老化细胞外基质：驱动血管重编程的 instructive niche

《Artery Research》：The Aging Extracellular Matrix as a Driver of Vascular Reprogramming

　　

心血管老化伴随着细胞外基质（ECM）的深刻重塑。越来越多的证据表明，ECM不仅充当结构支架，还主动调节细胞行为和血管稳态。在老化过程中，血管ECM经历众多分子、结构和生化变化，包括胶原蛋白积累、弹性蛋白断裂、病理性交联、基质因子（matrikines）产生以及进行性基质僵硬。这些变化重塑了血管壁的生化和力学景观，反映出细胞如何对其微环境作出反应。血管细胞通过整合素（integrins）、discoidin、多配体蛋白聚糖（syndecans）、离子通道以及下游通路如粘着斑激酶（FAK）、RhoA/ROCK和YAP/TAZ持续解读基质来源的信号。随着ECM老化，这些通路的持续激活促进内皮功能障碍、血管平滑肌细胞表型调节、成纤维细胞激活、炎症、钙化和衰老诱导。因此，老化ECM成为一个指导性微环境（instructive niche），能够决定和重编程血管细胞的身份和功能。有趣的是，ECM重塑与衰老状态之间的关系是双向的。衰老血管细胞通过产生大量参与ECM生成和重塑的因子深刻影响基质组成，而年龄相关的ECM改变，包括胶原沉积、刚度增加和活性基质因子，可诱导或强化衰老相关表型。这种双向相互作用建立了一个自我放大的循环，加速血管功能障碍和心血管老化。在这项工作中，研究人员讨论了ECM老化的分子和结构特征、血管细胞感知和解读基质来源信号的机制，以及将ECM重塑与衰老和血管重塑联系起来的新兴证据。此外，研究人员强调了旨在保存ECM完整性、调节机械转导和恢复更年轻细胞外环境方面的未解问题与机遇。总之，本综述支持这样的观点：老化ECM不是被动的旁观者，而是促进血管老化和心血管疾病的关键驱动因素和有前途的干预靶点。

1 引言
心血管老化不仅由细胞内在损伤积累驱动，还受血管微环境进行性重塑影响。过去ECM被视为维持血管结构的被动支架，现被确认为主动调控血管功能的信号平台，可调节生长因子和细胞因子的生物利用度，影响细胞粘附、迁移、分化、存活和炎症状态。老化导致ECM组成和物理状态改变，如胶原累积、弹性蛋白断裂、蛋白聚糖分布变化、糖化加合物积累及交联酶增加，使基质刚度上升，并通过整合素、FAK、RhoA/ROCK、YAP/TAZ、NF-κB和TGF-β等信号通路，将血管细胞推向内皮功能障碍、平滑肌细胞合成表型转换、成骨分化、免疫排斥和衰老等不利状态。本综述提出老化ECM作为血管重编程驱动因素的框架，即基质组成、力学和信号的变化将ECM从稳态支架转变为指导性微环境，主动重塑血管细胞身份和功能。

2 血管中的ECM组成与组织
ECM是由结构分子、介质和重塑酶构成的复杂三维网络。主要结构成分包括胶原、弹性蛋白、蛋白聚糖、糖胺聚糖（GAGs）和粘附糖蛋白如纤连蛋白和层粘连蛋白。胶原（尤其是I、III和IV型）提供抗张强度；弹性蛋白赋予弹性，但成年后再生有限；蛋白聚糖和GAGs调节信号和水合作用；纤连蛋白和层粘连蛋白介导细胞-ECM相互作用。ECM还包含基质金属蛋白酶（MMPs）、ADAMTS蛋白酶、组织蛋白酶和LOX氧化酶等重塑酶，其活性受金属蛋白酶组织抑制剂（TIMPs）抑制，共同维持基质合成与降解平衡。重塑失调与病理过程和年龄相关组织退化有关。

3 血管ECM作为指导性微环境
血管ECM按血管壁分层：内膜基底膜富含层粘连蛋白、IV型胶原和硫酸乙酰肝素蛋白聚糖，维持内皮屏障；中膜由血管平滑肌细胞（VSMCs）和弹性板层构成“弹性-收缩单元”，平衡弹性与抗张强度；外膜富含胶原，含成纤维细胞、免疫细胞和滋养血管（vasa vasorum）。细胞通过整合素、多配体蛋白聚糖、盘状结构域受体和机械敏感离子通道感知基质组成和力学变化，并将物理粘附信号转换为基因表达和细胞命运决定。ECM作为位置密码和机械记忆，在年轻时维持稳态，老化时则转变为促炎、促衰老、促钙化的病理性微环境。近期研究表明ECM的代谢修饰足以触发VSMCs的特定重编程，提示ECM是血管钙化的主动调节者。

4 老化ECM的分子和结构特征
老化ECM的特征包括胶原积累和交联、弹性蛋白断裂及基质刚度增加。这些变化不仅影响血管壁结构，还改变细胞感知的生化与力学信号，使ECM成为血管老化的重要调节者。

4.1 胶原积累和交联
老化动脉中I型和III型胶原沉积增加，弹性蛋白含量下降，导致纤维化表型。胶原交联由赖氨酰氧化酶（LOX）介导，老化时非酶糖化形成晚期糖化终产物（AGEs），进一步增加组织刚度。抑制LOX可降低大鼠主动脉壁刚度，说明交联对力学稳定性的重要性。

4.2 弹性蛋白断裂
弹性蛋白寿命长，再生能力有限。老化时蛋白酶降解弹性蛋白，产生具有生物活性的基质因子，如弹性蛋白衍生肽（EDPs），其通过弹性蛋白受体复合物（ERC）和神经氨酸酶-1（NEU1）激活信号，调节钙信号、细胞外信号调节激酶（ERK）、细胞因子产生和炎症。循环EDP水平与衰老表型强相关，慢性给予EDP可缩短小鼠寿命并诱导衰老、全身炎症和肥胖。

4.3 基质僵硬
胶原积累、交联和弹性蛋白断裂共同导致基质僵硬。僵硬不仅改变生物力学，还增强FAK、RhoA/ROCK和YAP/TAZ等机械转导信号，直接连接ECM结构重塑与血管细胞功能障碍。这些相互关联的特征共同构成ECM老化的标志，为理解血管重编程提供机制基础。

5 血管老化中的ECM感知与机械转导
血管细胞通过整合素、盘状结构域受体（DDR1/2）、多配体蛋白聚糖和离子通道（Piezo1、TRPV4）感知ECM变化。整合素激活FAK和Src，僵硬基质促进RhoA/ROCK介导的细胞骨架重塑，增强细胞张力并影响核结构。YAP/TAZ在硬基质中转位入核，与转录增强因子结构域（TEAD）转录因子作用，调节增殖、纤维化和炎症。DDR1/2驱动纤维-炎症重塑，多配体蛋白聚糖调节整合素信号和VSMC表型，Piezo1/TRPV4介导钙内流。这些通路构成综合感知网络，将结构改变转化为慢性信号，驱动内皮激活、VSMC表型调节、成纤维细胞激活、衰老和钙化，是老化ECM诱导血管重编程的机制桥梁。

6 氧化应激作为ECM重塑的驱动因素
年龄相关的活性氧（ROS）增加通过糖化和非糖化途径影响ECM。还原糖和ROS导致AGEs积累，促进交联和僵硬。ROS也可直接氧化、氯化和硝化ECM蛋白，如次氯酸（HOCl）和髓过氧化物酶（MPO）衍生氧化剂影响原弹性蛋白自组装。AGEs激活晚期糖化终产物受体（RAGE），触发NADPH氧化酶和NF-κB信号，形成AGE-RAGE-ROS正反馈。氧化应激调节胶原表达，抗氧化剂可抑制胶原沉积。研究表明，清除超氧化物的超氧化物歧化酶（SOD）可减轻纤连蛋白水平，H₂O₂处理损害基质粘附性能。这些发现表明氧化应激与ECM重塑双向关联。

7 ECM老化与血管衰老的双向关系
年轻主动脉ECM组成受到紧密调控，但衰老时血管细胞进入衰老状态，加剧ECM失调。细胞衰老以细胞周期停滞、p16（CDKN2A）、p21（CDKN1A）、p53（TP53）升高和衰老相关分泌表型（SASP）为特征。分泌的ECM重塑因子可改变基质组成，而ECM成分也能诱导或维持衰老。

7.1 衰老血管细胞作为ECM重塑者
衰老内皮细胞（ECs）和VSMCs通过分泌MMPs、纤连蛋白、纤溶酶原激活物抑制剂-1（PAI-1）等因子直接或间接重塑ECM。例如去乙酰化酶1（SIRT1）降低PAI-1发挥抗衰老作用；衰老ECs分泌C-X-C基序趋化因子配体12（CXCL12）损害内皮功能；赖氨酰氧化酶样蛋白2（LOXL2）水平在老龄小鼠中升高，受一氧化氮（NO）调节。衰老VSMCs分泌白介素-1α（IL-1α）、基质金属蛋白酶-9（MMP-9），并因miR-34a、SRY-box转录因子9（SOX9）等调控胶原和LOXL4表达。单细胞和空间转录组学揭示了动脉粥样硬化小鼠中衰老VSMCs簇的ECM组织通路富集。清除衰老细胞（如ABT-737）可逆转胶原紊乱。

7.2 ECM作为衰老的驱动因素
胶原I型α1链（Col1a1）突变小鼠显示早衰和VSMC衰老；lumican（LUM）敲低减轻血管紧张素II（Ang II）诱导的VSMC衰老；ECM僵硬通过损害线粒体-内质网接触促进VSMC衰老。前层蛋白A积累诱导DNA损伤和衰老。ECM降解产物如EDPs也可诱导炎症和衰老表型。因此，ECM不仅是衰老的靶标，也是驱动衰老相关血管重编程的活跃因素。

8 展望与未来方向
传统观点将血管老化归因于细胞自主功能障碍，但新证据表明ECM是主动调节者。未来需建立ECM老化与血管功能障碍的因果关系，利用组织工程基质和水凝胶独立操控基质特性。需解码ECM老化密码，结合空间多组学绘制细胞状态与微环境。循环基质因子可能作为生物标志物和器官间通信信号。关键转化问题是ECM年轻化能否恢复血管功能。干预策略包括保护基质完整性、减少病理性交联、调节机械转导、清除衰老细胞或恢复年轻基质组成。最终，理解基质信号的产生和传播将为预防血管老化和延长心血管健康寿命提供新机遇。