Sinh học phân tử (mức tế bào) các rối loạn chức năng nội mạc trong đái tháo đường

Những đặc điểm chung

Rối loạn chức năng nội mạc trong đái tháo đường xuất phát từ 3 nguồn.

Thứ nhất, tăng glucose máu và các hậu quả hóa sinh tức thì của tăng glucose máu làm thay đổi trực tiếp chức năng nội mạc. Vận chuyển glucose vào tế bào nội mạc và tế bào cơ trơn của mạch xảy ra nhò sự khuếch tán và như vậy là hình thái vận chuyển này không phụ thuộc vào insulin. Trong các tế bào cơ trơn của mạch quá trình vận chuyển glucose được tự điều hòa bởi chính nồng độ glucose nội bào. Điều này hoàn toàn khác với tế bào nội mạc, một sự gia tăng nồng độ glucose máu sẽ làm tăng sự tích luỹ glucose nội bào và các chất chuyển hóa của nó. Như thế, nếu nồng độ của glucose cao, in vitro, các tế bào nội mạc bị tác động sẽ làm tăng sản xuất các thành phần của chất ngoại bào như collagen và fibronectin, các protein tiền đông máu như vWF, yếu tố mô, đồng thời nó còn tác động đến quá trình di trú và tiềm năng ly giải fibrin, sự chết theo chương trình của tế bào.

Thứ hai, nồng độ cao glucose ảnh hưởng gián tiếp đến chức năng của tế bào nội mạc bởi sự tổng hợp các yếu tố tăng trưởng (TGF-β và yếu tố tăng trưởng nội mạc mạch), các cytokin (TFN-α) và các tác nhân họat hóa mạch ở các tế bào khác.

Thứ ba, các thành phần khác của hội chứng chuyển hóa có thể tác động vào chức năng nội mạc ( Xem thêm phần Hội chứng chuyển hóa).

Tăng glucose máu và các hậu quả hóa sinh tức thì

Tăng glucose nội bào sẽ dẫn đến tăng dòng glucose chuyển thành sorbitol qua con đường polyol, tăng glucosamin-6-phosphat qua con đường hexosamin, và hoạt hóa protein kinase c (PKC) qua tổng hợp mới diacylglycerol (DAG). Ngoài ra, glucose và các hợp chất dicarbonyl

nguồn gốc glucose phản ứng không enzym với các acid amin kiềm, lysin và arginin, trong các protein để tạo thành các sản phẩm cuối của sự glycat hóa (AGE) cả ở trong và ngoài tế bào. Nhiều bằng chứng cho thấy các cơ chế hóa sinh này có thể đều là hậu quả của sự sản xuất quá mức các dạng phản ứng oxygen trong ty lạp thể như thế nào.

Con đường sorbitol

Trong hầu hết các tế bào, glucose dư thừa có thể được chuyển hóa thành sorbitol và fructose bởi enzym aldose reductase và sorbitol dehydrogenase, kèm theo tăng oxy hóa NADPH thành NADP+ và tăng khử NAD+ thành NADH.

Con đường này có thể làm tổn thương chức năng nội mạc bởi 3 cơ chế:

• Thứ nhất, tăng tích luỹ sorbitol sẽ làm tăng stress thẩm thấu. Tích luỹ sorbitol làm giảm các chất thẩm thấu khác như myo-inositol và taurin, những chất này có thể làm tổn thương sự hình thành DAG và sự hoạt hóa PKC. Tăng tích luỹ sorbitol còn làm nặng thêm stress oxy hóa và phá vỡ cân bằng nội môi calci. Tuy nhiên, sự biểu lộ tương đối thấp của aldose reductase trong các tế bào nội mạc có thể không đủ để gây sự tích luỹ đáng kể sorbitol.
• Thứ hai, tăng tỷ lệ NADH/NAD⁺ trong cytosol dẫn đến mất cân bằng quá trình oxy hóa – khử, giống như xảy ra ở mô thiếu oxy. Hiện tượng này vì thế được gọi là “giả thiếu oxy” do tăng glucose máu. Nó xảy ra một cách thụ động không chỉ bởi oxy hóa sorbitol mà đặc biệt còn là do tăng phân giải glucose, có nghĩa là oxy hóa glyceraldehyd-3-phosphat thành 1,3-diphosphoglycerat bởi enzym glyceraldehyd-3-phosphat dehydrogenase (GAPDH). Các hậu quả bao gồm ức chế GAPDH, tăng tổng hợp mới DAG và hoạt hóa PKC. Tác động của tăng glucose máu đối với DAG và PKC như thế có thể được coi là đặc hiệu với tế bào và mô vì ở các tế bào có mức cao aldose reductase, sự can kiệt myoinositol có thể làm giảm hơn là làm tăng hoạt tính PKC.
• Thứ ba, mất cân bằng oxy hóa khử – tạo thuận lợi cho tích luỹ triose phosphate, làm tăng sự hình thành methylglyoxal và AGE; làm tăng stress oxy hoá, các stress này có thể bị nặng lên bởi sự kiệt quệ của glutathion khử do thiếu NADPH.

Tác động toàn bộ của con đường sorbitol trong rối loạn chức năng mạch còn chưa được hiểu rõ. Vai trò của của sự ức chế aldose reductase trong dự phòng và điều trị các biến chứng đái tháo đường cũng còn chưa rõ ràng. Hoạt tính của aldose reductase trong các tế bào nội mạc cũng

thấp. Vì thế khả năng cải thiện dẫn truyền thần kinh trong bệnh thần kinh đái tháo đường bằng các chất ức chế aldose reductase hoặc bổ sung myoinositol, còn đang được tiếp tục tìm hiểu.

Con đường DAG-PKC

Tăng glucose máu, hoạt hóa PKC gây ra nhiều hậu quả bệnh lý ở mức tế bào như rối loạn điều hòa tính thấm mạch máu một cách trực tiêp hoặc gián tiếp (cách sau này thông qua sự cảm ứng VEGF trong các tế bào cơ trơn).

Rối loạn điểu hòa dòng chảy bởi giảm hoạt tính của nitricoxide synthase nội mạc và/hoặc tăng tổng hợp endothelin-1; dày màng đáy do tăng tổng hợp collagen typ IV và íibronectin qua trung gian TGF-β; tổn thương quá trình phân giải fibrin do tăng PAI-1; tăng stress oxy hóa do quá trình điểu hòa một số enzym oxy hóa của NADPH.

Hoạt hóa PKC do tăng glucose máu xảy ra thông qua tăng mức của chất hoạt hóa DAG của PKC. Điểu đáng lưu ý là vitamin E có thể ức chế hoạt tính của PKC-β, như vậy là có mối liên hệ giữa stres oxy hóa và sự hoạt hóa PKC.

Nhóm PKC bao gồm ít nhất 11 đồng phân, vì thế người ta còn gọi chúng là “gia đình PKC”, chúng cũng có những mức hoạt động khác nhau tuỳ theo vị trí. Trong các tế bào mạch, đồng phân PKC-β II được ưu tiên hoạt hóa. Người ta cũng đặt nhiều hy vọng can thiệp vào khâu này. ở các động vật bị đái tháo đường thực nghiệm, khi sử dụng chất ức chế PKC-β đường uống, đã ngăn chặn được các bất thường của mRNA của TGF-β 1, collagen typ IV và fibronectin; cải thiện mức lọc cầu thận, làm tăng mở của gian mạch cầu thận; sửa chữa một phần sự bài xuất albumin niệu…

Vai trò của con đường DAG-PKC còn nhiều bí ẩn, có điều chắc chắn là nếu những hiểu biết về con đường này được khai thông thì tiên lượng điều trị sẽ được cải thiện. Các‘nghiên cứu để đánh giá tầm quan trọng của con đường DAG-PKC ở người đang được tiến hành.

Con đường hexosamin

Các tác động của con đường hexosamin, mà trong đó fructose- phosphat được chuyển thành glucosamin-6-phosphat bởi enzym của glutamin, fructose-6-phosphat amidotransíerase. Tuy vai trò của enzym này mới bắt đầu được chú ý; nhưng nó đã giải quyết được rất nhiều vấn đề trong nghiên cứu bệnh sinh, trong điều trị và can thiệp dự phòng bệnh.

ở các tế bào nội mạc của động mạch chủ, tăng glucose máu đã làm tăng mức hexosamin-6-phosphat và tiếp theo là tăng các N- acetylglucosamin (glcNAc). Bằng việc thêm GlcNAc vào các gôc serin và threonin đã làm tăng glycosyl hóa gắn kết o của yếu tố sao mã SP-1, làm giảm sự phosphoryl hóa của SP-1. Hậu quả là làm tăng sự sao mã của PAI-1 và TGF-β 1. Các protein khác như PKC và men tổng hợp của oxid nitric của tế bào nội mạc có thể bị thay đổi theo cách tương tự.

Glycat hóa không enzym

Glycat hóa không enzym của các protein là sự phản ứng ngưng kết giữa nhóm carbonyl của các aldehyd của đường với tận cùng N của các acid amin tự do của các protein để tạo thành một bazơ Schiff, sau đó chúng tái tổ hợp thành các Amadori-adduct glycat hóa sớm như fructosamin. Các Amadori-adduct là tương đối bền vững và chỉ một phần nhỏ bị tái sắp xếp thành các AGE không đảo ngược. Nhiều biến chứng đái tháo đường có liên quan đến tác động của các Amadori-adduct và các AGE. Các thử nghiệm lâm sàng với aminoguanidine, một chức ức chế hình thành AGE, đã chứng minh có cải thiện được tiên lượng bệnh. Nhưng thử nghiệm không được tiếp tục tiến hành vì có nhiều tác dụng không mong muốn. Ngày nay người ta vẫn tiến hành những thử nghiệm với các chất ức chế hình thành AGE khác.

• Stress oxy hóa do tăng glucose máu được xem như một chất hoạt hóa chung của các con đường polyol, DAG-PKC, hexosamin và hình thành AGE?

Gần đây có bằng chứng cho rằng, chính tăng glucose máu đã buộc các ty lạp thể sản xuất quá mức các gốc superoxid đóng vai trò then chốt trong sự hoạt hóa các con đường polyol, DAG-PKC, hexosamin và hình thành AGE?.

Cơ chất cơ bản của ty lạp thể là pyruvat có nguồn gốc từ quá trình giáng hoá các glucose trong điều kiện yếm khí. Trong các tế bào nội mạc, sự phosphoryl hóa glucose quyết định tốc độ phân giải glucose và sản sinh ra các pyruvat. Như thế, khi nồng độ glucose máu cao, sự giáng hoá glucose và sản sinh pyruvat trong tế bào nội mạc sẽ tăng lên. Các carbon của pyruvat sẽ đi vào chu trình Krebs trong ty lạp thể. Trong chu trình này các cơ chất được oxy hóa với sự hình thành C0₂, khử NAD⁺ thành NADH và FADH thành FADH2 . NADH xuất phát từ cả sự oxy hóa glucose ở cytosol và chu trình Krebs sẽ cung cấp các electron cho phức hợp I của dây chuyền hô hấp trong khi FADH2 xuất phát từ chu trình Krebs thì cung cấp electron cho phức hợp II, dòng electron

trong dây chuyền hô hấp đẩy các proton từ ty lạp thể. Qúa trình này sẽ tạo ra một gradient điện hóa dốc qua màng trong của ty lạp thể (âm tính ở bên trong). Enzym synthase của ATP trên màng ty lạp thể xúc tác sự trùng lặp giữa ADP với phosphat vô cơ để tạo ra ATP. Sự sản sinh ra kết nối năng lượng cao được đảm bảo bởi sự khuếch tán của các proton quay ngược trở lại vào ty lạp thể nhờ tổng hợp ATP. Cuối cùng, ATP được chuyển đến cytosol để trao đổi với ADP bởi chất vận chuyển adenin nucleotid. Vì điện thế màng cao, sự vận chuyển electron là không hoàn thiện và các ty lạp thể là những nguồn chủ yếu của sản xuất superoxid. Tuy nhiên, bình thường chỉ 0,1% tiêu thụ oxy bị thoát đến các chất chứa oxy phản ứng. Tăng glucose máu gây tăng rõ rệt sự sản xuất superoxid bởi tăng điện thế màng, kết quả của sự sản xuất quá mức chất cho electron từ chu trình Krebs. Như vậy chính nồng độ glucose máu cao, đã gây stress oxy hóa có thể là sự kiện khởi phát trong rối loạn chức năng nội mạc.

• Stress oxy hóa như một con đường chung cuối cùng của rối loạn chức năng nội mạc là hậu quả do tăng glucose máu?

Tình trạng giả thiếu oxy do tăng glucose máu, sự tự oxy hóa glucose, và sự hình thành AGE lại làm tăng stress oxy hóa. Ngoài ra, tăng glucose máu làm tổn thương chức năng thu dọn gôc tự do của nội mạc, bởi làm giảm hoạt tính của con đường pentose phosphate, giảm khả năng tham gia của NADPH cho chu trình oxy-hóa khử glutathione.

Các chất chứa oxy phản ứng có thể tác động vào nhiều con đường truyền tín hiệu như các protein G, các protein kinase, các kênh ion, các yếu tố sao mã, và có thể làm thay đổi chức năng nội mạc bởi nhiều cơ chế khác nhau. Đó là các tác động trực tiếp lên nội mạc như peroxide hóa của các lipid màng, sự hoạt hóa NF-kB, sự can thiệp vào sự hiện hữu của nitric oxide và tăng hoạt tính metallo-proteinase (chất có tham gia vào quá trình xâm nhập của monocyte, sự di trú của tế bào cơ trơn); các tác động gián tiếp như tăng oxy hóa LDL-C, hoạt hóa tiểu cầu và bạch cầu đơn nhân. Mặt khác, các tế bào nội mạc có thể đáp ứng với mức glucose tăng cao bằng cách tăng hoạt động của các enzym chống oxy hóa như superoxid dismustase, catalase và glutathion peroxidase.

Vấn đề đang tranh luận là ở chỗ liệu stress oxy hóa có gây ra rối loạn chức năng nội mạc ở người đái tháo đường hay không?. Với những phương pháp thăm dò hiện tại rất khó đánh giá được sự có mặt của tăng stress oxy hóa in vivo, chủ yếu là do hạn chế của phương pháp đo lường. Mâu thuẫn là ở chỗ trong các thực nghiệm ngắn hạn, liều cao vitamin c có thể cải thiện một số mặt của rối loạn chức năng nội mạc

trong đái tháo đường, nhưng ngược lại, các thử nghiệm lâm sàng ngẫu nhiên đã không chứng minh được điều này-thông qua các kết quả điều trị đã không làm giảm tỷ lệ các bệnh mạch máu lớn.

Các yếu tố tăng trưởng và cytokin: TGF-β, VEGF và TFN-α

Có bằng chứng vững chắc rằng TGF’P (với các yếu tố tăng trưởng khác như yếu tố tăng trưởng giống insulin 1 và yếu tố tăng trưởng ngoại bì) đóng vai trò chủ yếu trong bệnh thận đái tháo đường, trong khi VEGF là quan trọng trong bệnh võng mạc nặng. Còn TFN-α có thể gây đề kháng insulin và tổn thương chức năng nội mạc ở các động mạch lớn và cũng ở vi tuần hoàn – nói một cách khác TFN-α có thể có vai trò quan trọng trong tắc mạch xơ vữa (trong bệnh lý mạch máu lớn) và bệnh lý vi mạch.

• Yếu tố tăng trưởng chuyển dạng beta

TGF-β điều hoà độ dày màng đáy và độ giãn nở của chất gian mạch. Vai trò của nó trong sự dày lên của màng đáy ở các vị trí khác (ví dụ ở võng mạc) ít được chứng minh.

Về cấu tạo nhóm, TGF-β có 3 đồng phân. TGF-β 1, được bài tiết bởi nhiều loại tế bào khác nhau, như một dimer bất hoạt bao gồm peptide kết hợp ẩn. TGF-β 1 trưởng thành, được hoạt hóa bởi serine protease như plasmin. TGF-β 1 tăng lên bởi do glucose máu cao đã hoạt hóa PKC (liên quan đến các yếu tố sao mã như c-fos và c-jun, và vị trí gắn AP-1 ở vùng hoạt hóa của gen TGF-βl); qua vai trò của Amadori-albumin và các AGE; qua sự co giãn và angiotenssin II và qua sự hoạt hóa các cytokin của các tế bào nội mạc, các tế bào này cũng tăng sự hoạt hóa đồng phân ẩn bởi plasmin. Ba thụ thể của TGF-β tham gia vào sự truyền tín hiệu. TGF-β 1 kích thích sự sản xuất các thành phần của chất nền như collagen typ 1 và IV, fibronectin, laminin và các proteoglycan ở các tế bào gian mạch cầu thận được nuôi cấy và các tế bào thượng bì; tham gia vào sự điều hoà tăng sinh nội mạc cầu thận, thượng bì và gian mạch; nó cũng có các tác dụng chống viêm mạnh ở các tế bào mạch khi nó điều hoà giảm sự biểu lộ của E-selectin, VCAM-1 và protein hóa hướng động bạch cầu đơn nhân gây ra bởi cytokin.

• Yếu tố tăng trưởng nội mạc mạch

Yếu tố tăng trưởng nội mạch mạch – VEGF (Vascular Endothelial Growth Factor) là một cytokin gây phân bào mạnh và đặc hiệu với các tế bào nội mạc. VEGF có thể xuất hiện khi có thiếu oxy, hoặc khi chịu kích thích bởi các yếu tố tăng trưởng giống insulin 1 và TGF-β. VEGF gắn vào một số thụ thể, trong đó các thụ thể của VEGF 1 và 2, những thụ

thể người ta đã biết như tyrosin kinase giống fms và kinase gan bào thai 1. Có thể nói, tình trạng thiếu oxy đã kích thích hoạt động của các thụ thể này. Đây cũng là nguyên nhân khởi phát quá trình tăng sinh và di trú của các tế bào nội mạc; dẫn đến tân tạo mạch máu và tăng tính thấm thành mạch. Một số nghiên cứu đã cho thấy tăng mức VEGF ở dịch kính người bệnh đái tháo đường có bệnh võng mạc tăng sinh nặng. Trên thực nghiệm người ta cũng thấy các chất đối kháng của VEGF và thụ thể của nó đã làm giảm bệnh võng mạc trong các mô hình động vật thực nghiệm. Người ta đang hy vọng rằng, hướng nghiên cứu này có thể sớm được áp dụng lâm sàng để làm hạ tỷ lệ biến chứng mắt ở người mắc bệnh đái tháo đường. Vai trò của tăng hoặc giảm VEGF trong các biến chứng khác của bệnh đái tháo đường cũng đang là đối tượng của nhiều nghiên cứu khác.

• Yếu tố hoại tử u – α và viêm

Yếu tố hoại tử (TFN-α tumor necrotic factor) là một cytokin gây viêm được bởi bạch cầu đa nhân trung tính, đại thực bào và quan trọng nhất là các tế bào mỡ sản xuất. TFN-α gây cảm ứng các cytokin mạnh khác như interleukin-6, chất có vai trò điều hoà hoạt động của CRP. Những chất trung gian này hoặc đơn độc hoặc kết hợp đều có thể làm tổn thương chức năng nội mạc và đóng góp vào quá trình tắc mạch do xơ vữa.

TFN-α có vai trò quan trọng trong quá trình đề kháng insulin, TFN-α và viêm nói chung đều có đóng góp vào cơ chế bệnh sinh của bệnh thận đái tháo đường.

Các tế bào nội mô mạch máu vừa là mục tiêu tác động, đồng thời chúng lại vừa là nguồn sản sinh ra các cytokin. Phổ đáp ứng của các tế bào nội mạc với các cytokin rất khác nhau. Nói ngắn gọn, các cytokin trực tiếp gây viêm làm tăng tính thấm của mạch; làm thay đổi các đáp ứng điều hòa mạch; làm tăng sự kết dính bạch cầu vào nội mạc. Đồng thời chúng cũng còn có những tác động gián tiếp, tạo thuận lợi cho sự hình thành nghẽn mạch bằng cảm ứng hoạt tính tiền đông máu, bằng cách ức chế các con đường chống đông và bằng cách làm tổn thương sự ly giải fibrin thông qua kích thích PAI-1. Sự hoạt hóa yếu tố sao mã NF-kB là tối quan trọng trong điều hoà cytokin của biểu lộ gen trong các tế bào nội mạc. NF-kB bao gồm một gia đình các yếu tố sao mã, những yếu tố điều hòa phản ứng viêm và chức năng tế bào mạch. NF- kB được hoạt hóa không chỉ bởi TFN-α và interleukin 1 mà còn bởi chính sự tăng glucose máu, các AGE, angiotensin II, các lipid bị oxy hóa và insulin. Các ví dụ về các gen NF-kB bao gồm VCAM-1, E- selectin, ICAM-1, interleukin 1, 6 và 8, yếu tố mô, PAI-1 và men tổng hợp oxid nitric. Mặt khác, NF-kB bảo vệ chống lại quá trình chết tế bào theo chương trình và làm hoạt hóa enzym chống oxy hóa, superoxid dismustase, những dữ liệu này đề xuất rằng con đường NF- kB là một yếu tố đóng góp quan trọng vào cơ chế bệnh sinh của bệnh lý mạch máu trong đái tháo đường.

Có thể tóm tắt những điểm chính cần lưu ý khi thực hành lâm sàng về chức năng nội mạc mạch máu như sau:

1. Nội mạc có một vị trí quan trọng của kiểm soát các chức năng mạch máu.
2. Có các phương pháp khác nhau để đánh giá chức năng nội mạc ở người, hiện tại có thể tin cậy được nhưng chưa được hoàn thiện.
3. Rối loạn chức năng nội mạc ở người mắc bệnh đái tháo đường đã có biến chứng bệnh lý vi mạch và/hoặc bệnh mạch máu lớn là một tổn thương có hệ thống ở chỗ nó tác động vào nhiều mặt của chức năng nội mạc. Sự liên hệ chặt chẽ giữa microalbumin niệu và rối loạn chức năng nội mạc trong đái tháo đường là một bằng chứng về vai trò microalbumin niệu như là một yếu tố nguy cơ của tắc mạch xơ vữa.
4. Trong bệnh đái tháo đường typ 1, rối loạn chức năng nội mạc có trước và có thể là một trong những nguyên nhân gây bệnh lý vi mạch. Nhưng còn có điều chưa rõ ràng là liệu rối loạn chức năng nội mạc có là một đặc điểm thuộc bản chất của tình trạng đái tháo đường hay không?.
5. Trong bệnh đái tháo đường typ 2, chức năng nội mạc bị tổn thương từ thời điểm khởi phát của bệnh đái tháo đường và có liên quan rất mạnh với các kết cục bất lợi. Vấn đề còn chưa rõ ràng trong cơ chế bệnh sinh là có phải chính sự tăng glucose máu hoặc các yếu tố khác đã gây ra các tổn thương chức năng nội mạc.
6. Tổn thương chức năng nội mạc có kết hợp chặt chẽ với đề kháng insulin. Chính các tổn thương nội mạc có thể đóng góp hoặc vào quá trình hình thành hoặc quá trình phát triển kháng insulin, bất kể có hay không có đái tháo đường.
7. Rối loạn chức năng nội mạc trong đái tháo đường xuất phát từ 3 nguồn chủ yếu. Đó là:

• Tăng glucose máu và các hậu quả hóa sinh trực tiếp của nó làm thay đổi chức năng nội mạc.
• Tăng glucose máu ảnh hưởng đến hoạt động chức năng của tế bào nội mạc, gián tiếp thông qua sự tổng hợp các yếu tố tăng trưởng, các cytokin và các tác nhân hoạt mạch ở các tế bào khác.
• Các yếu tố thành viên của hội chứng chuyển hóa có thể tham gia vào chu trình bệnh sinh gây tổn thương tế bào nội mạc gây ra rối loạn chức năng nội mạc.