胆固醇结晶刺穿动脉斑块和 内膜触发局部和系统炎症

近来，我痴迷在多篇文章中。我从来不知道在动脉内膜间的斑块，会出现胆固醇结晶！这真像一个爆炸新闻，一下子钻进我的脑子。

在医学中，我们已经了解了很多人体内代谢物固态对健康的严重影响。例如，胆结石、肾结石、甚至脑结石。为了使人体内器官运行正常，临床采用了手术治疗等手段，排除结石。现在想来，一个液体状态的代谢物，例如胆红素，它应该从肝脏处理成为水溶性的结合胆红素后，进入胆囊。然后，由胆管排入肠道，最后经人的粪便和尿液排出体外。可是，种种生理或病理因素，使胆红素淤积在胆囊，逐渐变成固态。日常月久，层层固态胆红素包裹在一起成为了胆结石。如果不及时将胆红素性质的胆结石清理出去，这个胆结石越来越大，最后堵塞了胆道，后果很严重。

数百年前，临床很早就知道，脂肪在动脉血管内的堆积，形成脂肪沟，是产生动脉粥样硬化的原因。后来的研究更了解了，原来脂肪沟最后形成的斑块，使动脉粥样硬化最后暴发为心肌梗死，形成血栓，堵塞动脉才是动脉粥样硬化急性发作致死的原因。如何形成动脉内膜内的斑块的过程也已经非常清楚。可是令人费解的是，两个患者动脉血管造影说明，他们具有未来出现严重心血管事件相同大小的风险；但是，一个确实在不久后突发了急性心肌梗死；但是另外一位，却一直没有发生任何急性心血管事件！原因何在？

结晶诱导的疾病已经被认识了上百年，作为疾病的原因。最常见的包括痛风、肾病、和胆结石，但结晶的更多的罕见形式已经被叙述为遗传误差的结果，导致某些蛋白和/或分子的堆积，引起眼睛角膜或链接组织（即褐黄病）结晶的堆积，触发炎症。在痛风，尿酸一钠盐结晶已经被证明了触发伤害基因信号，激发一个炎症响应。结晶形成和堆积在一个关节很小的空间，将触发一个系统炎症。包括局部创伤、蛋白的脱水和饱和。

以美国密歇根州大学医学病理部George S.Abela博士为代表的一些学者，长期研究发现在动脉内膜斑块内外有胆固醇的结晶。胆固醇结晶已经被确认。对动脉壁内胆固醇结晶信息，可以做类似的假设方案。在这个狭窄的空间内的突发膨胀，将导致因胆固醇结晶化一个“爆炸”事件，胆固醇结晶在触发局部和系统炎症中，看来是最坏的罪魁祸首，它导致斑块破裂和出血。

Abela的研究，提出了斑块破裂的模式假设。他认为这些炎症活动分为两个阶段。在第一阶段（胆固醇结晶诱导细胞损害和凋亡），细胞内胆固醇结晶诱导泡沫细胞的凋亡、通过信号召集更多的巨噬细胞，建立一个恶性循环，造成细胞外脂肪的堆积。这个局部的炎症最后导致形成易损斑块的半液体、富含脂肪的坏死核。在第二阶段（胆固醇结晶诱导动脉壁损害），饱和的脂肪核准备好结晶，表现为系统炎症响应的临床综合征。胆固醇结晶化是触发机制，引起核膨胀、导致内膜损害。他们近期的实验证明胆固醇在从液体成为固态的结晶时，经历了体积膨胀，可以撕裂斑块帽。对胆固醇结晶穿破斑块帽和内膜表面的这个观察，来自患者斑块，该患者死于急性冠状动脉综合征。研究也展现了多个药物（即，他汀、阿司匹林、和乙醇）可溶解胆固醇结晶，会因直接机制发挥它们即刻的好处。而且，近期研究在动脉粥样硬化兔模型中得到了证实。所以，他们认为胆固醇结晶可有助于在一定程度上解释与动脉粥样硬化有关的局部和系统炎症。

以下将对Abela博士报告胆固醇结晶对心血管事件的认识和假设做一概要介绍。

炎症被定义为对损伤的生理响应，试图愈合遭受的伤害。但是，这个响应会被夸大和/或拖延，它本身成为加重损害的来源。在各种医学情况下，这个似是而非的论点已经被认识了。也许这个过程最有挑战的方面，是确定炎症是否是伤害的原因或结果，以及治疗（处理）炎症本身是否是控制疾病的有效方式。

炎症在动脉粥样硬化中到底发挥什么作用已经纠结了两个多世纪，Rudolph Virchow（1821-1902）在描述动脉粥样硬化时创造了词语endarteritis（动脉内膜炎），并认为炎症是根本的原因。最近，Russell Ross（1929-1999）提出了炎症是对血管伤害响应的概念。这个概念已经吸引了更多的关注，因为发现多种多样的炎症标志物与动脉粥样硬化有关。因此，现在认为炎症作用是动脉粥样硬化形成的组成部分。但是，这个完整过程的一个同等重要的方面是鉴别引起血管伤害的因素和机制。1970年代，Donald Small评价了胆固醇结晶和它们在动脉粥样硬化中的潜在作用。但是，那个时候没有阐明斑块破裂是急性心血管事件的根本原因的概念，也没有认识到胆固醇结晶和斑块破裂间的联系。

近期Abela的研究小组证明当胆固醇从液态到固态结晶时，它的体积在膨胀（图1）。而且，已经有证据显示胆固醇以液态的形式存在于动脉壁中。所以，在动脉粥样硬化斑块坏死核的密闭空间内的膨胀，可导致斑块帽和上覆内膜的破裂，从而形成动脉血栓。他们在体外研究中展示了胆固醇结晶分别密集地聚合在心血管或神经学事件患者的冠状动脉和颈动脉斑块破裂处（图2）。可以通过在组织制备过程中避免使用溶剂进行电子显微扫描来观察。他们发现胆固醇结晶穿刺内膜表面导致了如下问题：伤害过程和炎症间有联系吗？

来自多个临床试验的证据已经表明炎症标志物是未来急性心血管事件的预测因素。高敏CRP是研究最多的标志物，JUPITER研究（the Justification for the Use of Statins in Prevention: an Intervention Trial Evaluating Rosuvastatin，使用他汀预防的理由：评价瑞舒伐他汀的干预试验）最近用它来选择进行他汀治疗的患者。结果表明依据升高的hs-CRP水平，接受他汀治疗人群的心血管事件显著减少。因此，hs-CRP是一个潜在的血管损伤标志物。

预计胆固醇结晶介导的内膜伤害会被认为是潜在的炎症响应。所以，这样的伤害和炎症情况符合炎症标志物及其标志着胆固醇结晶导致血管伤害的临床范例。他们已经证明了他汀、乙醇、和阿司匹林等都对胆固醇结晶形成有改善作用，同时减少炎症并对急性事件有预防作用。这个发现为胆固醇结晶可触发血管伤害从而引起系统炎症的响应概念提供了更多的支持。

图1 结晶期间胆固醇的体积膨胀。（上半部）：在量筒内溶解的胆固醇体积膨胀高于弯液面。随着胆固醇量的增加（1~3g），体积膨胀图很明显。（下半部）：结晶后，看到胆固醇结晶生长超过试管的边缘。扫描电子显微镜展现了尖锐的结晶几何形状。将纤维膜置于试管口上，扫描电子显微镜观察到结晶穿透膜（bar=5μm）。

图2 死于急性冠状动脉综合征患者的胆固醇结晶穿透内膜。（左列）：左前降支动脉正好在斑块破裂位点下说明胆固醇结晶穿透内膜（bar=500μm）。（右列）：胆固醇结晶在斑块破裂处（箭头：撕裂的斑块帽边缘；bar=1mm）穿透斑块帽和内膜（bar=2.5μm）。

血管炎症的触发

一些药物和生理条件是血管伤害的风险因子，包括糖尿病、高血压、吸烟、和升高的血清胆固醇。所有这些风险因子似乎会诱导内皮功能紊乱和加速致动脉粥样硬化。而且，已经有文件记录，胆固醇在这个过程中发挥着重要作用，减少胆固醇可以很大程度上预防心血管事件。具有心血管事件潜在风险的主要病理损害，是易损动脉粥样硬化斑块。组织学定义该斑块具有富含脂肪的坏死核和薄纤维帽，有微弱结构支持并存在细胞炎症。近期，在提供局部观察以研究冠状动脉树中事件的预测因素（the Providing Regional Observations to Study Predictors of Events in the Coronary Tree, PROSPECT）的试验已经确认存在易损斑块。升高的血清胆固醇和潜在的病理学间的关系已经被广泛地研究，但是准确的斑块破裂的机制难以捉摸。他们对胆固醇结晶膨胀的观察有助于阐明炎症在病理学中的作用。依据胆固醇结晶化的过程，炎症在斑块破裂中的作用看来分为两个阶段— 第一个阶段是形成易损斑块；第二个阶段是系统响应使斑块破裂。

第一阶段（胆固醇结晶-诱导

的细胞伤害和细胞凋亡）

局部细胞炎症导致形成富含脂肪的坏死核，这是易损斑块的重要的特征（图3）。该过程由低密度脂蛋白（LDL）进入动脉壁启动，与细胞基质成分主要是葡萄糖胺聚糖互相反应引起诱捕，葡萄糖胺聚糖对载脂蛋白B具有高度亲和力。而且，小而致密的LDL颗粒和基因上确定了血管亲和性，也是关键因素。其次，从循环血液中进入的单核细胞转变为巨噬细胞，吞噬LDL。由于胆固醇在巨噬细胞内积聚，使巨噬细胞成为泡沫细胞，最后形成了脂肪条纹从而导致坏死核的形成。在泡沫细胞中，胆固醇结晶，触发危险信号使局部的炎症响应通过核苷酸寡聚化域样受体（NOD-like receptor）-NLRP3炎性体蛋白而启动。这个过程在形成动脉粥样硬化斑块阶段中发生地非常早。

细胞内的结晶可导致泡沫细胞死亡，来自细胞膜以及它们先前吸收的胆固醇载量促进局部细胞外积聚胆固醇。然后这些物质形成富含脂肪的坏死核，一旦坏死核形成，它就会成为局部脂肪混有细胞碎片的堆积—通常被称为“粥积累。”随着更多的巨噬细胞被趋化现象信号吸引到炎症位点，更多的脂肪被巨噬细胞吞噬，形成更多的泡沫细胞。许多巨噬细胞死亡并释放它们的内含物，诱使更多的巨噬细胞到该位点，由此形成了一个恶性循环，最后形成一个饱和的脂肪库。而且，红细胞（RBC）从滋养斑块的受损害血管中释放，其细胞膜提供了更多的胆固醇，导致更大的胆固醇浓度和胆固醇饱和。血管滋养层也可被膨胀的尖锐胆固醇结晶伤害，释放RBC进入坏死核。而且，已经证实软组织内存在的细胞外游离胆固醇是慢性炎症的原因。

图3 伴随反复发作伤害的血管炎症的恶性循环，导致坏死核和最后易损斑块形成。起始步骤是LDL进入动脉壁内，并被诱捕，然后单核细胞进入，摄取LDL成为泡沫细胞。在泡沫细胞内的结晶诱导细胞凋亡，导致进一步吸引巨噬细胞，在动脉壁内形成一个细胞外的脂肪库。从而组成了一个易损斑块的基本成分。

一旦坏死核在内外弹性薄层间动脉壁的狭窄空间内形成，它就会受到局部的物理和化学作用力。结果，饱和、温度、压力、和pH等会单独或联合触发坏死核内胆固醇的结晶。一些物理因素在体外已经证明可触发胆固醇结晶。更确切地说，胆固醇分子的水合作用是促发更大体积膨胀的局部因素之一。胆固醇一水合物已经被结晶学研究确认，是人致动脉粥样硬化斑块内存在的主要胆固醇分子。因此，这些因素单独或联合可造成胆固醇结晶化，导致斑块破裂。这些观察也符合急性心血管综合征的不可预测的临床表现，急性心血管综合征似乎随着环境压力因素增加，如：寒冷的气候或强体力活动。

第二阶段（胆固醇结晶诱导的动脉壁伤害）

这一阶段是由纤维斑块帽的危害所产生的全身性炎症。如前所述，胆固醇结晶化导致坏死核体积的膨胀，可引起斑块破裂和/或糜烂。该事件然后导致斑块帽和上覆内皮的破裂，触发系统炎症响应（图4）。淋巴对内膜伤害发生响应在局部产生白介素（IL）-6分子，然后循环到肝脏和激发产生hs-CRP（一个急相反应物）。

图4 由胆固醇结晶诱导的斑块破裂和/或糜烂的机制。在大坏死核的情况下，斑块帽被撕裂导致破裂，而在小坏死核的情况下，它导致糜烂。另外，由斑块内胆固醇结晶引起的血管滋养管创伤，引起斑块内出血。

依据脂肪库的大小，斑块破裂会突然地或缓慢地发生。较大的脂肪库趋向于产生突发破裂，因膨胀迅速，常见于男性；而较小的脂肪库趋向于产生一个缓慢的、较持久的事件，引起糜烂，常见于女性。他们已经证明在动脉粥样硬化的兔模型中，连续喂食富含胆固醇的食物导致hsCRP、IL-6和纤溶酶原激活物抑制剂-1递增。但是，一旦发生斑块破裂，生物标志物显著升高。

那么问题出现了，斑块释放的胆固醇结晶是由与斑块破裂相关的被动过程引起还是事件的实际诱因？一系列的证据表明这是起因。首先，注意到胆固醇结晶不仅在斑块破裂位点，而且在邻近的动脉壁穿刺内膜，表明这是一个涉及破裂位点以外位置的活跃过程（图2）。而且，其他冠状动脉内发生多处斑块破裂。第二，体外研究表明当一个纤维膜位于不断膨胀的胆固醇结晶的路径中时，膜被尖锐的结晶穿刺和撕裂。此外，组织学研究表明破裂的纤维斑块帽的边缘被磨损，表现出撕裂一样的动态爆发过程。第三，在斑块破裂和血栓形成的动脉粥样硬化兔模型中，胆固醇结晶存在与血栓形成有关，但是胆固醇结晶缺乏与之无关。第四，严重动脉粥样硬化但非死于心脏事件的患者，没有出现胆固醇结晶穿刺内膜表面的现象。仅因急性冠脉综合征死亡的患者，存在胆固醇结晶穿刺内膜的证据。所以，我们假设内膜伤害导致了系统炎症响应。而且，他们的胆固醇结晶膨胀模型也解释了患者动脉粥样硬化斑块突然增长的原因。对相同患者进行反复冠状血管造影可以发现，斑块静止多年然后突然出现；通过他们对胆固醇结晶膨胀的观察也可以预料到。

与动脉粥样硬化关联的

炎症标志物

各种类型的血清炎症标志物与动脉粥样硬化的心血管疾病有关，该清单还在变长。其中包括hs-CRP、IL-6、血清淀粉样蛋白A、单核细胞趋化蛋白-1、髓过氧化物酶、和与脂蛋白相关的磷脂酶A2。一些细胞粘附分子也已经被证实，包括细胞间粘附分子。但是，至今hs-CRP仍是未来心血管事件预测因素的主要竞争者，还是急性冠脉综合征的短期-和长期-死亡率的预测因素。

JUPITER研究使用了hs-CRP＞2 mg/L的标准，来选择接受20 mg瑞舒伐他汀治疗的患者。这个测量让急性心血管事件大幅下降（44%）。鉴于他们近期有关斑块破裂机制的发现，他们认为hs-CRP升高代表了胆固醇结晶穿破内膜造成的早期内膜伤害，因此与单独使用LDL相比，对未来事件具有更好的预示价值。

斑块破裂的机制

近期的思考是，斑块破裂发生是由于消化纤维帽的金属蛋白酶和胶原酶释放的斑块帽弱化所致。这起源于炎症细胞浸润，即巨噬细胞和淋巴细胞浸润。但是，斑块破裂和这个过程间的直接联系没有被确定。结合他们近期的发现，关于胆固醇结晶化和体积膨胀，他们认为这个机制是引起斑块破裂最终阶段的始作俑者。局部炎症（第一阶段）对形成坏死核很关键，但是，由于不断膨胀的尖锐胆固醇结晶引起的斑块危害和破裂，从根本上触发了系统炎症（第一阶段）。甚至胆固醇结晶膨胀的相同过程可导致斑块内出血，如图4所示刺穿血管滋养管。

血管造影术、血管透照法、和血管内超声等方法已经发现了相同血管床和其他血管床的多个破裂位点，表明这是一个系统过程。我们也已经观察到在相同患者的多个动脉床内发生胆固醇结晶穿刺内膜的现象。这归因于系统过程，导致局部环境的改变如pH、温度、胆固醇饱和度、胆固醇分子水合作用。这些均已经过检验，结果发现可强化胆固醇结晶化。一个系统过程也可导致局部炎症活性增强。这些可通过激活巨噬细胞形成吞噬作用，并增加它们的脂肪摄入形成泡沫细胞来影响局部环境。各种系统过程已经暗示存在问题，包括各种类型的感染。在体外已经证明了相似的活化作用，巨噬细胞需要被刺激才开始进行吞噬。最后，这个过程将导致巨噬细胞/泡沫细胞内形成结晶，引起凋亡。然后滋养细胞外脂肪的循环，使之堆积形成易损斑块。

他汀、乙醇和阿司匹林在

斑块破裂中的角色

他汀、乙醇、和阿司匹林（ASA）都被发现可预防急性心血管事件。在所有情况下，他们发现他汀、乙醇和ASA都是胆固醇结晶的有效溶剂。在他们的模型中，溶解胆固醇结晶预防了体积膨张和内膜伤害，减少了急性临床事件。这样，溶解胆固醇结晶可解释他汀的一些多效性作用，和与LDL降低范围以外的增强作用的剂量关系。同样，适量使用乙醇具有保护性，他们证明了乙醇能溶解胆固醇结晶。而且，ASA是一个亲脂的化合物，通过“like-dissolves-like（极性化合物溶于极性溶剂，非极性化合物溶于非极性溶剂）”的机制可溶解胆固醇结晶。另外，在与这些化合物结合时，胆固醇分子可在化学上发生变化，改变它的结晶化特性。这些潜在机制可以解释这些化合物的多效性好处，以及它们在急性心血管综合征中的早期和快速作用。已经证明，特别在急性心血管事件期间使用他汀和ASA在介入程序后可立即改善预后。而且，已证明药物和乙醇二者都具有抗-炎症性能，可被相同的过程解释。另外，这可以解释高剂量他汀如何与出血性中风小而有意义的升高有关，因为如果胆固醇结晶嵌入中风部位的动脉壁并溶解，可引起血液在动脉壁的“未堵塞”孔位置漏出。而且，脑动脉仅具有一层有弹性的薄层，潜在地使它们更加脆弱。

未来的研究

系统作用导致局部斑块不稳定是未来研究的重要方向。他们已经证明了pH漂移、温度、和饱和度变化增强体外胆固醇结晶化。但是，需要确定这个过程的其他方面，这里列出一小部分，包括情绪和身体的紧张、发烧疾病、和血栓前状态。所有这些会影响诱导胆固醇结晶化所需的最终全身状态，从而导致急性事件。另外，因斑块破裂释放的胆固醇结晶的散布引起终端器官伤害，这方面的探索也很重要。最后，可预防形成或溶解胆固醇结晶的各种药物将成为未来研究的重要课题。

用各种细胞生长-抑制药物如紫衫醇治疗炎症响应，可提供一种预防或逆转动脉粥样硬化斑块的方法，类似于药物洗脱支架在预防再狭窄中发挥的作用。动脉粥样硬化的兔模型已展示了这种方法的例子。

编辑：王小茜