胰岛素的血管效应和内皮功能

1、胰岛素的血管效应和内皮功能关键词血管效应，胰岛素内皮源舒张因子中分类号:Q578文献标识码:A文章编号：1005-3271(2000)-01-0040-03内皮调节血管结构、功能和代谢。大多数内皮功能实现是通过内皮旁分泌血管活性物质作为载体。尤其是内皮源舒张因子(endothelial-derived relaxing factor EDRF)的发现，进一步深化了人们对心血管疾病机制的认识。原发性高血压、冠心病和糖尿病患者常伴随有胰岛素抵抗(insulin resistance,IR)和代偿性高胰岛素血症。IR是指胰岛素调控葡萄糖代谢能力受抑，其机制仍未明了。近几年，胰岛素和EDRF的关系研究

2、倍受关注，提示了一种新的IR机制。作者主要综述胰岛素的血管作用、机制以及和IR的关系。1EDRF的生化特性1980年，Furchgott和Zawadski首先发现了EDRF现象。过去十几年的研究表明，EDRF是调节血管张力的主要内源因子,其化学本质是一氧化氮(内皮源一氧化氮，ED-NO)或密切相关的亚硝基复合物。由L-精氨酸作底物，通过内皮细胞产生的一氧化氮合酶(eNOS)催化合成。内皮合成的NO扩散入其下的平滑肌细胞，激活鸟苷酸环化酶，加强环鸟苷酸生成。环鸟苷酸引起细胞内Ca2+浓度降低、血管扩张。研究内皮依赖的舒血管反应最常用的工具药是乙酰胆碱、L-单甲基-精氨酸(L-NMMA)、L-硝基

3、-精氨酸(L-NNA)和硝普钠。乙酰胆碱激活内皮上M型受体，引起细胞内Ca2+浓度升高，钙调蛋白激活，进而活化eNOS，合成和释放ED-NO。所以，乙酰胆碱的血管效应反映了内皮依赖的NO产生。L-NMMA和L-NNA是eNOS竞争性抑制剂，通过底物竞争方式抑制NO合成。硝普钠是外源性NO供体，释放NO，扩散入平滑肌细胞，引起血管舒张，反映了平滑肌细胞对NO的敏感性。2ED-NO释放和胰岛素的血管效应早在半个世纪之前已经观察到，胰岛素有舒张人外周骨骼肌血管，增加血流量的作用1。实验表明2，在健康人群，2 h静脉给予胰岛素和葡萄糖，造成正常血糖，高胰岛素血症状态，采用前臂阻塞体积扫描技术测定前臂血

4、流量，胰岛素注射(6 pmolkg-1min-1)增加前臂血流量(P0.01或P0.05)。若肱动脉内预先灌注L-NMMA(1 molL-1min-18 molL-1min-1)则胰岛素增加血流量作用消失；血流量低于单独胰岛素和葡萄糖注射时的血流量(P0.01或P0.05)。同一实验还比较了灌注L-NMMA和去甲肾上腺素(一氧化氮不依赖收缩血管因子)对血流量的影响。随着L-NMMA浓度增加(1 molL-1min-18 molL-1min-1)，在同时注射胰岛素的个体，前臂血流量减少率较无胰岛素注射者更明显(P0.05)，而去甲肾上腺素对血流的影响，和是否同时注射胰岛素无关。Baron等3采用

5、股动脉内灌注L-NMMA，以热量稀释法测定腿部血流量，也得到类似结果。分离动脉条研究发现，胰岛素引起浓度依赖的骨骼肌小动脉条舒张，L-NNA或刮除内皮抑制此效应，环氧酶抑制剂对此无作用4。体内和体外实验都提示：胰岛素的舒血管作用是由ED-NO所传导。Zang5用NO选择电极技术，发现胰岛素以剂量依赖的方式迅速引发人脐静脉内皮细胞产生NO。最大反应是100 nM NO(200 000细胞/2 ml培液)。ED50为500 nM胰岛素。这些资料再次表明，胰岛素的舒张血管作用是由ED-NO所传导。胰岛素与内皮受体结合，激活eNOS，产生NO，NO扩散到内皮下平滑肌细胞，激活鸟苷酸环化酶，产生环鸟苷酸

6、，引起细胞内Ca2+减少，血管舒张。但是，另有一些实验，对胰岛素本身直接舒张血管效应提出异议。Taddei等6采用肱动脉内局部灌注胰岛素，造成局部动脉血胰岛素浓度为60 Uml-1，深静脉血胰岛素浓度为(486) Uml-1，以静脉阻塞体积扫描技术测量前臂血流量，发现胰岛素单独并不影响前臂血 量，但有意义地加强了乙酰胆碱的舒张血管作用。此加强效应可被100 mgmin-1dl-1的L-NMMA去除或减弱，说明胰岛素本身虽无直接舒张血管作用，但可能通过对内皮细胞L-精氨酸-NO途径的协同激活，加强血管舒张效应。实验方法学和实验模式的不同(如局部或全身注射胰岛素，血流测定方法)，可能是导致这些不同

7、现象的原因。3胰岛素的血管效应和IR胰岛素与靶组织细胞上受体结合，刺激组织细胞对葡萄糖吸收和代谢。胰岛素刺激的葡萄糖代谢总量的80%发生在骨骼肌组织。骨骼肌葡萄糖代谢量公式可定义为：骨骼肌葡萄糖代谢量=动脉-静脉血葡萄糖差值X整个骨骼肌血管床血流量。血流量减少和葡萄糖排泄障碍，都可引起胰岛素代谢葡萄糖能力下降，表现为IR。血管对胰岛素刺激EDNO产生的抵抗，可能提示了胰岛素作用和IR的一种新的靶组织。3.1健康人群ED-NO产生和胰岛素敏感性胰岛素敏感性与年龄，基础代谢指数和最大有氧代谢能力有关。在健康群体，变化范围高达3倍。对一组19个健康志愿者，肱动脉内灌注各种血管活性物质，以观察ED-N

8、O产生和胰岛素敏感性关系7，发现在正常血糖高胰岛素血症钳夹期间，胰岛素敏感性和平均L-NMMA反应正相关(r=0.52,P0.05)，与去甲肾上腺素(r=0.14,P=NS)、乙酰胆碱(r=0.15,P=NS)和硝普钠(r=0.31,P=NS)等反应无关。实验结果提示：基础条件下ED-NO产生和胰岛素敏感性间存在着特异的生理联系；依此提出3种假说：内皮基础NO-组织血流-组织胰岛素敏感性；胰岛素敏感性-内皮基础NO；基因和环境改变-内皮基础NO和胰岛素敏感性。第和两种学说说明基础ED-NO产生和胰岛素敏感性可能存在因果联系。但是，Scherrer采用相似的研究方法即发现，在正常血糖高胰岛素血症

9、钳夹期间，肱动脉内灌注L-NMMA并不影响肌组织对葡萄糖吸收和氧化，表明胰岛素舒张血管效应本身并不是骨骼肌肉葡萄糖吸收的主要决定因素12，即ED-NO产生和胰岛素敏感性无关。相互矛盾现象的原因，尚不清楚。3.2原发性高血压原发性高血压常伴有IR和内皮依赖的舒张血管效应受抑。IR的原因之一是生理浓度和胰岛素刺激骨骼肌细胞排泄葡萄糖能力的缺陷8，内皮依赖的舒张血管效应受抑，可能由于ED-NO释放减少或者破坏加强。分子水平研究表明，内皮eNOS-mRNA，蛋白质表达在不同的器官组织可能减少或不变9，10。Taddei等实验发现，在高血压和正常人，局部高胰岛素血症能同样有效地加强乙酰胆碱的舒张血管作用

10、，但作用机制不同。通过应用特异性抑制剂研究发现：在正常人，胰岛素同激活乙酰胆碱L-精氨酸-一氧化氮系统，加强乙酰胆碱的舒张血管效应；而在原发性高血压患者，由于L-精氨酸-一氧化氮途径缺陷，胰岛素绕过此途径，通过激活内皮源高极化因子，超极化平滑肌细胞，加强乙酰胆碱的舒血管效应16。初步实验结果提示，原发性高血压患者的胰岛素抵抗可能和血管内源性ED-NO产生无因果联系。3.3型糖尿病(IDDM)关于IDDM患者胰岛素抵抗机制，有许多矛盾的报道。下面主要讨论以Baron和Makimattila为代表的两种观点。Baron认为，骨骼肌血流减少是IDDM患者IR的主要原因。相反，Makimattila认

11、为，慢性高血糖分别引起内皮依赖的舒张血管效应的抑制和胰岛素葡萄糖代谢的抑制，血流减少和IR无因果关系。Baron等人11很好设置的对照和IDDM组，以120 mUm-2min-1静脉内给予胰岛素，血糖被钳夹在4，7，12和21 mmolL-1，以热量稀释技术测定血流，结果为：在IDDM患者，各种血糖浓度时，整体和腿部骨骼肌葡萄糖吸收能力下降(P0.01)，腿部骨骼肌血流减少(P0.01或P0.05)；动力学分析表明，在二组间，骨骼肌组织最大动-静脉葡萄糖排泄值无差别，组织对葡萄糖吸收、排泄的亲合常数无差别。结果提示，在IDDM，由于胰岛素刺激血管内皮产生ED-NO缺陷，血流减少，对胰岛素和葡萄

12、糖运输减小，导致IR。Makimattila等12的实验设计为：静脉给予胰岛素1 mUkg-1min-1，到2 h，在IDDM和正常对照者，血葡萄糖和胰岛素浓度相同。此时，在IDDM，胰岛素刺激的整体和前臂骨骼肌葡萄糖吸收较正常对照组减少57%(P0.01)，动-静脉葡萄糖差值减少44%，而血流在二组间无差别；线性回归分析，血红蛋白Alc(HbAlc)和前臂骨骼肌血糖吸收、动-静脉葡萄糖差值呈反向关系，说明慢性高血糖引起葡萄糖排泄障碍，这是IR的原因，而和血流改变无关。静脉阻塞体积扫描法测定血流量发现，在乙酰胆碱刺激期间，HbAlc和前臂骨骼肌血流量呈反向关系，而硝普钠无此现象。血糖控制较差的

13、IDDM和正常及控制较好的IDDM相比，内皮依赖的血流量和内皮不依赖的血流量之比降低40%，进一步支持了高血糖对内皮功能损害的观点。近来，分子水平研究表明，高血糖既增加了eNOS基因、蛋白表达和NO释放，同时又增加O2-的产生。NO和O2-平衡的倾斜，导致IDDM患者内皮依赖的舒张功能障碍13。上述相反的实验结果，可能是由于患者选取差异、胰岛素浓度的不同(在Baron实验中所用胰岛素浓度高于Makimattila所用浓度的3倍5倍)，而不同浓度胰岛素对血流量的调节作用可能不同。4胰岛素血管作用机制4.1胰岛素调整ED-NO产生的机制eNOS是内皮以L-精氨酸为底物合成NO的限速酶，活性为Ca2

14、+/钙调蛋白依赖性，乙酰胆碱能通过提高内皮细胞内Ca2+浓度，激活钙调蛋白，进而激活eNOS。Han等14用胰岛素孵育分离的鼠主动脉条发现，在胰岛素诱导动脉条舒张的同时，内皮细胞内Ca2+浓度升高，L-NMMA可阻抑之。结果提示，胰岛素也能通过增加内皮细胞内Ca2+浓度，进而通过Ca2+/钙调蛋白途径激活eNOS，合成和释放NO。但Zeng等以培养人脐静脉内皮细胞为研究对象发现，胰岛素能刺激内皮细胞合成NO，酪氨酸激酶抑制剂和L-NAME完全抑制NO的生成，提示NO的生成是以胰岛素受体酪氨酸激酶途径而不是以Ca2+/钙调蛋白途径传导。也可能是，胰岛素受体酪氨酸激酶的激活，磷酸化钙调蛋白，激活的

15、钙调蛋白加强eNOS催化NO的合成和释放。4.2内皮是胰岛素调节糖代谢和血管作用的耦联点血管内皮细胞尤其是小血管和毛细血管内皮上，有广泛的胰岛素和胰岛素样生长因子受体。胰岛素与内皮上受体结合，导致了内皮对胰岛素的跨膜转运。而且，由于胰岛素与内皮上受体结合所诱发的受体酪氨酸激酶激活，激活的酪氨酸激酶通过某些未明了的途径和信号，直接激活eNOS或者通过磷酸化钙调蛋白进而激活eNOS，合成和释放NO，舒张血管，加强了胰岛素自身和葡萄糖到组织细胞的运输和代谢。所以，胰岛素的血管效应和代谢效应可能以某种方式相互协同。事实上，胰岛素转运葡萄糖过程中一必须效应分子PI3-激酶的抑制剂Wortmanin能使胰

16、岛素刺激培养的脐静脉内皮产生的NO减少50%5，也说明胰岛素的糖代谢和ED-NO产生享有一共同通道。这些胰岛素信号转导途径在不同病理情况下(如高血压，IDDM等)有不同的改变。5结语胰岛素代谢作用和血管作用的探讨，将为阐明IR的部分机制，改善IR的策略探讨提供一个新视角，具有重要的理论意义。李慧丽(上海第二医科大学附属仁济医院心内科,上海 200001)黄定九(上海第二医科大学附属仁济医院心内科,上海 200001)参考文献:1Abramson DI,Schkloven N,Margolis MN,et al. Influence of massive doses of insulin on

17、peripheral blood flow in manJ. Am J Physiol,1939,128:124.2Scherrer U,Randin D,Vollenweider P,et al. Nitric oxide release accounts for insulins Vascular Effects in HumansJ. J Clin Invest,1994,94(6):2511.3Baron AD. The coupling of glucose metabolism and perfusion in human skeletal muscleJ. Diabetes,19

18、96,45(suppl 1):S105.4Chen YL,Messina EJ. Dilation of isolated skeletal muscle arterioles by insulin is endothelium dependent and nitric oxide mediatedJ. Am J Physiol,1996,270(6pt2):H2120.5Zeng G,Quon MJ. Insulin-stimulated production of nitric oxide is inhibited by wortmanninJ. J Clin Invest,1996,98

19、(4):894.6Taddei S,Virdis A,Mattei P,et al. Effect of insulin on acetylcholine-induced vasodilation in normotensive subjects and patients with essential hypertensionJ. Circulation,1995,92(10):2911.7Petrie JR,Shinichiro U,Webb DJ,et al. Endothelial nitric oxide production and insulin sensitivityJ. Cir

20、culation,1996,93(7):1331.8Natali A,Santoro D,Palombo C,et al. Impaired insulin action on skeletal muscle metabolism in essential hypertensionJ. Hypertension,1991,17(2):170.9Seki T. Gene expression of endothelial type isoform of nitric oxide synthase in various tissues of strobe-prone spontaneously h

21、ypertensive ratsJ. Hypertens Res,1997,20(1):43.10 Pessac B. Reduced basal NO-mediated dilation and decreased endothelial NO-synthase expression in coronary vessels of spontaneously hypertensive ratsJ. J Mol Cell Cardiol,1997,29(1):55.11 Baron AD,Laakso M,Brechtal G,et al. Mechanism of insulin resistance in insulin-depe