Sodium glucose co-transporter 2 inhibitor empagliflozin prevents endothelial dysfunction induced by oscillatory shear stress

Keywords: Calcium; Empagliflozin; Oscillatory shear stress; Sodium-calcium exchanger; Sodium-hydrogen exchanger 1.

鈉-葡萄糖共轉(zhuǎn)運蛋白2抑制劑（SGLT2i）恩格列凈（EMPA）是一種降血糖藥物，對糖尿病患者和非糖尿病患者的心血管均具有顯著益處。EMPA的心血管保護作用至少部分由其內(nèi)皮保護作用介導。體外實驗顯示，EMPA對暴露于促炎細胞因子或循環(huán)拉伸幅度增加的人類內(nèi)皮細胞（ECs）有多重有利效果，如減少氧化應(yīng)激、增強內(nèi)皮屏障功能、緩解炎癥反應(yīng)以及改善離子穩(wěn)態(tài)。研究表明，利用生理模型模擬持續(xù)暴露于單向血流（層流剪切應(yīng)力，LSS）的體內(nèi)狀態(tài)，EMPA能有效減少被TNF-α刺激的人類冠狀動脈內(nèi)皮細胞（HCAECs）中活性氧（ROS）的產(chǎn)生，并恢復一氧化氮（NO）生物利用度。在LSS下TNF-α刺激的ECs細胞中，EMPA對ROS過度產(chǎn)生的抑制作用是通過抑制鈉-氫交換體1（NHE1）相關(guān)的鈉內(nèi)流（[Na+]i）和隨后通過鈉鈣交換體（NCX）的Ca2+ 流入介導的。通過抑制暴露于LSS下TNF-α的HCAECs中NHE1/NCX，EMPA可減少細胞內(nèi)Ca2+ 積累從而削弱ROS生成。這些發(fā)現(xiàn)表明，EMPA主要通過調(diào)節(jié)離子穩(wěn)態(tài)來調(diào)節(jié)內(nèi)皮氧化應(yīng)激。雖然EMPA在LSS下的保護作用已被充分確立，但其對振蕩剪切應(yīng)力（OSS）下內(nèi)皮功能的影響尚不明確。

動脈粥樣硬化區(qū)域、主動脈弓及其分支以及圍手術(shù)期的血流紊亂會對內(nèi)皮細胞施加OSS。OSS通過增加細胞骨架張力并增強血管內(nèi)皮（VE）-鈣黏蛋白的磷酸化，破壞內(nèi)皮屏障的完整性。此外，OSS通過激活NOXs、ERK1/2、NF-κB信號傳導誘導氧化應(yīng)激和炎癥。OSS下的炎癥反應(yīng)還通過ICAM-1的上調(diào)促進單核細胞粘附和跨內(nèi)皮遷移，進一步加重血管功能障礙。Piezo1是一種機械敏感離子通道，通過介導Ca2+ 內(nèi)流在內(nèi)皮細胞對剪切應(yīng)力的反應(yīng)中起關(guān)鍵作用。在LSS下，激活 Piezo1促進適度的Ca2+ 流入，促進NO的產(chǎn)生和維持內(nèi)皮穩(wěn)態(tài)。然而，OSS下過度的Piezo1激活會導致細胞內(nèi)Ca2+ 過載。Ca2+ 水平升高激活NOX2，促進ROS積累，進而刺激下游ERK1/2信號通路，破壞內(nèi)皮連接?？紤]到細胞內(nèi)Ca2+ 和ROS生成之間的相互作用，目前尚不清楚EMPA是通過 Piezo1調(diào)節(jié)還是通過其他機制（如NHE1/NCX途徑）減輕OSS誘導的內(nèi)皮功能障礙。

近日，荷蘭阿姆斯特丹大學醫(yī)學中心心血管科學研究所聯(lián)合麻醉學部門成員在一項研究中假設(shè)EMPA通過減少ROS產(chǎn)生、維持VE-cadherin完整性并抑制炎癥反應(yīng)，緩解OSS誘導的內(nèi)皮功能障礙。為了研究EMPA在生理和病理相關(guān)剪切應(yīng)力下的內(nèi)皮效應(yīng)，采用體外流動模型和離體小鼠主動脈免疫染色，特別關(guān)注主動脈弓，并旨在確定潛在保護效果是通過抑制 Piezo1 還是通過調(diào)控NHE1/NCX軸介導的。研究成果發(fā)表于 Biomedicine & Pharmacotherapy 期刊題為“Sodium glucose co-transporter 2 inhibitor empagliflozin prevents endothelial dysfunction induced by oscillatory shear stress”。

首先，與LSS（12 dyne/cm2）相比，OSS（±?4 dyne/cm2）提高了HCAECs中的ROS產(chǎn)生，而EMPA阻止了這一效應(yīng)（圖1 a）。在OSS下HCAECs的NO生物利用度受損，通過EMPA得以恢復（圖1 b）。在LSS暴露的HCAECs中單用EMPA未影響ROS的產(chǎn)生和 NO 的生物利用度。此外，還進行了Ca2+ 測量，以研究細胞內(nèi)Ca2+ 對流動下EMPA抗氧化作用的參與。結(jié)果表明，與 LSS 相比，OSS 增加了細胞內(nèi)Ca2+，這種效應(yīng)被EMPA降低（圖1 c–d）。鈣螯合劑BAPTA-AMwanquan降低了OSS觸發(fā)的ROS生成，與EMPA聯(lián)合使用未增強BAPTA-AM的抗氧化效果，表明EMPA對ROS的抑制作用至少部分由細胞內(nèi)Ca2+ 的減少介導 (圖1 e）。

圖1    EMPA以鈣依賴的方式抑制OSS誘導的ROS生成。

主動脈弓（即血流紊亂易發(fā)區(qū)）內(nèi)皮細胞顯示超氧化物歧化酶1（SOD1）表達減少，與EMPA體外培養(yǎng)后SOD1表達增加（圖2 a-c），說明EMPA降低體外分離主動脈的氧化應(yīng)激，這強烈支持體外條件下的研究發(fā)現(xiàn)。

圖2    EMPA可降低離體主動脈氧化應(yīng)激。

接下來，使用NHE1抑制劑cariporide和NCX抑制劑ORM-10962均降低暴露于OSS的HCAECs的ROS產(chǎn)生。與EMPA聯(lián)合使用時，其ROS抑制效果并未進一步增強。此外，EMPA不影響流動中HCAECs中NHE1的表達。

研究結(jié)果還顯示，OSS或EMPA未影響HCAECs中的Piezo1表達。敲低Piezo1 可顯著降低OSS下HCAECs中ROS的產(chǎn)生。然而，EMPA和敲低Piezo1的組合對OSS誘導的ROS產(chǎn)生沒有影響。這些數(shù)據(jù)表明，EMPA通過抑制NHE1/NCX軸減少Ca2+ 相關(guān)ROS的產(chǎn)生。

此外，在暴露OSS的HCAECs中，EMPA有效抑制細胞間隙（intercellular gap）形成的增加（圖3 a-b）。OSS或EMPA均未調(diào)節(jié)HCAECs中VE-鈣粘蛋白的總水平（圖3 d）。相反，OSS增加了酪氨酸731位點VE-鈣粘蛋白磷酸化，而EMPA則阻止了這一效應(yīng)（圖3 c）。EMPA還阻止了OSS誘導的src家族激酶（SFK）在HCAEC中的磷酸化（圖3 e），該激酶是磷酸化VE-鈣粘蛋白的上游激酶之一。在LSS或OSS下，EMPA未影響HCAECs中酪氨酸658位點VE-鈣粘蛋白的磷酸化。

圖3    EMPA可以防止HCAECs在血流紊亂期間細胞間隙的增加。

暴露于OSS會增加HCAECs中的細胞間黏附分子-1（ICAM-1）表達，而EMPA則阻止了這一效應(yīng)（圖4 a-b）。此外，EMPA抑制OSS下THP-1來源的巨噬細胞通過HCAECs 的轉(zhuǎn)運（圖4 c- e）。Infra-red Western blot顯示，EMPA逆轉(zhuǎn)了受OSS影響的ECs中ERK1/2磷酸化的增加（圖4 f）。這些數(shù)據(jù)表明，EMPA抑制HCAECs中OSS引起的炎癥反應(yīng)。

最后，為了測試ROS生成與EC保護之間的因果關(guān)系，使用抗氧化劑NAC，發(fā)現(xiàn)對 OSS下HCAEC 施用0.5?mM 的NAC使ROS水平降低了34%。值得注意的是，高劑量（1 mM和5 mM）下的NAC并未表現(xiàn)出更強的ROS清除效應(yīng)。

單用NAC及聯(lián)合EMPA均顯著減少了 ECs細胞間隙形成。NAC單用及NAC與EMPA聯(lián)合處理也有效降低了VE-鈣粘蛋白和SFK的磷酸化水平，但其聯(lián)合處理并未進一步抑制細胞內(nèi)間隙形成或VE-鈣粘蛋白和SFK的磷酸化。NAC的應(yīng)用未調(diào)節(jié)OSS 下HCAECs的VE-cadherin表達。雖然NAC和EMPA聯(lián)合使用仍能降低暴露于OSS的HCAECs中ICAM-1表達和ERK磷酸化，但在僅單用NAC的ECs中未觀察到此效應(yīng)。這些數(shù)據(jù)表明，EMPA對OSS下HCAECs的內(nèi)皮保護作用部分是由ROS介導的。

圖4     EMPA抑制HCAECs中OSS誘導的炎癥反應(yīng)。

圖5 血流紊亂下潛在的內(nèi)皮保護作用。與LSS相比，OSS會誘導ROS生成增加，降低NO生物利用度，破壞VE-cadherin完整性，ICAM-1表達升高，以及單核細胞轉(zhuǎn)運升高。EMPA對暴露于OSS的ECs表現(xiàn)出良好效果，表現(xiàn)為HCAECs中ROS生成減少、細胞內(nèi)Ca2+ 減少、內(nèi)皮屏障完整性增強以及緩解炎癥反應(yīng)。EMPA在血流下的抗氧化作用由NHE1/NCX/Ca2+軸介導。OSS下HCAECs內(nèi)EMPA抑制ROS生成有助于增強屏障功能，但對炎癥反應(yīng)影響有限。

總之，該研究表明，EMPA通過NHE1/NCX通路減少細胞內(nèi)Ca2+ 和ROS的產(chǎn)生，從而緩解OSS引起的內(nèi)皮功能障礙。EMPA還能維持VE-cadherin的完整性并抑制內(nèi)皮炎癥，其中ROS抑制在屏障保護中起關(guān)鍵作用，但在ICAM-1調(diào)控中則無效。研究發(fā)現(xiàn)加深了對SGLT2抑制劑EMPA的心臟保護作用的理解，尤其是在血流紊亂導致內(nèi)皮功能障礙和疾病進展的心力衰竭中。

參考文獻：Li X, Wang M, Seehaber J, Stuhldreier C, Butt YA, Pacia MZ, Hollmann MW, Preckel B, Albrecht M, Zuurbier CJ, Weber NC. Sodium glucose co-transporter 2 inhibitor empagliflozin prevents endothelial dysfunction induced by oscillatory shear stress. Biomed Pharmacother. 2025 Nov;192:118670. doi: 10.1016/j.biopha.2025.118670. Epub 2025 Oct 22. PMID: 41130096.

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