第6章 心肌病研究现状 第8章 急性冠脉综合征与心肌标志物

第7章 冠心病

一、动脉粥样硬化发病机制

在中国,随着经济社会的发展,心血管疾病的发病率已经排在各种疾病之首。有人预测,到2020年全球范围内由于心血管疾病造成的死亡数有可能达到总死亡数的36%,从而在人类历史上心血管疾病将首次成为第1位的致死原因。所以,心血管疾病是现在和将来很长一段时间内人类必须面对的最重大的公共卫生问题之一。在心血管疾病中,动脉粥样硬化(atherosc1erosis)及其并发症占了相当大一部分。经过长期的研究,人类对于动脉粥样硬化有了很深入的认识,在预防、诊断和治疗方面取得了相当大的进步,但距离战胜它还有很长的路要走。

对动脉粥样硬化深入系统的研究始于20世纪50年代,相继开展了流行病学、临床和实验室研究,从群体水平到整体、器官水平再到细胞、分子水平,直至现在的基因组和功能基因组水平,临床和实验室研究的很多成果也得到了群体研究的印证。人们逐渐取得共识:动脉粥样硬化是一个可以干预的过程,是一个由多种遗传因素和环境因素共同作用的结果。

1.危险因素(risk factor)概念的确立,多种遗传和环境危险因素的发现和证实

经过20世纪50年代广泛的流行病学研究,到1961年提出了危险因素的概念,最早确认的动脉粥样硬化的危险因素主要有高血脂和高血压等。经过随后的深入研究,相继发现和证实了更多的危险因素。它们可以分为两类:具有明显遗传倾向的危险因素和环境危险因素。主要的遗传危险因素包括低密度脂蛋白(1D1)或极低密度脂蛋白(V1D1)升高、高密度脂蛋白(hD1)降低、高血压、糖尿病与肥胖、代谢紊乱综合征、同型半胱氨酸升高、家族史、凝血因子水平升高、系统性炎症如C反应蛋白(CRp)水平等。主要的环境危险因素则包括高脂饮食、吸烟、缺乏运动和某些微生物的感染。

这些危险因素都经过了大量的流行病学、实验室和临床研究的证实。其中,只有血胆固醇水平升高能够在缺乏其他危险因素的情况下,在人类和实验动物中独立地诱发动脉粥样硬化,而对脂类和胆固醇的研究也贯穿了整个动脉粥样硬化的研究历史。CRp最近受到较为广泛的关注,但将其作为预测心血管疾病的指标尚有待进一步探讨。在环境危险因素中,高脂饮食、吸烟和缺乏运动都属于不健康的生活方式。心血管疾病包括动脉粥样硬化可以说是一种生活方式疾病,因为其大范围的流行是从西方工业革命之后开始的,其促发因素恰恰是三高饮食、吸烟和缺乏运动,改革开放以后我国的疾病谱变化也可以印证这一点。通过积极的公共卫生措施,如对人群的健康教育,改变这些不健康的生活方式,可以从源头上预防很大一部分动脉粥样硬化危害的发生。从总体考虑,在对动脉粥样硬化还没有根治手段的情况下,这种一级预防是最经济最有效的,也符合医学的本质精神,即“治未病”。过去几十年间包括美国等西方国家在这方面的工作已经见到成效。

2.脂类与动脉粥样硬化关系的研究,降脂治疗的成果

可以说动脉粥样硬化的研究历史几乎就是脂类尤其是胆固醇的研究历史。胆固醇研究的一个重大成就是其代谢途径的阐明,以及在此基础上降低血胆固醇的hMG-CoA还原酶抑制剂他汀(statin)类药物在临床上的应用。Statin类药物可使动脉粥样硬化死亡率降低大约三分之一,而且降低人群的总死亡率。所以有人将它与青霉素相比,称之为“奇迹般的药物”(mirac1e drugs)。

对于胆固醇与动脉粥样硬化关系的认识是逐步深入的。早期动物实验提示高胆固醇饮食可以诱发动脉粥样硬化。后来的很多流行病学研究证实血清胆固醇水平升高与动脉粥样硬化发病率呈正相关。随着对脂蛋白研究的深入,人们发现主要是低密度脂蛋白胆固醇(1D1-C)水平与动脉粥样硬化的发生呈正相关,其机理是1D1可以通过apoB100与细胞外基质相互作用沉积在动脉内膜下形成粥样斑块;而高密度脂蛋白胆固醇(hD1-C)是将胆固醇逆向运输到肝脏处理的,可降低机体胆固醇水平,从而抵抗动脉粥样硬化。20世纪80年代以来应用转基因和基因敲除技术研究了几乎所有参与脂类代谢的蛋白,对这些蛋白在脂类代谢和动脉粥样硬化发生中的作用有了深刻的了解。20世纪80年代发现正常的1D1不能有效刺激巨噬细胞转变成泡沫细胞,只有经过修饰尤其是氧化成ox1D1才能刺激巨噬细胞很快转变成泡沫细胞,从而有利于动脉粥样硬化的发生,动脉内膜下的环境又特别有利于1D1的修饰,包括酶促的和非酶促的修饰。于是抗氧化(如摄入维生素E)成为干预动脉粥样硬化的手段之一。最近几年的很多研究结果提示动脉内膜下巨噬细胞的胆固醇代谢状况才更直接的影响动脉粥样硬化的发生与发展。那么,阐明动脉内膜下巨噬细胞的胆固醇代谢将有助于进一步弄清动脉粥样斑块发生发展的机理,进而发展更加有效的治疗手段。近来有关细胞膜上ABCA1(ATp-binding cassette protein A1)和多种细胞核内因子如ppAR(peroxisome pro1iferator activated receptor)家族、1XR等的大量研究已经取得了一定成果。ppAR、1XR等转录因子可以调节包括ABCA1在内的多种与脂类代谢有关的基因的表达,从而调节机体的脂类代谢平衡;另一方面,这些转录因子也调节一些与炎症有关的基因的表达,通过调节炎症反应抑制动脉粥样硬化的发生发展。

无论如何,机体胆固醇水平升高是动脉粥样硬化最重要的危险因素之一,那么降低胆固醇水平就成为治疗动脉粥样硬化顺理成章的思路。20世纪50年代开始有很多饮食治疗的尝试,但未得到明确的效果。早期应用的一些药物也未能取得预期的效果,如雌激素可增加男性的死亡率,贝特类(c1ofibrate)可增加非冠脉疾病的死亡率,吸附胆酸的树脂类(resin)可降低冠脉疾病死亡率,但总死亡率并未降低,原因也是在于非冠脉疾病死亡率增加。所以在20世纪90年代初,有人甚至认为用药物降低胆固醇既危险又愚蠢。hMG-CoA还原酶抑制剂(statin)类药物的应用扭转了这一局面。Statin类药物降低胆固醇的作用更强,而且在降低1D1-C的同时可以升高hD1-C水平,这是人们最愿意看到的结果。多项大规模研究证实statin类药物降低心血管疾病死亡率的同时降低人群总死亡率。近年来的许多研究发现了statin类药物作用的多效性(p1eiotropic effects),包括改善内皮细胞功能,减轻炎症反应,稳定粥样斑块,动员内皮细胞的祖细胞等等。对statin类药物多效性的认识一方面可以给新药的开发提供思路,还可以加深我们对于动脉粥样硬化发病机理的系统认识。

3.胆固醇-炎症理论的确立

虽然胆固醇理论(或称脂质沉积理论)得到大量研究的支持,美国早就启动了国家胆固醇教育计划(Nationa1Cho1estero1Education program,NCEp),随后有很多国家跟进,还有专家撰文认为胆固醇争论已经结束,但对于胆固醇与动脉粥样硬化之间因果关系的质疑一直存在。该理论至少还不能圆满解释如下几个问题:一是有相当一部分动脉粥样硬化患者(大约50%)并没有1D1-C水平升高;二是在相同的1D1-C水平下,不同患者动脉粥样硬化的病变程度可以相差很大,即使是在家族性高胆固醇血症患者也是如此;三是statin类药物降低心血管疾病死亡率的作用并不完全是通过降低胆固醇来实现的,其抗炎等其他效应可能起了主要作用。对于这些问题,可以从两个角度予以解释。从胆固醇理论本身来说,现行的“正常”胆固醇水平可能并不正常,而是高于人类应有的胆固醇水平,现有的降胆固醇措施只是将胆固醇水平从“很高”降低到“较高”。从动脉粥样硬化的基本观念来看,这是由多种遗传因素和环境因素相互作用的结果,而高胆固醇只是一个常见的重要危险因素,还有其他的危险因素可以造成动脉粥样硬化。那么如何解释这些危险因素导致动脉粥样硬化的机理?有很多学说,其中损伤-反应(response-to-injury)学说和由此发展而来的炎症理论较为全面地解释了粥样斑块的形成过程,得到较为广泛的认可。

损伤-反应学说认为动脉粥样硬化斑块的发生是多种因素作用于血管壁造成损伤的后果。该假说最早认为损伤因素可造成血管内皮细胞脱落,暴露内皮下的细胞间质,诱发血栓形成,然后脂质沉积形成粥样斑块;后来的研究显示内皮脱落并非经常发生,主要是内皮细胞功能障碍引发粥样斑块的形成;从20世纪80年代开始的一系列研究发现,参与粥样斑块形成过程的细胞和分子都是那些参与炎症反应的细胞和分子,从而炎症理论得到了发展和完善。到现在动脉粥样斑块形成过程的分子细节逐步被揭示出来,可以认为动脉粥样斑块从发生发展到转归的全过程就是一个慢性炎症过程。大量研究揭示了多种炎性因子、生长因子等在粥样斑块形成中的作用。这种发生在动脉内皮下的炎症过程具有一般慢性炎症的共同特征,那么也一定具有其自身的特性,寻找在动脉粥样硬化中特异的或相对特异的炎症靶点进行有针对性的干预,可能开发出更为有效的预防和治疗手段。

从炎症角度阐述粥样斑块的形成过程:多种因素(ox1D1、同型半胱氨酸、自由基、微生物感染等)的损伤作用,造成内皮细胞的生物学行为发生改变:黏附分子表达增加引起对白细胞和血小板的黏附增加;通透性增加;变得易于促发凝血;表达一些活性分子如细胞因子和生长因子。其结果是吸引单核细胞和T细胞进入内皮下,在此处单核细胞分化为巨噬细胞吞噬清除ox1D1,当吞噬的ox1D1不能及时运送出内膜时,就积累在巨噬细胞内致使泡沫细胞形成。如果刺激因素持续存在,这些炎症反应会刺激平滑肌细胞进入内膜,进入内膜的平滑肌细胞从收缩型转为分泌型,分泌胶原和其他活性分子。此时损伤部位增厚,造成所谓的血管重塑,管腔大小不受影响。如果刺激因素继续存在,进入损伤部位的单核细胞、T细胞、平滑肌细胞进一步增多,分泌的成分更加复杂,斑块体积增大,即可向管腔内突出阻碍血流。大的不稳定斑块可发生出血、坏死、脱落,引发急性心血管事件,而单纯斑块增大完全阻塞血流的情况相对较少。容易发生出血脱落的斑块的结构特点是表面纤维帽较薄,内部炎性细胞多而且处于激活状态,这样的斑块可被称为“脆性斑块”(vu1nerab1e p1aque),容易破裂导致急性心血管事件。如果斑块表面的纤维帽较厚,内部炎性细胞较少,则属于“稳定斑块”(stabi1ized p1aque)。由此可见,粥样斑块不只是惰性的阻塞血流,斑块本身的生物学行为可能对机体造成更直接的影响。

从粥样斑块形成过程来看,炎症理论和胆固醇理论并不是矛盾的。炎症理论主要是描述粥样斑块形成的病理学经过,胆固醇理论则主要倾向于阐释发病原因。在斑块形成时,沉积于动脉内膜下被修饰的1D1是刺激炎症发生的最主要因素,因为它可以造成内皮细胞和平滑肌细胞的损伤。另外,内皮下巨噬细胞可以在胆固醇的刺激下发生凋亡。凋亡细胞释放出来的胆固醇参与形成了斑块中央的“粥样物质”,也可形成结晶,又可吸引更多的巨噬细胞来吞噬,加重斑块内的炎症反应,如此形成恶性循环(这种情况与矽肺有些类似)。实验证明降低胆固醇水平可以减轻这些炎症反应,所以胆固醇和炎症被称为动脉粥样硬化发生的共犯。

4.衰老的作用

早就认识到年龄增大是动脉粥样硬化发生的一个重要危险因素。虽然脂质条纹在儿童甚至新生儿就可以出现,但形成复杂斑块危害机体一般都要到中老年期。对此似乎有一个顺理成章的解释:各种危险因素经过慢性长期作用于血管壁才能导致粥样斑块的形成,但在很长一段时间内具体的机理一直不很清楚。近几年的一些研究推进了我们对这个问题的认识。动物实验表明,随年龄增长,血液中来源于骨髓的内皮细胞祖细胞(progenitor ce11s)慢慢耗竭,修复内皮损伤的能力下降,粥样斑块更容易形成。人群研究也发现血液中内皮细胞祖细胞的数量减少可作为动脉粥样硬化危险性的一个标志。另外,随着年龄的增长,血液中的炎性细胞因子水平升高,机体似乎处于一种全身炎性反应的状态,这或许有利于动脉粥样硬化的形成。衰老引发动脉粥样硬化的另一个有力证据是在早老综合征(Werner’s syndrome)患者,动脉粥样硬化是常见的并发症,这从另一个角度说明可能并不是随年龄增大危险因素积累而使动脉粥样硬化发生,而是机体处于“衰老状态”使得动脉粥样硬化易于发生,因为早老综合征患者在青年甚至少年时就可发生动脉粥样硬化了。机体的“衰老程度”不同或许也能够部分解释为何血胆固醇水平相近的人发生动脉粥样硬化的情况却大相径庭。

在细胞水平上,很多研究证明,机体内细胞的衰老(senescence)可能在动脉粥样硬化发生中起重要作用。首先内皮细胞直接接触血流,血液中的1D1、活性氧、同型半胱氨酸等损伤因素作用于内皮细胞,可引起功能损伤、凋亡甚至坏死脱落,由附近的内皮细胞增殖补充。这样损伤处细胞的更新率高,但细胞的增殖能力有限,到一定限度就进入不能增殖的衰老状态,如果同时血液中的祖细胞数量也减少,则损伤处不能得到及时有效的修复,血液中的1D1容易在此处沉积,粥样斑块容易在这些部位形成。其次是平滑肌细胞。导致动脉粥样硬化的因素可通过Ras途径引起平滑肌细胞的衰老,衰老的平滑肌细胞可引发血管壁的炎症反应,从而易于粥样斑块的形成。从移植的血管发生动脉粥样硬化的研究中发现,在粥样斑块中增殖的平滑肌细胞可能并非来自移植血管本身而是来自血液中的干细胞。这给了我们一个提示:可能是衰老的平滑肌细胞发出某种信号引导骨髓中的祖细胞来补充,可是祖细胞却由于某种原因滞留在内皮损伤处,参与了粥样斑块的形成。阐明祖细胞为何滞留于粥样斑块可能有助于研究新的治疗方法。

5.展望

人类对动脉粥样硬化的研究有一个多世纪了,认识从粗浅到深入,取得了巨大进步,但遗憾的是我们对付它的办法十分有限,根本原因还是在于对其发生机理认识不够。我们相信能攻克它,但前提是对生命的本质有更为深入的认识。

(1)更新基本观念

现在我们认为动脉粥样硬化是多种遗传因素和环境因素相互作用的结果,但是这种相互作用的本质尚不很清楚。我们认为环境因素可能是通过表观遗传学的方式来起作用的。有流行病学研究表明环境对机体的作用可以被记录下来并遗传给后代,由此可以推断环境因素对细胞的作用也可以被细胞记录下来并传递给子代细胞,这样形成的细胞克隆就记录了机体的经历。遗传学因素和表观遗传学因素相互作用可能决定了整个机体的命运。我们不妨把动脉粥样硬化看做是“岁月的痕迹”,也就是说危险因素对机体的作用以表观遗传学的方式记录在细胞内,这些表观遗传学变化形成一种“背景”(background)或“平台”(p1atform),使得粥样斑块的形成变得更容易。

(2)发病机理的研究

对单基因遗传病的认识曾经大大推动了动脉粥样硬化的研究,继续寻找因单基因突变引起动脉粥样硬化的家系可能促进对发病机理的进一步的了解。现在已经知道人类基因组的全部序列,功能基因组的研究也在深入。对于像动脉粥样硬化这样的多基因遗传病,下一步可能更需要从全基因组的角度分析。已知人类基因组中有106数量级的单核苷酸多态性(sing1e nuc1eotide po1ymorphism,SNp)位点,应用生物信息学并结合经典遗传学的方法,分析单个位点或单个位点的组合对动脉粥样硬化发病的影响,可能有助于解释遗传背景在发病中的作用。从功能基因组角度,用高通量手段进一步寻找参与粥样斑块形成的基因,研究这些基因之间的相互作用以及环境危险因素对这些基因的影响,能够了解更多的发病细节,也就能提供更多可供干预的环节与靶点。表观遗传学研究的迅速深入给动脉粥样硬化发病机理的研究开辟了新了领域,如前所述,如果不仅仅盯住粥样斑块本身,而转向发生的背景,也就是由环境因素和遗传因素相互作用而引起的表观遗传学变化,可能会有更深刻的认识,如同不仅仅研究种子如何发芽,更关注土壤如何让种子更容易发芽。

(3)药物治疗

不妨套用三道防线的说法。第三道是使晚期的复杂斑块得到稳定和缩小,防止其破裂。Statin类药物作用的一个重要方面就是减轻斑块内部的炎症反应,使斑块稳定不易破裂,有研究表明长期服用可使斑块缩小。但如同所有的药物一样,该类药物的一些副作用也在一定程度上限制了其使用。第二道防线是防止复杂斑块的形成,就是在早期使斑块停留在脂质条纹或初级损伤(primary 1esion)阶段,这样就不会有阻塞血流或斑块破裂的危险,目前尚未达到这个水平。深入阐明在粥样斑块形成中炎症过程的细节,并如前所述找到较为特异的抗炎靶点可能对实现这一目标有帮助。第一道防线则是在阐明发病机理的前提下,通过干预,彻底杜绝脂质条纹或粥样斑块的形成。悲观者认为这也许是个“不可能的任务”,一方面现代社会人类的生活方式“提供”了更多动脉粥样硬化的危险因素,另一方面从进化的角度分析,有人认为像动脉粥样硬化等疾病是人在青年期抵抗自然选择而要在老年期付出的代价。而乐观者则预测通过适当的联合用药进行降血脂治疗,可以使死亡率降低90%。虽然调节血脂的新药在不断发现中,但类似方案尚未经过充分检验。

目前来看,通过积极有效的预防医学手段,通过改变不良生活方式使得发病率进一步降低,直到接近农业社会的水平,或许是一个较为“现实”的目标。这不仅是医学问题,更是一个社会系统工程,需要全社会成员的积极参与。