有数据表明这些细胞因子中的每一种都具有动脉粥样硬化保护作用。然而,这些研究是在年轻小鼠身上进行的,因此随着年龄的增长,这些细胞因子可能表现出越来越多的致病作用。
 
单核细胞和巨噬细胞参与动脉粥样硬化慢性炎症过程的启动和慢性血管炎的消退。衰老会直接影响单核细胞和巨噬细胞的功能。随着年龄的增长,人单核细胞TLRs水平降低,依赖TLR的促炎细胞因子的产生减少。一项研究对年轻和年老动脉粥样硬化Ldlr/小鼠骨髓来源的单核细胞进行比较,结果表明衰老导致TnfIl1b的表达下调,但单核细胞的趋化性得以保留。老年(6月龄)动脉粥样硬化Apoe/小鼠与1月龄动脉粥样硬化Apoe/小鼠相比,骨髓中血管祖细胞数量减少。此外,将年轻的非动脉粥样硬化小鼠的骨髓来源的造血干细胞注射给未受辐射的6个月大的Apoe/小鼠,可以减少喂食高脂饮食后的动脉粥样硬化的形成。这一发现表明,衰老伴随着骨髓中具有预防动脉粥样硬化作用的祖细胞数量的减少。患有慢性或急性高脂血症的老年(18-21月龄)小鼠比年轻小鼠有更多的巨噬细胞浸润到动脉粥样硬化病变部位中。此外,老年动脉粥样硬化小鼠(12月龄)和大鼠(30月龄)的主动脉中巨噬细胞趋化因子和IL-6水平高于年轻动脉粥样硬化小鼠(2月龄)和大鼠(10月龄)。虽然巨噬细胞和单核细胞的基础分泌炎性细胞因子(如IL-1β、IL-6和IL-8)会随着年龄的增长而增加(可能是衰老所导致),在动脉粥样硬化形成过程中,尚不明确这些细胞是否是血管随年龄产生更多IL-­6的主要贡献者。在动物模型中,血管细胞,如血管平滑肌细胞,在出现任何动脉粥样硬化的迹象之前,IL-6的产生随着年龄的增长而增加。
 
胞吐作用是消解斑块炎症和缓解动脉粥样硬化发展的重要机制。体内和体外实验表明,组织肺泡巨噬细胞吞噬凋亡中性粒细胞的功能会随年龄的增长而下降,并与清道夫受体CD204的表达减少有关。在腹膜炎小鼠模型中,衰老导致急性炎症的消退能力降低,并与促消解的脂质介质水平降低有关。在急性炎症的人体皮肤模型中,炎症的消退也随着年龄的增长而延缓。这种表型与巨噬细胞中效应细胞受体TIM4的表达减少有关。随着年龄的增长,巨噬细胞中p38丝裂原活化蛋白激酶活性的升高导致TIM4的表达减少,口服p38抑制剂的治疗加速了老年人水疱炎的消退。总体而言,随着年龄的增长,巨噬细胞显示出炎症消解能力受损,然而,尚不清楚这种受损的巨噬细胞功能是否会导致动脉粥样硬化的增加。

 

 

血管内在机制

 

动脉粥样硬化形成前的增龄相关性血管线粒体功能障碍

在动脉粥样硬化形成之前,衰老会先影响血管系统。一般来说,有研究发现在衰老过程中内皮细胞功能降低,胶原沉积、纤维化和功能性血管硬化增加,表明衰老与动脉壁的重塑有关。此外,随着年龄的增加,VSMCs胞获得了更多的增殖和合成功能,还表现出活性氧(ROS)和高氧化损伤的增加。随着年龄的增长,内皮细胞也表现出抗氧化能力失调(由核因子红系相关因子2信号通路的破坏介导),从而导致血管老化。所有这些衰老的影响都会导致高血压的发展,而高血压则是心血管疾病的一个主要风险因素。
 
大多数关于啮齿动物模型中血管老化的研究都是在正常血脂的动物中进行的。这些研究提供的证据表明,线粒体功能障碍是已知的衰老标志,在动脉粥样硬化出现之前就会导致血管老化。无疾病、血脂正常的小鼠随着年龄的增长,在11月龄时首次发现主动脉中的线粒体功能障碍(以耗氧率(oxygen consumption rate,OCR)下降衡量),并在小鼠18月龄时变得更加明显。OCR的减少伴随着线粒体DNA(mitochondrial DNA,mtDNA)损伤的增加,这是线粒体基因组不稳定的迹象,同时也是另一个衰老标志。此外,随着年龄的增长,血管有丝分裂功能降低,同时,参与维护mtDNA完整性的mtDNA解旋酶Twinkle的表达减少。高水平表达Twinkle的老年转基因小鼠表现出血管衰老的延迟;特别的是,与老年野生型小鼠相比,这些小鼠主动脉顺应性的降低和主动脉僵硬的增加都延迟了。总体而言,实验证据表明,线粒体功能障碍和线粒体基因组不稳定导致了血管衰老。

 

动脉粥样硬化形成过程中的血管线粒体功能障碍

在人类中,动脉粥样硬化斑块表现出线粒体DNA损伤,这与线粒体功能降低有关,特别是动脉粥样硬化斑块纤维帽和核心区域的OCR低于斑块肩部或主动脉的非明显病变区域。这些发现与以前的实验结果是一致的,表明喂食低脂肪标准饮食的Apoe/小鼠,随着年龄的增长其血管mtDNA损伤会增加,但不会增加核DNA损伤。此外,人类动脉粥样硬化斑块中线粒体复合体I和复合体II的水平比非病变主动脉区域低。在高脂饮食喂养的动脉粥样硬化Apoe-/-小鼠也观察到同样的结果。与对照组Apoe/小鼠相比,高表达Twinkle的Apoe/小鼠动脉粥样硬化斑块坏死核心面积减小。线粒体功能障碍可能在ROS的产生中起核心作用,但这两个因素之间的相互作用是十分复杂的。例如,低水平的ROS可能会改善细胞的健康状况并促进细胞生存,这一理论被称为有丝分裂激动剂。然而,较高的ROS水平可能导致与年龄相关的慢性血管疾病。线粒体功能障碍和ROS之间的复杂相互作用可能解释了为什么在动脉粥样硬化小鼠中某些线粒体酶途径(如NADPH氧化酶1(NOX1)和NOX2信号转导)的中断对年龄相关的动脉粥样硬化没有影响,而在动脉粥样硬化小鼠中ROS清除酶(如超氧化物歧化酶)的部分缺失却会导致动脉粥样硬化。然而,一项研究发现,线粒体DNA损伤同时发生在VSMCs和单核细胞中,并且与人类动脉粥样硬化的负担有关,但没有证据表明ROS水平发生了变化。此外,抗氧化剂的临床试验尚未显示出对动脉粥样硬化性心血管疾病患者的疗效。总体而言,线粒体功能障碍发生在慢性高脂血症和动脉粥样硬化形成的过程中,并促进了动脉粥样硬化的发展。然而,ROS在这一背景下的确切作用仍需要进一步的研究。

 

Box 1 线粒体自噬

在动态平衡期间,受损的线粒体通过线粒体自噬(大自噬的一个特殊子集,见图)被回收。线粒体自噬可以减少线粒体损伤相关分子模式(Mitochondrial damage-associated molecular patterns,mtDAMPs)的产生,并限制炎症的发展。线粒体去极化导致线粒体膜外膜上丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶PINK1的聚集,进一步导致Parkin的募集。Parkin是一种E3泛素连接酶,可泛素化线粒体膜蛋白,包括线粒体融合蛋白1(Mitofusin 1,MFN1)、MFN2和电压依赖性阴离子选择通道蛋白1(Voltage-dependent anion-selective channel protein 1,VDAC1)。这种泛素化为线粒体的自噬装置(包括隔离小体1(P62)和微管相关蛋白1轻链3(LC3))的靶向做好准备,将线粒体包装在自噬小体中,并将它们运送到溶酶体进行降解。其他有丝分裂吞噬机制包括凋亡的BCL-2家族蛋白BCL-2/腺病毒E1B 19 kDa蛋白相互作用蛋白3(BNIP3)和NIP3样蛋白(NIX,也称为BNIP3L),它们形成二聚体并直接与LC3结合,作为线粒体和自噬小体之间的接头。BNIP3和NIX还通过参与线粒体细胞色素c的释放和线粒体通透性转换孔的开放,促进细胞凋亡和细胞死亡。

PGC1α,增殖物激活受体共激活因子TF,转录因子。

剖析血管衰老和慢性高脂血症

使用标准的动脉粥样硬化小鼠模型(例如Ldlr-/-Apoe-/-小鼠)来了解衰老在动脉粥样硬化中的作用的部分挑战是:即使以标准的低脂饮食喂养,这些小鼠也会患有慢性高脂血症。因此,不能将衰老的影响与慢性高脂血症的影响分开。2020年发表的一项小鼠研究通过预先检查没有高脂血症或血管疾病的年轻和老年野生型小鼠的主动脉中的线粒体功能来规避此问题。与以前的研究一致,与年轻小鼠相比,老年小鼠的主动脉OCR降低了。老年小鼠脉管系统的这种OCR降低伴随着线粒体蛋白Parkin的表达增加和基底线粒体表达增加(Box 1),这一过程属于去除受损线粒体的线粒体自噬过程。无高脂血症的衰老血管中线粒体质量控制的改变与小鼠动脉硬化有关。小鼠主动脉中的线粒体功能障碍和随衰老Parkin水平升高伴随着TLR9、MYD88和IL-6水平的升高。重要的是,体外阻断老年小鼠主动脉中的IL-6会增加OCR并降低Parkin水平。这项研究确定了一个正反馈回路,其中线粒体功能障碍和升高的IL-6水平共存并相互产生积极影响。然而,尽管有证据表明随着年龄的增长,VSMC分泌更多的IL-6,但尚未确定产生IL-6和应答IL-6的细胞的确切身份。
 
为了研究高脂血症在衰老主动脉中发生的变化与动脉粥样硬化之间的关系,通过腺相关病毒载体介导的Pcsk9诱导LDL受体水平的降低,并通过给小鼠喂高脂饮食持续10周(这是一项成熟的技术),使年轻和年老的野生型小鼠患急性高脂血症。使用此方案,年轻和年老小鼠的高脂血症水平相似且持久。然而,老年高脂血症小鼠比年轻高脂血症小鼠具有更大的动脉粥样硬化病变和更大的坏死核。重要的是,给年老的高脂血症小鼠施用亚精胺(一种能增加巨噬细胞自噬和线粒体吞噬作用的药物),可降低主动脉中IL-6和Parkin的水平,并减小动脉粥样硬化斑块的大小。该发现与先前的研究一致,后者表明使用亚精胺或海藻糖治疗增加线粒体吞噬能力,可降低血脂以及非动脉粥样硬化的老年小鼠的脉管系统的刚性。

 

线粒体功能异常会激活炎症

CANTOS研究表明,在患有心血管疾病的老年患者(年龄>60岁)中,IL-1β阻滞降低了复发性心血管疾病的风险,表明慢性炎症是与年龄有关的动脉粥样硬化的主要因素。如上所述,线粒体功能障碍可能与IL-6信号在正反馈回路中共存,从而增加血管衰老中的慢性炎症。此外,线粒体损伤后释放到细胞质中的线粒体成分可以刺激先天免疫反应。线粒体损伤又可以由TLR刺激引起,导致人类中的半胱氨酸蛋白酶4和半胱氨酸蛋白酶5活化或小鼠的半胱氨酸蛋白酶11活化。这些炎性半胱氨酸蛋白酶裂解胃泌素D,使胃泌素D在线粒体外膜上形成孔,导致线粒体膜电位受损,并进一步增加线粒体损伤。目前尚不清楚该途径是否发生在衰老过程中,特别是在血管衰老过程中被激活。然而,这种途径的参与可以解释,为什么通过微生物产物或无菌炎性介质进行的慢性TLR活化会随着年龄的增长而导致脉管系统的慢性炎症状态和线粒体功能障碍。
 
线粒体损伤导致线粒体组分释放,称为线粒体损伤相关分子模式(mtDAMPs),包括mtDNA,当进入细胞质中时,可以激活细胞内先天免疫信号通路,例如DNA感应受体环状GMP-AMP合酶和炎性小体。线粒体成分向内体的转移也激活了TLR9炎症途径,但其详细机制尚未完全阐明。线粒体还含有N-甲酰化的肽,通过与N-甲酰肽受体1结合以增加中性粒细胞趋化性、动脉损伤和ROS释放来诱导炎症。心磷脂是线粒体膜的组成部分,可以直接与NLRP3结合并激活NLRP3炎性小体。如果要长期激活,所有这些途径都可能促进血管衰老,并降低线粒体功能,尽管要确定每种途径的最终作用还需进一步研究。

 

 

协同机制

 

髓样细胞和脉管系统之间共有炎症途径

与年龄相关的动脉粥样硬化可能是通过共享的炎症途径通过脉管系统和髓样细胞的改变而介导的。潜在的候选途径是IL-6信号途径,因为现有证据表明,免疫系统和脉管系统中的IL-6水平均随着衰老而升高。在小鼠的骨髓生境中,IL-6水平随年龄增长而增加,这可能是由β2-肾上腺素能受体信号传导的增加和脂肪细胞数量的增加介导的(图1)。IL-6直接作用于HSC,以促进对髓样细胞分化的偏向。在小鼠巨噬细胞中,TET2缺乏症是与年龄有关的疾病CHIP中最常见的遗传改变之一,它会增加体外的IL-6分泌。重要的是,在功能丧失的IL-6基因多态性个体中,CHIP的促动脉粥样硬化作用似乎已被废除。在血管中,IL-6的水平随年龄增长而增加,这至少部分是由VSMC产生的IL-6介导的。
 
IL-6通常与衰老相关,是“炎性”表型的一部分。为何衰老会导致炎性细胞因子(不仅是IL-6,而且还包括其他炎性介质)的基础分泌水平升高的原因尚不清楚,但可能是由于微生物群的改变,肥胖增加以及免疫系统和循环系统的改变引起的。细胞因子水平的升高与衰老也可能是慢性潜伏感染的表现,例如疱疹病毒,细胞衰老或潜在的线粒体功能障碍。
 
IL-6在动脉粥样硬化的年轻动物模型中的作用尚不清楚,可能与IL-6信号传导的复杂性有关(Box 2)。具体而言,通过经典IL-6途径进行的信号传导发生在数量有限的细胞(例如肝细胞和某些免疫细胞)中,并且涉及IL-6与膜结合的IL-6受体(IL-6R)结合,随后与信号转导IL-6R亚基β(也称为gp130)相互联系。有证据表明经典的IL-6信号传导对于组织稳态、再生和宿主防御至关重要(如前所述)。可溶性IL-6R也可以通过循环激活gp130的膜,使IL-6参与循环,并激活比经典途径更广泛的细胞。该途径被称为IL-6跨信号传递(Box 2),可能导致慢性炎症。这些不同的IL-6信号通路可能解释了IL-6在不同组织和细胞区室中的多效性作用,以及IL-6在实验性动脉粥样硬化模型中的不同作用。例如,一项针对Apoe-/-小鼠的研究表明,外源性IL-6的给药会使动脉粥样硬化恶化。相比之下,另一项在Apoe +/-小鼠中的研究表明IL-6缺乏会加剧动脉粥样硬化,表明IL-6可能具有动脉粥样硬化保护作用。这些研究都没有区分IL-6的经典和跨信号通路。然而,第三项研究使用融合蛋白特异性地抑制了IL-6的信号转导,该蛋白阻断了动脉粥样硬化Ldlr-/-小鼠中gp130的可溶形式。该研究发现抑制IL-6的信号转导减少了动脉粥样硬化,表明IL-6的信号转导可能在动脉粥样硬化中具有致病作用。因此,减少动脉粥样硬化的临床治疗方法应着重于这种IL-6途径。

Box 2 IL-6信号

IL-6可以通过经典信号通路和转导信号通路来传递信号(见图)。在经典的IL-6信号通路中,IL-6与膜结合的IL-6受体(IL-6R)结合,随后与IL-6R亚单位β(也称为gp130)相互作用。细胞内信号转导主要涉及Janus激酶(JAK)和信号转导与转录激活因子3(STAT3)的激活。经典途径通常局限于肝细胞和免疫细胞,如髓系细胞和淋巴细胞中。转导信号通路通过IL-6与循环系统中的可溶性IL-6R(sIL-6R)结合,IL-6-sIL-6R复合物进一步广泛地结合细胞膜上的gp130结合,从而激活转到信号通路。去整合素和金属蛋白酶结构域包含蛋白17(ADAM17)对结合在膜上的IL-6R进行酶切,从而释放出sIL-6R。IL-6转导信号通路的激活通常导致慢性炎症,而IL-6经典信号通路参与细胞生长、再生和宿主防御。

 

 

IL-6是否在与年龄有关的动脉粥样硬化中起因果作用尚不清楚。IL-6对与年龄有关的动脉粥样硬化的贡献应在未来进行研究,并应确定产生IL-6的主要细胞和应答IL-6的细胞。此外,鉴定出主要产生IL-6的细胞(图2)以及IL-6激活是通过衰老的经典途径还是跨信号传导途径发生的,可能会导致针对性更强的动脉粥样硬化治疗药物,特别是考虑到临床批准的靶向IL-6的药物的可用性。重要的是,鉴于人体研究中的抗IL-6治疗会增加感染的风险,因此需要确定在动脉粥样硬化中靶向IL-6的风险与收益的平衡,这与其他生物制剂(例如抗IL-1β抗体)已用于减少动脉粥样硬化相似。但是,其他生物制剂如TNF抑制剂可能对治疗动脉粥样硬化性心血管疾病有益,应在与年龄有关的动脉粥样硬化中进行研究。最后,其他炎性细胞因子(例如TNF、CC趋化因子2和IL-18,它们都是SASP的一部分)可能在与年龄有关的动脉粥样硬化中具有致病作用,应在以后的研究中进行评估。
 
可以减轻衰老的某些有害生物学影响的疗法,例如去除衰老细胞(包括衰老的脂肪细胞),改善线粒体功能(例如,采用二甲双胍疗法)或增强自噬(例如,使用雷帕霉素疗法)或线粒体疗法,可能会减轻老年人的动脉粥样硬化负担,应在以后的临床研究中进行研究。实验研究表明,增加线粒体吞噬作用的药物(例如亚精胺)可减少年轻和年老小鼠的动脉粥样硬化。这些药物中的某些或全部可能具有多效作用,可以减轻炎症。此外,这些药物可能与特定的抗炎治疗药物协同作用,以随着年龄的增长减少动脉粥样硬化,这将需要进一步的临床研究。

2IL-6作为与年龄有关的动脉粥样硬化的潜在治疗靶标。IL-6在多种组织中上调,这些组织在随着年龄增长而形成动脉粥样硬化中起重要作用。因此,阻断IL-6可能是减少衰老过程中动脉粥样硬化发展和进程的有效治疗策略。阻断IL-6可能会干扰随着年龄的增长而发生的骨髓脂肪细胞中IL-6信号的增加(这促进了向髓样细胞分化的偏斜),从而降低了不确定潜能的克隆性造血(CHIP)的风险。IL-6阻断还可能降低与CHIP相关的骨髓细胞克隆的炎性潜能。尽管将IL-1β抑制的功效和安全性直接进行比较需要进一步研究,但IL-6的阻断可能会减轻动脉粥样硬化的负担。IL-6的阻断可能会增加线粒体功能并降低线粒体应激蛋白Parkin的表达,这也可能有助于减少衰老过程中的动脉粥样硬化。(HSC,造血干细胞;VSMC,血管平滑肌细胞)

 

 

结论

衰老通过多种复杂的途径影响动脉粥样硬化的形成,单一的因素不太可能是占主导地位的生物生理机制。在这篇综述中,作者概述了衰老是如何影响髓系细胞造血系统和脉管系统,从而促进动脉粥样硬化的。作者建立了由IL-6信号传导介导的潜在共有炎症途径的框架,该途径连接了这两个系统在与年龄有关的动脉粥样硬化中的作用,并提出了未来的研究途径以确定IL-6和/或其他炎症途径是减轻老年人动脉粥样硬化负担的可行和有效的治疗靶点。而抗炎策略需要在减少衰老的许多有害生物学影响的其他疗法的背景下来进行考虑。总体而言,作者希望随着进一步的临床研究和试验的发展,未来能够制定有效的能更好的治疗方案,以减轻老年群体因动脉粥样硬化而造成的社会医疗负担。

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