外周动脉疾病血管内皮功能障碍及其生物标志物研究

Research on vascular endothelial dysfunction and its biomarkers in peripheral arterial disease

摘要

外周动脉疾病（Peripheral arterial disease，PAD）是因动脉粥样硬化导致的外周血管狭窄或闭塞性疾病，其中以下肢动脉受累最为常见，是动脉粥样硬化性血管疾病的主要表现。内皮功能障碍是动脉粥样硬化的始动因素之一，当血管内皮细胞（Endothelial cells，ECs）的功能发生障碍时，其屏障功能受损，导致脂质进入并沉积在血管壁内，进而引发动脉粥样硬化，导致PAD。尽管PAD的发病机制尚未完全明确，但近年来研究表明，ECs功能障碍在PAD病理改变中发挥重要的诱发和介导作用，甚至可能是其发病的关键始动环节。本文综述ECs功能障碍在PAD发病机制中的作用，并总结与之相关的生物标志物，主要内容涵盖ECs功能障碍在PAD早期的启动作用、ECs功能障碍在血管炎症与代谢调控中的介导机制，以及ICAM-1、VCAM-1、MPO、HCY、VEGF、ADMA等标志物与PAD严重程度及预后的关联证据，以期为PAD的早期诊断和靶向治疗提供理论依据。

Abstract

Peripheral arterial disease （PAD） is a vascular obstructive disease mainly involving the arteries of the lower limbs. It is the main manifestation of atherosclerotic vascular disease. Endothelial dysfunction is one of the initiating factors of atherosclerosis， and when the function of vascular endothelial cells （ECs） is impaired， lipid metabolism is disturbed， which triggers atherosclerosis and leads to PAD. Although the pathogenesis of PAD has not been fully clarified，recent studies have shown that ECs dysfunction plays an important role as a trigger and mediator in the pathologic changes of PAD， and may even be a key initiator of its pathogenesis. This review summarizes the role of endothelial cell dysfunction in the pathogenesis of PAD and the progress of related biomarker research. Key topics include the initiating role of EC dysfunction in early PAD， its mediating mechanisms in vascular inflammation and metabolic regulation， and evidence linking biomarkers such as ICAM-1， VCAM-1， MPO， HCY， VEGF， and ADMA to PAD severity and prognosis， aiming to provide theoretical foundations for early diagnosis and targeted treatment of PAD.

关键词

外周动脉疾病 / 内皮细胞功能障碍 / 动脉粥样硬化 / 生物标志物

Key words

Peripheral arterial disease / Endothelial cell dysfunction / Atherosclerosis / Biomarkers

外周动脉疾病（Peripheral arterial disease，PAD）是以下肢动脉粥样硬化性闭塞为主要特征的心血管系统疾病^［1］，作为动脉粥样硬化的第三大常见临床表现，其发病率仅次于冠状动脉疾病和脑卒中，且显著增加了心血管相关疾病的死亡率^［2］。流行病学数据显示，全球PAD患者已超2.3亿人^［3］，主要危险因素包括吸烟、糖尿病、高血压、高胆固醇血症及人口老龄化，其中吸烟和糖尿病与发病率上升呈显著相关性^［4］。PAD的典型临床症状是间歇性跛行（Intermittent claudication， IC），表现为运动诱发的下肢麻木、疼痛无力，休息后缓解的周期性症状^［1］。值得注意的是，大多数PAD患者并不出现这种典型的IC特征，仅约10%患者出现典型IC表现，50%呈现非典型腿部症状，而40%患者处于无症状状态^［5］。因此，即使无症状患者仍存在功能障碍及不良肢体事件（Adverse limb event， ALE）的风险，且由于症状异质性，会显著提高漏诊率^［6］。鉴于此，美国心脏病学会和美国心脏学会（American College of Cardiology/American Heart Association，ACC/AHA）指南强烈推荐对高危人群实施静息踝肱指数（Ankle-brachial index， ABI）筛查^［1］。当PAD进展至静息痛、坏疽或下肢溃疡持续超过2周，即发展为严重肢体缺血（Critical limb ischemia， CLI）。研究表明，血管内皮细胞（Endothelial cells，ECs）功能障碍不仅是PAD早期核心病理改变，更是驱动疾病发生发展的核心机制。深入探究ECs功能障碍不仅可阐明PAD的发病机制，为靶向干预提供理论依据，还可以通过研究相关生物标志物，推动早期诊断体系和新型治疗靶点开发。

本文总结了ECs功能障碍在PAD发病机制中的关键作用及相关生物标志物研究进展，为理解ECs功能障碍引发PAD的病理生理变化和临床诊疗策略优化提供了重要参考。

1 血管内皮细胞（ECs）功能障碍为外周动脉疾病（PAD）始动因素

ECs为衬于心血管及淋巴系统管腔表面的单层扁平上皮，构成血液-组织间动态屏障。传统认知将其视为被动屏障结构，仅通过分泌生长因子及细胞因子调控基础血管功能。如今，ECs被视为一种器官，其功能障碍构成血管疾病发生发展核心病理机制^［7］。ECs具有显著的空间异质性和表型可塑性，其功能呈现器官特异性分化特征，执行功能取决于其解剖定位。因此，病理状态下的ECs功能障碍并非单一病征，而是代表了与血管张力调节异常、通透性失衡、炎症级联激活和去分化病理生理异质性改变相关的一系列表型，这种多维度功能紊乱最终导致内皮稳态和功能的丧失^［8］，成为PAD、2型糖尿病（Type 2 diabetes mellitus，T2DM）、高血压、肥胖、高脂血症等代谢性血管疾病的共同通路。值得注意的是，吸烟、高脂血症及血流动力学紊乱等危险因素可通过表观遗传修饰，诱导ECs从静止态向激活态转化^［8］。尽管动脉粥样硬化累及多个血管床，但不同解剖部位病变呈现差异化的临床表型。PAD作为外周动脉特异性病变。其主要由于下肢动脉内斑块的形成引起血管狭窄，限制了血流至腿部和脚部，可能导致IC甚至CLI。值得注意的是，ECs功能障碍早于影像学可见斑块，因此被视为动脉粥样硬化进程的起始指标^［9］。

2 外周动脉疾病（PAD）中血管内皮细胞（ECs）功能障碍的具体表现

2.1　血管内皮细胞（ECs）活化和炎症反应

动脉粥样硬化是一种慢性炎症性疾病，其核心机制涉及促炎信号通路异常激活、细胞因子或趋化因子表达失调及氧化应激水平升高。在此过程中，单核细胞与T淋巴细胞作为炎症核心效应细胞，通过ECs介导的级联反应侵入动脉壁，驱动斑块形成^［10］。当ECs受血流剪切力异常或ox-LDL刺激时，其屏障完整性因紧密连接蛋白表达下调而破坏，同时上调单核细胞趋化蛋白1、白细胞介素8（Interleukin 8，IL-8）、细胞间黏附分子1（Intercellular cell adhesion molecule-1，ICAM-1）、血管黏附分子1（Vascular cell adhesion molecule-1，VCAM-1）、E-P选择素等炎症因子，影响白细胞与内皮结合和浸润动脉壁，启动白细胞“滚动-黏附-迁移”过程^［11］。在动脉粥样硬化早期，约70%浸润的单核细胞通过选择素家族介导的低亲和力滚动锚定后，经整合素与ICAM-1/VCAM-1高亲和力结合，最终在血小板-内皮细胞黏附分子引导下完成跨内皮迁移，分化为巨噬细胞并加速脂质蓄积^［10］。此过程受Toll样受体4（Toll-like receptor 4，TLR4）/核因子-κB（Nuclear factor-κB，NF-κB）和Janus激酶（Janus kinase，JAK）/转录激活因子（Activator of transcription，STAT）通路协同调控。TLR4是先天免疫应答中模式识别受体的代表，可以识别ox-LDL等损伤分子，来激活转录因子NF-κB，从而诱导COX-2、iNOS等促炎基因表达^［12］。TLR4/NF-κB通路激活后引发的局部炎症反应，可通过促进泡沫细胞形成、平滑肌细胞增殖及细胞外基质降解，驱动斑块的生长和不稳定^［13］。而IL-6等细胞因子激活JAK1/2/3引发STAT3磷酸化，进而调控血管内皮生长因子等基因促进斑块新生与破裂^［14］。

2.2　氧化应激和内皮依赖血管舒张功能障碍

氧化应激通过增加活性氧（Reactive oxygen species，ROS）生成或清除来损害内皮稳态，其核心病理表现为内皮型一氧化氮合酶（Endothelial nitric oxide synthase，eNOS）功能异常导致的NO代谢紊乱，从而引起内皮依赖性松弛功能障碍^［15］，具体机制包括：⑴血管壁中的ROS浓度升高促使超氧阴离子（O₂⁻）与NO迅速反应生成过氧亚硝酸盐（ONOO⁻），使NO生物利用度下降；⑵关键辅助因子BH4被氧化为BH2，BH4作为eNOS的关键辅助因子，通过结合eNOS诱导构象变化，增强其与底物L-精氨酸的亲和力，从而促进NO合成，当BH4/BH2比值<1时，eNOS催化活性从NO合成转为O₂⁻生成；⑶ONOO⁻通过硝化修饰eNOS第1 177位丝氨酸残基，抑制其磷酸化激活。这种eNOS解偶联现象引起的ECs功能障碍是动脉粥样硬化的早期标志，并与多种心血管疾病如高血压、心力衰竭及冠状动脉疾病（Coronary artery disease，CAD）密切相关。

NO作为关键血管舒张介质，通过激活鸟苷酸环化酶，催化环磷酸鸟苷生成，降低血管平滑肌细胞内钙浓度的级联反应维持血流调节^［16］。当NO释放减少时，会导致病理性血管收缩，造成组织缺血。因此，NO的缺乏、生物利用度降低以及eNOS活性下降均可作为ECs功能障碍的标志^［15］。相关研究表明BH4/BH2比值和NO可作为ECs功能障碍的新生物标志物，可能有助于PAD患者的风险分层、临床结果的预测以及作为PAD治疗的潜在靶点^［17］。

2.3　血小板活化和血栓形成

ECs作为血管稳态的重要调节者，通过动态平衡促凝/抗凝系统维持血管稳态。当这种平衡被扰乱时，ECs功能就会受到损害，进而导致动脉壁的损伤。血小板被认为是止血和血栓形成的主要介质^［18］。ECs可以通过促进多种机制来维持促凝血和抗凝血之间的平衡：⑴ECs通过释放NO和PGI2使血小板环磷酸腺苷水平升高，抑制P2Y12受体活化^［19］；⑵ECs表面表达肝素-抗凝血酶Ⅲ系统，这一组合能够迅速抑制凝血酶的活性，从而阻止凝血级联反应的进行；⑶ECs还表达组织因子通路抑制剂（Tissue factor pathway inhibitor，TFPI），限制组织因子（Tissue factor，TF）的作用，抑制凝血因子Ⅶ和Ⅹ的异常活化^［20］；⑷ECs还具有纤维蛋白溶解特性，通过释放t-PA和u-PA来促进纤维蛋白的溶解和降解，从而防止血栓形成^［21］。总之，ECs通过多种机制来维持血液的流动性和防止血栓形成，在血管损伤部位起到至关重要的作用。当ECs功能障碍时，血小板活化和凝血级联反应可能会增加，导致血栓形成和血管疾病的发生。

3 血管内皮细胞（ECs）功能障碍相关生物标志物

3.1　炎症相关标志物

3.1.1　可溶性细胞间黏附分子1（Soluble intercellular cell adhesion molecule-1，sICAM-1）、可溶性血管黏附分子1（Soluble vascular cell adhesion molecule-1，sVCAM-1）

sICAM-1与sVCAM-1是内皮激活的核心指标，具有差异化表达特征。sICAM-1广泛表达于血管ECs和白细胞表面，而sVCAM-1特异性富集于血管ECs。两者通过介导白细胞与ECs的黏附作用，参与炎症细胞募集^［22］。当ECs功能障碍时，其代偿性活化会上调ICAM-1表达，同时sICAM-1被释放进入血液循环。因此，sICAM-1水平能够有效反映ECs的活化程度，该分子可能成为评估ECs功能障碍的潜在生物标志物^［23］。

研究显示，PAD患者血清ICAM-1水平显著高于健康人群^［24］。sVCAM-1则同PAD不良预后相关^［25］。高sVCAM-1水平不仅提示PAD患者心血管事件风险增加，还能增强ABI的预后评估价值^［25］。功能研究表明，sICAM-1水平与6分钟步行能力呈负相关^［26］，而sVCAM-1升高预示PAD患者小腿肌肉横截面积减少和肌力下降^［27］。但研究间存在异质性，女性队列中sVCAM-1与6分钟步行能力无显著关联^［45］。基于现有研究，PAD患者的sICAM-1和sVCAM-1浓度均显著升高，因此联合检测sICAM-1和sVCAM-1可为PAD的早期诊断、风险分层及预后评估提供分子依据^［28-29］。

3.1.2　髓过氧化物酶（ Myeloperoxidase， MPO）

MPO是一种储存在中性粒细胞颗粒中的过氧化物酶，在炎症激活时释放并通过多途径参与PAD的病理进程。其核心机制包括：⑴催化生成次氯酸等活性氧化剂，显著降低NO生物利用度，导致ECs依赖性血管舒张功能障碍^［30］；⑵与内皮糖萼（Endothelial glycocalyx，EG）的硫酸乙酰肝素成分特异性结合，破坏糖萼结构完整性并加剧血管屏障损伤；⑶通过激活炎症信号通路促进动脉粥样硬化斑块进展。动物研究证实，抑制MPO可有效改善糖尿病相关肢体缺血模型小鼠的血流灌注和动脉粥样硬化小鼠模型中的ECs功能障碍^［31］。临床数据显示，PAD患者循环MPO水平升高与主要不良心血管事件（Major adverse cardiovascular events，MACE）及肢体缺血风险增加显著相关，其中多血管床病变患者中的MPO水平升高更为显著，提示其可作为评估血管损伤程度的生物学指标^［32］。此外，慢性症状性PAD患者的中性粒细胞脱颗粒循环标志物（包括MPO）水平持续高于健康受试者^［33］。这些发现共同支持MPO在PAD病理生理过程中的枢纽作用，为其作为评估血管损伤程度和预测PAD临床结局的重要指标提供了理论依据。

3.2　氧化应激标志物

3.2.1　不对称二甲基精氨酸（Asymmetric dimethylarginine，ADMA）

ADMA是一种内源性的eNOS抑制剂，通过竞争性抑制机制阻碍eNOS对底物L-精氨酸的利用，显著降低NO的生物合成。其抑制作用具有浓度依赖性，且细胞内ADMA浓度比血浆高5～20倍，能够持续性抑制eNOS活性，进而导致内皮依赖性血管舒张功能障碍并加速动脉粥样硬化进程^［34］。由于NO是维持血管稳态的关键分子，ADMA的积累与ECs功能障碍密切相关，使其可能成为PAD的潜在生物标志物^［35］。病例对照研究显示，PAD患者的血浆ADMA浓度显著高于健康人群，尤其在合并糖尿病肾病时，ADMA水平升高与动静脉瘘再狭窄发生风险增加相关^［36］。值得注意的是，慢性肢体威胁性缺血（Chronic limb-threatening ischemia，CLTI）组的ADMA绝对浓度与对照组差异无统计学意义，但其精氨酸/ADMA比率显著低于IC患者和健康人群^［17］。精氨酸/ADMA比率降低可能反映NO合成底物的相对不足，提示其作为疾病分层的潜在指标。前瞻性研究进一步支持ADMA的预后价值，基线ADMA水平升高的PAD患者（无论是否存在临床症状）未来发生心血管事件及死亡风险显著增加^［37］。现有资料表明ADMA不仅是ECs功能障碍的关键介质，更是PAD患者心血管事件和死亡风险的强预测因子^［38］。结合精氨酸/ADMA比率分析，可提高对疾病进展和预后的评估精度，为个体化治疗提供依据^［39］。

3.2.2　同型半胱氨酸 （Homocysteine，HCY）

HCY是蛋氨酸代谢产生的含硫非蛋白氨基酸，作为动脉粥样硬化和心血管疾病的危险因素，其具体分子机制尚未完全阐明。高HCY血症通过干扰内皮NO和H₂S信号通路、引发氧化应激、降低抗氧化能力、增加活性氧（Reactive oxygen species，ROS）以及促进脂蛋白代谢异常，导致ECs功能障碍和动脉粥样硬化病变^［40］。此外，HCY还可通过蛋白质N-同型半胱氨酸化直接诱导血管损伤，进一步加剧心血管病理进程^［41］。

临床研究证实，HCY水平升高在PAD患者中呈现特异性分布特征，约30%的PAD患者存在循环HCY浓度升高，而普通人群中这一比例仅为1%^［42］，其浓度变化与ABI异常及传统危险因素（吸烟、糖尿病和衰老等）存在协同效应，共同影响PAD的发病率^［43］。高血浆HCY浓度是PAD发病的独立危险因素，且同PAD患者较高的MALE、MACE发生风险及全因死亡率相关^［44］。因此，高HCY血症与PAD患者的功能结局恶化密切相关，表现为血管舒张能力降低、血流动力学紊乱及动脉粥样硬化进程加速等。其机制可能涉及：⑴通过ROS介导的脂质过氧化和LDL氧化，促进泡沫细胞形成和动脉斑块发展；⑵抑制ECs迁移和增殖能力，导致血管修复能力下降^［45］；⑶激活单核细胞黏附和促炎因子释放，加剧血管壁慢性炎症反应与血管钙化。值得注意的是，针对HCY的干预措施（如补充叶酸、维生素B）已被证实可部分改善ECs功能^［46］，提示控制HCY水平在PAD临床管理中的潜在价值。

4 血管内皮生长因子（Vascular endothelial growth factor，VEGF）

VEGF通过与ECs表面的特异性受体结合，触发一系列生物学效应，包括诱导细胞外基质降解、增加血管通透性，并调控ECs增殖、存活、迁移及血管生成等关键生理过程。VEGF-A作为研究最充分的VEGF家族成员，是血管生成的关键血管生成因子之一。VEGF-A具有与动脉粥样硬化相关的多种作用：例如VEGF-A可以通过刺激抗凋亡蛋白的表达和NO合成来保护ECs^［47］。然而，VEGF-A同时具备促动脉粥样硬化特性，包括增强单核细胞趋化蛋白1表达、促进单核细胞黏附跨内皮迁移以及延缓内皮损伤修复^［48］。作为血管生成平衡的重要调节因子，可溶性受体sVEGFR-1和sVEGFR-2通过竞争性结合VEGF抑制其生物活性，是目前PAD中研究最多的血管生成标志物之一^［49］。

临床研究证实，高水平的循环VEGF与PAD不良结局（如大截肢风险增加）显著相关，提示其可能作为评估疾病严重程度的潜在生物标志物^［50］。然而，针对VEGF-A及其可溶性受体sVEGFR-1、sVEGFR-2的临床研究呈现矛盾结果：晚期PAD患者的血清及组织中的VEGF-A水平显著高于健康人群，其中Fontaine Ⅳ级患者的VEGF浓度甚至达到健康人群的近2倍^［51］。而合并糖尿病PAD患者血浆VEGF-A水平低于非糖尿病PAD患者，但sVEGFR-1和sVEGFR-2水平更高，提示高血糖环境可能抑制促血管生成因子加剧血管功能障碍^［52］。这种差异可能与患者群体特征（如是否合并T2DM）及疾病严重程度有关。进一步研究发现，VEGF-A与可溶性受体比值（如VEGF-A/sVEGFR-1）在不同缺血程度患者中呈现逐级升高趋势^［53］。这些结果表明通过计算VEGF-A/sVEGFR-1和VEGF-A/sVEGFR-2比值来评估血管生成潜能，可能可以更有效区分不同缺血程度，为个体化治疗提供分子依据。

5 小结与展望

PAD因病程隐匿且发病率高备受关注，但其发病机制尚未完全阐明，临床异质性显著且缺乏特异性治疗策略。研究表明，ECs功能障碍是PAD发生发展的核心环节，不仅参与疾病早期启动，还通过调控血管炎症、氧化应激及代谢紊乱等多重机制驱动病程进展。当前，PAD的病理机制研究与诊疗技术探索，正聚焦于ECs功能障碍这一核心，并致力于构建相应的精准干预策略。在诊断与病情监测方面，传统方法如ABI因假阴性率高而存在局限性，未来应借助液体活检及多组学技术（蛋白组学、代谢组学），构建以VCAM-1、ICAM-1等炎症标志物为核心的多分子联合检测体系，以期提升PAD早期筛查的敏感性和动态监测能力。在治疗策略方面，研究应聚焦于ECs功能障碍驱动的病理网络（如VEGF/ADMA轴异常、MPO介导的氧化损伤），并结合单细胞测序和空间转录组技术，深入揭示内皮亚群异质性及其与免疫微环境的互作机制，从而推动靶向调控NF-κB、Nrf2等信号通路的特异性药物开发。

此外，代谢组学研究揭示了PAD特异性代谢物谱可为靶点开发指引新方向，而外泌体及非编码RNA等新兴标志物的临床转化有望突破诊疗瓶颈。未来还需通过大样本队列研究，融合功能影像、分子标志物群和临床数据，以推动PAD诊疗向精准化、动态化及全程化迈进，最终实现PAD的个体化诊疗和长期预后改善。

所有作者均声明不存在利益冲突关系。

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基金资助

江西省卫生健康委员会普通科技计划项目(202510063)

赣州市重点研发计划项目(GZ2024YLJ131)