心血管疾病是糖尿病最常见且致命的并发症。与非糖尿病人群相比，糖尿病患者的动脉粥样硬化的风险增加两倍。[1]
糖尿病最主要的疾病特征是血糖升高，然而强化降糖治疗仅轻度降低了心肌梗死等血管并发症[2,3]。学术界将这种降糖治疗后仍持续残留的血管并发症风险定义为“遗留效应”或“代谢记忆”，其具体机制未明[3,4]。
最近研究表明，单核细胞与巨噬细胞的代谢改变，包括有氧糖酵解和甲羟戊酸途径的激活，可以通过表观遗传学修饰和染色质结构改变来诱导长期的免疫细胞记忆，即训练免疫[5]。骨髓祖细胞的重编码使循环中具有“训练免疫”特性的单核细胞长期存在。
那么高血糖对动脉粥样硬化的“记忆”是否为血糖升高引起的训练免疫呢？
近日，来自牛津大学拉德克利夫医学院的Robin P. Choudhury团队在著名心血管期刊Circulation上发表了重要研究成果。[6]
他们发现：高血糖通过对骨髓祖细胞的表观遗传学修饰诱导了训练免疫，该特性在骨髓祖细胞分化为巨噬细胞后仍然存在。
更厉害的是，将糖尿病小鼠的造血干细胞移植给血糖正常小鼠，竟然也会加剧血糖正常小鼠动脉粥样硬化病变。
论文首页截图
动脉粥样硬化是一种慢性炎症性疾病，其特点是动脉内膜下过氧化低密度脂蛋白的沉积和巨噬细胞的激活。巨噬细胞在动脉粥样硬化的各个发病阶段均起着重要作用，并且被视为重要的治疗靶点。[7]
巨噬细胞可分为两种亚型，起促炎作用的M1型和组织修复的M2型[8]。M1型巨噬细胞主要依赖葡萄糖进行有氧糖酵解，M2型巨噬细胞则依赖脂肪酸进行氧化磷酸化产能。
免疫记忆是获得性免疫系统的一个重要特征。长期以来，科学界认为人类的免疫系统分为先天免疫和适应性免疫。先天性免疫系统主要由单核细胞、巨噬细胞、自然杀伤细胞等组成，不能产生免疫记忆。适应性免疫系统的效应细胞包括T细胞和B细胞，可以产生免疫记忆[9]。
然而，越来越多的证据表明，先天性免疫系统的激活也能引起对刺激因素的高反应性，称为训练免疫（trained immunity）[10]。该过程主要由表观遗传修饰和免疫代谢驱动。
基于上述研究现状，该团队进行了一系列试验，探索血糖升高是否通过训练免疫加重动脉粥样硬化。
Choudhury团队首先探索了高血糖对单核细胞和巨噬细胞的影响。
体外研究结果表明，高糖培养引起了骨髓来源的巨噬细胞（BMDM）和单核细胞的糖酵解增加、代谢谱改变、以及向促炎亚型（M1型）的分化增多。
除促进炎症基因表达外，高糖培养也促进了单核细胞对活化内皮细胞的黏附，以及增加了BMDM对过氧化LDL的摄取和向泡沫细胞的转化。
而在抑制糖酵解后，上述变化明显改善，说明高血糖促进了单核细胞和巨噬细胞促动脉粥样硬化的作用。
糖尿病和对照小鼠来源的BMDM培养流程图
接下来，研究人员在糖尿病小鼠模型中验证了高糖是否会诱导巨噬细胞持续地促炎作用。他们发现，即使处于正常糖浓度培养时，糖尿病小鼠来源的BMDM也会表现出M1型相关促炎基因的表达增强，M2型相关基因表达减弱。
这表明高糖确实诱导了训练免疫。此外，BMDM对活化内皮细胞的黏附、过氧化LDL摄取和向泡沫细胞转化均明显增强。这一系列证据表明高糖确实诱导了训练免疫。
为近一步验证高糖诱导的训练免疫对动脉粥样硬化的病理影响，研究团队分别将血糖正常小鼠和糖尿病小鼠的骨髓，移植到易发动脉粥样硬化但血糖正常的Ldlr-/-小鼠体内。
在高脂饮食12周后，接受糖尿病鼠骨髓移植的小鼠表现出了更重的动脉粥样硬化病变：更大的斑块负荷、斑块内巨噬细胞含量更多、脂质坏死核心的面积更大、比例更高，而胶原纤维和血管平滑肌的含量无显著差异。这说明训练免疫是一种与疾病相关的、持续的固有免疫形式。
骨髓移植试验流程图
考虑到高血糖小鼠来源的骨髓促进了动脉粥样硬化和持续地促炎基因表达，研究人员推测这种功能可能是由骨髓来源的细胞所执行的。而既往发现训练免疫可引起细胞代谢所引起的染色质改变相关表观遗传学标志物表达增加，如H3K4me3和H3K27ac[11]。
于是，研究人员证实了高糖培养的骨髓造血干细胞会表现出：葡萄糖摄取增加、乳酸产生增多、糖酵解失调，以及H3K4me3和H3K27ac修饰增加。
此外，糖尿病小鼠的骨髓造血干细胞中染色质标记物H3K4me3和H3K27ac也明显增高，并且在正常糖水平分化为BMDM后持续升高。在主动脉斑块中，巨噬细胞核H3K4me3染色阳性的比例也明显升高。
这些数据表明了糖酵解与训练免疫之间的直接因果相关性，而训练免疫则通过改变染色质结构，诱导了动脉粥样硬化相关表观遗传学改变。
对IL-6与Hk1进行ATAC-seq, H3K4me3 ChIP-seq and H3K27ac ChIP-seq的综合基因组浏览器轨迹图
为了探究染色质可及性的改变，研究者采用转座酶可及性染色质分析测序（ATAC-seq），对糖尿病与对照小鼠骨髓造血干细胞以及BMDM的转座子可及染色质进行了测定。
结果发现糖尿病造血干细胞的染色质可及性明显升高，并且对炎症刺激的反应性增加。基因组区域富集分析提示，增加的染色质开放区域与炎症相关通路密切相关。
研究人员进一步对染色质开放区域的分析发现：转录因子RUNX1结合位点的富集。RUNX1的功能主要是促进造血干细胞的分化、调控巨噬细胞的生存与分化、控制单核细胞与内皮细胞的相互作用。
此外，糖尿病患者动脉粥样硬化斑块中的巨噬细胞和外周血白细胞的转录组中，也富含RUNX1的靶基因，这些靶基因参与了炎症和动脉粥样硬化病变。
上述证据表明：高血糖诱导的巨噬细胞训练免疫，通过RUNX1促进动脉粥样硬化。
总而言之，这个研究发现对糖尿病动脉粥样硬化并发症的管理具有重大的临床意义。首先该研究在2型糖尿病患者的外周血白细胞中发现了高血糖诱导的训练免疫表型；其次，即使在血糖正常后，骨髓祖细胞促动脉粥样硬化的特性仍然存在，这也解释了为何强调降低血糖的传统治疗模式，未能降低糖尿病患者的动脉粥样硬化风险。
考虑到高糖诱导的训练免疫可能是降糖治疗未能降低糖尿病微血管并发症风险的重要原因，因此，确定代谢驱动因素和特殊的表观遗传学修饰，可能成为糖尿病心血管并发症预防和治疗的重要靶点。
参考文献：
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[11]Bekkering S， Arts RJW， Novakovic B， et al. Metabolic Induction of Trained Immunity through the Mevalonate Pathway. Cell. 2018;172:135-146.e9.
责任编辑丨BioTalker