Эндотелий — это не просто пассивная оболочка кровеносных сосудов; это динамический, метаболически активный орган, который управляет сосудистым гомеостазом. При сахарном диабете монослой эндотелия претерпевает глубокие функциональные и структурные изменения, которые предшествуют и ускоряют сердечно-сосудистые заболевания (ССЗ). Эндотелиальная дисфункция — определяемая как сдвиг в сторону провоспалительного, прокоагулянтного и сосудосуживающего состояния — теперь признана как ранним маркером, так и причинным фактором атеросклероза, микрососудистых осложнений и неблагоприятных клинических исходов. Идентификация надежных биомаркеров этой дисфункции позволяет клиницистам оценивать риск, отслеживать прогрессирование заболевания и адаптировать терапевтические стратегии. В этом обзоре рассматриваются наиболее клинически релевантные биомаркеры эндотелиальной дисфункции при диабете и ССЗ, их основные механизмы и новые инструменты, которые обещают привести эти измерения в рутинное лечение.

Эндотелиальный барьер: структура и функция

Эндотелиальные клетки выстилают все сосудистое дерево, образуя полупроницаемый барьер, регулирующий обмен питательными веществами, газами и иммунными клетками между кровью и тканями. В здоровых условиях эндотелий поддерживает антитромботическую и антиадгезивную поверхность. Он вырабатывает оксид азота (NO) через эндотелиальную оксид азота синтазу (eNOS), сосудорасширяющий агент, который также ингибирует агрегацию тромбоцитов и адгезию лейкоцитов. Простациклин, активатор плазминогена тканевого типа и протеогликаны гепарана сульфата далее вносят вклад в нетромботическую среду. Эндотелиальный гликокаликс — гелеобразный слой протеогликанов и гликопротеинов на люминальной поверхности — служит механосенсором и барьером для утечки белка.

При диабете эта изящная система разваливается. Гипергликемия, резистентность к инсулину, дислипидемия и окислительный стресс сходятся, чтобы повредить эндотелий. Гликокаликс проливается, активность eNOS снижается, а эндотелиальные клетки приобретают проадгезивный, прокоагулянтный фенотип. Этот переход является не просто маркером существующего заболевания, но непосредственным фактором атерогенеза, прогрессирования бляшек и микрососудистых осложнений, таких как нефропатия, ретинопатия и периферическая нейропатия. Понимание молекулярных основ этого сдвига необходимо для интерпретации биомаркеров, обсуждаемых ниже.

Патофизиологические драйверы эндотелиальной дисфункции при диабете и ССЗ

Эндотелиальная дисфункция при диабете возникает из-за множественных взаимосвязанных путей. Хроническая гипергликемия является инициирующим оскорблением. Избыток глюкозы приводит к потоку через полиоловый путь, потребляя NADPH и истощая глутатион, тем самым увеличивая внутриклеточный окислительный стресс. Перепроизводство митохондриального супероксида активирует белковую киназу C (PKC), что в свою очередь повышает проницаемость сосудов, способствует экспрессии молекул адгезии и ухудшает активность eNOS. Продвинутые конечные продукты гликирования (AGE) накапливаются на долгоживущих белках и активируют их рецептор (RAGE), вызывая провоспалительные сигналы, которые дополнительно компрометируют эндотелиальную функцию.

Резистентность к инсулину усиливает это повреждение. В нормальных условиях инсулин стимулирует eNOS через путь PI3K-Akt, способствуя производству NO. В инсулинорезистентном состоянии эта сигнальная ветвь притупляется, в то время как путь MAPK остается активным, что приводит к чрезмерной секреции вазоконстриктора эндотелина-1 (ET-1). Результирующий дисбаланс — низкий NO и высокий ET-1 — способствует сужению сосудов, пролиферации гладких мышц и тромбозу. Дислипидемия усугубляет проблему: повышенный окисленный липопротеин низкой плотности (oxLDL) связывается с лектиноподобным рецептором oxLDL-1 (LOX-1) на эндотелиальных клетках, вызывая образование реактивных форм кислорода и регуляцию молекул адгезии. Эти процессы создают самоусиливающийся цикл воспаления, окислительного стресса и эндотелиального повреждения, который приводит к макрососудистым и микрососудистым осложнениям.

Стресс сдвига также играет критическую роль. Нарушенный поток при артериальных бифуркациях снижает экспрессию eNOS и способствует проатерогенному эндотелиальному фенотипу. При диабете притупляются нормальные механизмы, реагирующие на сдвига, что еще больше предрасполагает к образованию бляшек. Понимание этих путей имеет важное значение, поскольку каждый из них предлагает цель для измерения биомаркеров и терапевтического вмешательства.

Ключевые биомаркеры эндотелиальной дисфункции

Биомаркеры эндотелиальной дисфункции делятся на несколько категорий: молекулы, выделяемые эндотелиальными клетками, маркеры повреждения или регенерации эндотелия и показатели местной сосудистой микросреды. Биомаркеры, обсуждаемые ниже, представляют собой наиболее широко изученные и клинически значимые при диабете и ССЗ.

Асимметричный диметиларгинин (ADMA)

ADMA является эндогенным ингибитором eNOS, который конкурирует с L-аргинином за связывание с активным сайтом фермента. Повышенные уровни ADMA снижают NO-продукцию, вызывая сужение сосудов, агрегацию тромбоцитов и повышенную экспрессию молекул адгезии. У пациентов с диабетом 2 типа ADMA независимо прогнозирует сердечно-сосудистые события и прогрессирование диабетической нефропатии. Большой метаанализ более 2000 человек показал, что более высокие концентрации ADMA повышают риск смертельных и несмертельных сердечно-сосудистых событий, эффект, который оставался значительным после корректировки на традиционные факторы риска.

ADMA очищается в первую очередь ферментом диметиларгининдиметиламиногидролазой (DDAH), который нарушается в условиях окислительного стресса. Это создает петлю обратной связи: окислительный стресс снижает активность DDAH, повышая уровни ADMA, что, в свою очередь, еще больше ухудшает производство NO и усиливает повреждение сосудов. Полиморфизмы DDAH связаны с сердечно-сосудистым риском в диабетических популяциях, что делает этот путь потенциальной терапевтической мишенью. Клинически ADMA измеряется высокоэффективной жидкостной хроматографией или ELISA, и эталонные диапазоны хорошо установлены, хотя анализ еще не был широко принят в обычном уходе.

Эндотелин-1 (ET-1)

ET-1 — 21-аминокислотный пептид, являющийся самым мощным из известных эндогенных вазоконстрикторов. Он вырабатывается эндотелиальными клетками в ответ на гипергликемию, инсулин, ангиотензин II и сдвигающий стресс. ET-1 действует на рецепторы ETA и ETB на клетки сосудистой гладкой мышцы и эндотелиальные клетки, опосредуя вазоконстрикцию, пролиферацию и фиброз. Уровни плазмы ET-1 повышены у пациентов с диабетом 1 и 2 типа и коррелируют с гипертонией, ишемической болезнью артерий и диабетической нефропатией.

ET-1 играет особенно важную роль в микрососудистых осложнениях. В сетчатке ET-1 способствует потере перицитов и капиллярной окклюзии; в почках он способствует мезангиальному расширению и альбуминурии. В качестве маркера ранней диабетической нефропатии предложены уровни ET-1 мочи, потенциально предшествующие альбуминурии. Селективные антагонисты рецепторов ET показали защитные эффекты почек в экспериментальных моделях, но клинические испытания при сердечно-сосудистых заболеваниях были ограничены задержкой жидкости и другими побочными эффектами. Тем не менее, ET-1 остается ценным биомаркером для оценки сосудосуживающего компонента эндотелиальной дисфункции.

Фактор роста эндотелия сосудов (VEGF)

ВЭГФ является ключевым регулятором ангиогенеза. При диабете сигнализация VEGF дисрегулятивна: избыточная VEGF приводит к патологической неоваскуляризации сетчатки и почек, при этом недостаточная VEGF ухудшает заживление ран и формирование коллатеральных сосудов. У пациентов с пролиферативной диабетической ретинопатией уровни VEGF сыворотки повышены и связаны с альбуминурией. VEGF также выступает в качестве провоспалительного медиатора, повышая проницаемость сосудов и повышая активность молекул адгезии.

Клиническое воздействие VEGF наиболее очевидно в успехе анти-VEGF терапии при диабетическом макулярном отеке и неоваскуляризации сетчатки. Внутривитровые инъекции ранибизумаба, афлиберцепта и бевацизумаба стали стандартом лечения, резко уменьшая потерю зрения у пациентов с диабетической болезнью глаз. Системное VEGF-ингибирование, однако, не показало такой же перспективы при сердечно-сосудистых заболеваниях и может даже увеличить тромботический риск в некоторых популяциях. Как биомаркер, VEGF регулярно измеряется в офтальмологии для руководства решениями о лечении, и системные уровни все чаще изучаются как предикторы микрососудистого прогрессирования.

Растворимые молекулы адгезии (sICAM-1, sVCAM-1, sE-Selectin)

Эндотелиальная активация активирует молекулы адгезии клеточной поверхности, которые опосредуют лейкоцитарное катение, адгезию и трансмиграцию. Эти молекулы расщепляются и высвобождаются в кровоток в виде растворимых форм. Растворимая межклеточная адгезия молекулы-1 (sICAM-1) и растворимая молекула адгезии сосудистых клеток-1 (sVCAM-1) повышены при диабете и предсказывают инцидентные сердечно-сосудистые события независимо от традиционных факторов риска. В исследовании сердца Фрамингема у лиц с самыми высокими уровнями sICAM-1 был 50% повышенный риск ишемической болезни сердца в течение 10 лет по сравнению с теми, у кого самые низкие уровни.

Растворимый Е-селетин более специфичен для эндотелиальных клеток и отражает раннюю активацию. Е-селетин опосредует первоначальное сворачивание лейкоцитов вдоль стенки сосуда, а его растворимая форма появляется в циркуляции в течение нескольких часов после активации эндотелия. Повышенные уровни sE-селектина были связаны с развитием диабета 2 типа, предполагая, что эндотелиальная активация может предшествовать клиническому диагнозу диабета на годы. Измерение этих молекул адгезии ELISA является простым и воспроизводимым, что делает их привлекательными кандидатами для мультибиомаркерных панелей. Однако эталонные диапазоны варьируются в зависимости от возраста, пола и этнической принадлежности, и стандартизация в лабораториях все еще развивается.

Окисленный липопротеин низкой плотности (oxLDL)

oxLDL является модифицированным липопротеином, который играет центральную роль в инициации и прогрессировании атеросклероза. После того, как в субэндотелиальном пространстве, oxLDL поглощается макрофагами через рецепторы поглотителя, что приводит к образованию пеноклеточных клеток и развитию жировой полосы. oxLDL также непосредственно активирует эндотелиальные клетки путем связывания с LOX-1, индуцируя образование реактивных форм кислорода и повышение регуляции молекул адгезии. Циркуляционные уровни oxLDL повышены у пациентов с диабетом и коррелируют с эндотелиальной дисфункцией, измеренной с помощью проточного расширения (FMD). Проспективное исследование более 1400 человек показало, что базовые уровни oxLDL независимо предсказывали риск инфаркта миокарда и инсульта в течение 5 лет.

Проатерогенные эффекты oxLDL усиливаются при диабете, поскольку гипергликемия и резистентность к инсулину увеличивают окисление LDL и уменьшают его клиренс. Антитела против oxLDL также повышены при диабете и связаны с сердечно-сосудистыми событиями. oxLDL доступен в качестве клинического анализа через крупные коммерческие лаборатории, но его использование ограничено вариабельностью методологий анализа и отсутствием консенсуса по контрольным диапазонам. Иммуноанализы, которые измеряют циркулирующий oxLDL, связанный с аутоантителами, могут предложить большую специфичность.

Циркулирующие эндотелиальные клетки (ЦЭЦ) и эндотелиальные микрочастицы (ЭМП)

ЦИК — это зрелые эндотелиальные клетки, которые отделились от стенки сосуда, как правило, в ответ на тяжелые травмы. Повышенные показатели ЦИК встречаются при острых коронарных синдромах, васкулитах и диабете с микрососудистыми осложнениями. Перечисление ЦИК обеспечивает прямую меру эндотелиального повреждения, но технически сложно из-за низкого количества клеток в периферической крови. Цитометрия потока с конкретными эндотелиальными маркерами является предпочтительным методом.

ЭМП представляют собой небольшие мембранные пузырьки (0,1-1 мкм), сбрасываемые из активированных или апоптотических эндотелиальных клеток. Они несут поверхностные маркеры, такие как CD31, CD144, CD146 и CD62E, и их количество увеличивается в условиях эндотелиального стресса. ЭМП являются не просто мусором; они могут передавать биологически активные молекулы - включая микроРНК, липиды и цитокины - к клеткам-мишеням, распространяя прокоагулянтные и провоспалительные сигналы. При диабете повышенные уровни CD31 + / CD42b-ЭМП были связаны с болезнью коронарных артерий и диабетической нефропатией. Поток цитометрия является основным методом обнаружения, но стандартизация изоляции, хранения и стратегий жевания все еще необходима, прежде чем эти маркеры могут войти в рутинное клиническое использование.

Метаболиты оксида азота (NOx) и активность eNOS

Прямое измерение NO затруднено из-за его короткого периода полураспада (секунды). Вместо этого стабильные метаболиты — нитриты и нитраты, в совокупности называемые NOx — измеряются как индекс производства NO. У пациентов с диабетом и ишемической болезнью сердца сообщалось о снижении уровня NOx, что отражает нарушение активности eNOS. Однако на концентрацию NOx влияют потребление нитратов в рационе питания, функция почек и лекарства, такие как статины и ингибиторы АПФ, что может сбить с толкования.

Более чувствительные анализы теперь позволяют измерять NO производства ex vivo в культивируемых эндотелиальных клетках, но это исследовательские инструменты. Наиболее широко используемым функциональным показателем NO биодоступности является опосредованное потоком расширение (FMD) брахиальной артерии. FMD сильно коррелирует с коронарной эндотелиальной функцией и предсказывает сердечно-сосудистые события. Комбинированное измерение FMD и циркулирующего NOx обеспечивает более полную картину целостности пути NO, чем любой из них. В клинических испытаниях, направленных на эндотелиальную функцию, часто используется композитная конечная точка, которая включает FMD, NOx и маркер окислительного стресса.

Прогнозирующая ценность и клиническая полезность при диабете и ССЗ

Биомаркеры эндотелиальной дисфункции служат трем основным целям: стратификация риска до начала заболевания, мониторинг прогрессирования заболевания и суррогатные конечные точки в клинических испытаниях.Каждый биомаркер предлагает отдельное окно в эндотелиальное состояние, и их прогностическое значение часто превышает значение только традиционных факторов риска.

При диабете 2 типа повышенные ADMA, ET-1 и sICAM-1 независимо предсказывают сердечно-сосудистую смертность и прогрессирование до конечной стадии почечной болезни. Сочетание высокого уровня oxLDL и низкого NOx обеспечивает особенно надежный профиль риска коронарных событий. Недавнее проспективное исследование более 800 пациентов с диабетом 2 типа показало, что у пациентов с повышенным уровнем sVCAM-1 и высокочувствительным С-реактивным белком риск основных неблагоприятных сердечно-сосудистых событий в течение 5 лет увеличился в 3,5 раза, даже после корректировки на возраст, пол и HbA1c.

При диабете 1 типа повышенные VEGF и ADMA мочи предсказывают развитие пролиферативной ретинопатии в течение 5 лет, предлагая окно для профилактического лечения. У пациентов с ранней диабетической нефропатией повышены показатели CEC и EMP и могут обнаруживать почечную травму до развития альбуминурии. Эти маркеры могут помочь определить, какие пациенты с микроальбуминурией подвергаются наибольшему риску прогрессирования макроальбуминурии и почечной недостаточности.

Клинически, несколько биомаркеров вошли в практику. ADMA измеряется в специализированных липидных клиниках для пациентов с подозрением на эндотелиальную дисфункцию, несмотря на нормальные уровни ЛПНП. VEGF регулярно оценивается в офтальмологии для руководства анти-VEGF терапии. oxLDL доступен через основные лабораторные сети, хотя его использование еще не рекомендовано. Наибольшим препятствием для более широкого применения является отсутствие стандартизированных эталонных диапазонов. Для установления возрастных, половых и этнических групп-специфических ограничений для каждого биомаркера необходимы крупномасштабные, мультибиомаркерные оценки риска, которые включают традиционные факторы риска наряду с биомаркерами, такими как ADMA, sICAM-1 и FMD, могут значительно улучшить дискриминацию риска в первичной профилактике.

Оценка эндотелиальной функции: методы и практические соображения

Помимо циркулирующих биомаркеров, эндотелиальную функцию можно оценить непосредственно с помощью неинвазивных сосудистых тестов. Потоко-опосредованное расширение (FMD) брахиальной артерии с использованием ультразвука высокого разрешения является золотым стандартом. FMD отражает NO-зависимое вазодилатирование в ответ на реактивную гиперемию. При диабете FMD нарушается и коррелирует с коронарной эндотелиальной дисфункцией. Снижение 1% в FMD было связано с 10-15% увеличением риска сердечно-сосудистых событий. FMD является операторозависимой и требует строгой подготовки и стандартизации.

Периферическая артериальная тонометрия (ПАТ) является альтернативным методом, который измеряет цифровую амплитуду импульса.ПАТ легче выполнять и менее операторно-зависимым, но он отражает комбинацию NO-зависимой и независимой вазодилатации и имеет более слабую корреляцию с коронарной функцией.Венозная окклюзионная плетизмография - еще один метод исследования, который измеряет реакции кровотока предплечья на внутриартериальные вливания вазоактивных агентов, но он инвазивный и непрактичный для рутинного ухода.

Каждый метод имеет компромиссы. Ящур обеспечивает наиболее конкретную меру биодоступности NO, но требует специализированного оборудования и обучения. ПАТ является более доступным, но менее конкретным. Сочетание функционального теста (например, ящура) с панелью биомаркеров (например, ADMA и sICAM-1) предлагает наиболее полную оценку. Для целей клинических испытаний все чаще встречается комбинированная оценка, которая включает ящур, ADMA и меру окислительного стресса (например, мочевой 8-изопростан). Разработка устройств для точек ухода, таких как микрофлюидные чипы, которые могут измерять ADMA или EMPs от палец-палец, может сделать оценку эндотелиальной функции рутинной частью управления диабетом.

Терапевтические подходы к восстановлению эндотелиальной функции

Восстановление эндотелиальной функции является важной терапевтической мишенью при диабете и ССЗ. Мероприятия в области образа жизни, включая аэробные упражнения, диету в средиземноморском стиле, богатую антиоксидантами и омега-3 жирными кислотами, и прекращение курения, последовательно улучшают ящур и уменьшают циркулирующие молекулы адгезии. Мета-анализ рандомизированных исследований показал, что контролируемые тренировки увеличили ящур в среднем на 2,5% у пациентов с диабетом 2 типа, величина, сопоставимая с величиной многих фармакологических вмешательств.

Среди фармакологических средств статины снижают уровни oxLDL и улучшают биодоступность NO. Ингибиторы АПФ снижают ET-1 и снижают активность оксидазы NADPH, тем самым снижая окислительный стресс. Было показано, что метформин снижает уровни ADMA при диабете 2 типа, вероятно, благодаря его воздействию на чувствительность к инсулину и активность DDAH. Более поздние классы лекарств продемонстрировали прямые преимущества эндотелия. Ингибиторы SGLT2, такие как эмпаглифлозин, снижают EMP и улучшают FMD у пациентов с диабетом 2 типа, независимо от их эффектов снижения уровня глюкозы. Агонисты рецепторов GLP-1, такие как лираглутид и семаглутид, снижают уровни sICAM-1 и sVCAM-1 и улучшают эндотелиальную функцию как в диабетической, так и в недиабетической популяциях.

Дополнительный L-аргинин был исследован как способ повысить производство NO, но результаты были противоречивыми. Вероятная причина заключается в том, что ADMA конкурирует с L-аргинином за связывание eNOS, поэтому добавление L-аргинин эффективно только тогда, когда уровни ADMA низки. Стратегии, которые повышают активность DDAH - такие как исследуемый препарат активатор DDAH-1 - показали перспективу в доклинических моделях и могут предложить более целенаправленный подход. Добавление антиоксидантов с витаминами C и E потерпело неудачу в крупных испытаниях, вероятно, из-за прооксидантных эффектов в высоких дозах и плохой доставки клеток. В настоящее время исследуется доставка антиоксидантных ферментов на основе наночастиц, таких как супероксиддисмутаза и каталаза. Генная терапия для повышения экспрессии eNOS показала успех на животных моделях, но сталкивается со значительными препятствиями в клиническом переводе.

Новые направления и открытые вопросы

Открытие новых эндотелиальных биомаркеров продолжает ускоряться. Протеомный и метаболомный анализы выявили несколько кандидатов, включая эндоглины, тромбомодулин, ангиопоэтин-2 и циркулирующий синдекан-1, маркер деградации гликокаликса. МикроРНК — небольшие некодирующие РНК, упакованные в ЭМП или циркулирующие в связанных с белками комплексах — предлагают динамическое считывание экспрессии эндотелиальных генов. miR-126, miR-21 и miR-146a дисрегуляторны при диабете и связаны с сосудистыми осложнениями. miR-126, в частности, обогащен эндотелиальными клетками и способствует экспрессии eNOS; сниженные уровни циркулирующих предсказывают сердечно-сосудистые события у пациентов с диабетом.

Сам гликокаликс становится важным биомаркером. Пролитие компонентов гликокаликса, таких как синдекан-1 и гиалуронан, может быть обнаружено в циркуляции и может отражать раннее повреждение эндотелия до того, как традиционные маркеры станут аномальными. Измерение толщины гликокаликса непосредственно с использованием методов микрососудистой визуализации возможно, но еще не широко доступно. Сочетание маркеров гликокаликса с классическими биомаркерами может улучшить раннее обнаружение эндотелиальной дисфункции.

Искусственный интеллект и машинное обучение начинают интегрировать данные мультиомики, включая биомаркеры, клинические переменные и визуализацию, в прогностические алгоритмы сердечно-сосудистого риска в диабетических популяциях. Недавний алгоритм, который объединил ADMA, sICAM-1 и фотографию сетчатки, превзошел показатель риска Фрамингема в определении того, у каких пациентов с диабетом 2 типа будет развиваться нефропатия в течение 5 лет. Поскольку эти инструменты созревают, персонализированное профилирование риска эндотелия станет клинически осуществимым. Однако, характер черного ящика некоторых моделей ИИ вызывает вопросы о интерпретируемости и обобщенности, и требуется строгая внешняя проверка, прежде чем они смогут направлять клинические решения.

Стандартизация анализов и эталонных диапазонов остается самой насущной проблемой. Европейское общество кардиологии и Американская диабетическая ассоциация призвали к гармонизированным протоколам для измерения биомаркеров и к крупномасштабным когортным исследованиям для определения порогов клинического решения. До тех пор, пока эти усилия не увенчаются успехом, эндотелиальные биомаркеры останутся в основном исследовательскими инструментами. При скоординированных усилиях по эндокринологии, кардиологии и сосудистой биологии эти маркеры имеют потенциал для перехода от лаборатории к постели, что позволяет ранее, более точное вмешательство для миллионов пациентов, страдающих диабетом и ССЗ.

Заключение

Эндотелиальная дисфункция является центральной патофизиологической особенностью диабета и сердечно-сосудистых заболеваний, и ее биомаркеры обеспечивают окно в здоровье сосудов, которое выходит за рамки традиционных факторов риска. ADMA, ET-1, VEGF, молекулы адгезии, oxLDL, CECs, EMPs и NOx каждый захватывает различные аспекты эндотелиальной травмы, активации и восстановления. Их измерение - особенно в сочетании с функциональной оценкой - улучшает стратификацию риска, направляет выбор терапии и служит суррогатной конечной точкой в клинических испытаниях. По мере того, как наше понимание молекулярных путей углубляется и технологии измерения развиваются, интеграция этих биомаркеров в рутинную помощь при диабете обещает уменьшить огромное бремя сердечно-сосудистой заболеваемости и смертности, которая остается ведущей причиной смерти в этой популяции.

Для дальнейшего чтения: комплексный мета-анализ на ADMA и сердечно-сосудистый риск при диабете ; научное заявление Американской кардиологической ассоциации о эндотелиальной функции и биомаркерах ; клинические рекомендации по оценке эндотелиальной дисфункции от Европейского общества кардиологов ; обзор ингибиторов SGLT2 и эндотелиальной функции ; и обзор микроРНК в качестве эндотелиальных биомаркеров .