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拉伸幅度增加的人類內皮細胞（ECs）有多重有利效果，如減少氧化應激、增強內皮屏障功能、緩解炎癥反應以及改善離子穩態。研究表明，利用生理模型模擬持續暴露于單向血流（層流剪切應力，LSS）的體內狀態，EMPA能有效減少被TNF-α刺激的人類冠狀動脈內皮細胞（HCAECs）中活性氧（ROS）的產生，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過度產生的抑制作用是通過抑制鈉-氫交換體1（NHE1）相關的鈉內流（[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Ca2+ 積累從而削弱ROS生成。這些發現表明，EMPA主要通過調節離子穩態來調節內皮氧化應激。雖然EMPA在LSS下的保護作用已被充分確立，但其對振蕩剪切應力（OSS）下內皮功能的影響尚不明確。

動脈粥樣硬化區域、主動脈弓及其分支以及圍手術期的血流紊亂會對內皮細胞施加OSS。OSS通過增加細胞骨架張力并增強血管內皮（VE）-鈣黏蛋白的磷酸化，破壞內皮屏障的完整性。此外，OSS通過激活NOXs、ERK1/2、NF-κB信號傳導誘導氧化應激和炎癥。OSS下的炎癥反應還通過ICAM-1的上調促進單核細胞粘附和跨內皮遷移，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+ 內流在內皮細胞對剪切應力的反應中起關鍵作用。在LSS下，激活 Piezo1促進適度的Ca2+ 流入，促進NO的產生和維持內皮穩態。然而，OSS下過度的Piezo1激活會導致細胞內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，破壞內皮連接。考慮到細胞內Ca2+ 和ROS生成之間的相互作用，目前尚不清楚EMPA是通過 Piezo1調節還是通過其他機制（如NHE1/NCX途徑）減輕OSS誘導的內皮功能障礙。

近日，荷蘭阿姆斯特丹大學醫學中心心血管科學研究所聯合麻醉學部門成員在一項研究中假設EMPA通過減少ROS產生、維持VE-cadherin完整性并抑制炎癥反應，緩解OSS誘導的內皮功能障礙。為了研究EMPA在生理和病理相關剪切應力下的內皮效應，采用體外流動模型和離體小鼠主動脈免疫染色，特別關注主動脈弓，并旨在確定潛在保護效果是通過抑制 Piezo1 還是通過調控NHE1/NCX軸介導的。研究成果發表于 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產生，而EMPA阻止了這一效應（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的產生和 NO 的生物利用度。此外，還進行了Ca2+ 測量，以研究細胞內Ca2+ 對流動下EMPA抗氧化作用的參與。結果表明，與 LSS 相比，OSS 增加了細胞內Ca2+，這種效應被EMPA降低（圖1 c–d）。鈣螯合劑BAPTA-AMwanquan降低了OSS觸發的ROS生成，與EMPA聯合使用未增強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（即血流紊亂易發區）內皮細胞顯示超氧化物歧化酶1（SOD1）表達減少，與EMPA體外培養后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激，這強烈支持體外條件下的研究發現。

圖2    EMPA可降低離體主動脈氧化應激。

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產生。與EMPA聯合使用時，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的產生。然而，EMPA和敲低Piezo1的組合對OSS誘導的ROS產生沒有影響。這些數據表明，EMPA通過抑制NHE1/NCX軸減少Ca2+ 相關ROS的產生。

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均未調節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（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（圖4 a-b）。此外，EMPA抑制OSS下THP-1來源的巨噬細胞通過HCAECs 的轉運（圖4 c- e）。Infra-red Western blot顯示，EMPA逆轉了受OSS影響的ECs中ERK1/2磷酸化的增加（圖4 f）。這些數據表明，EMPA抑制HCAECs中OSS引起的炎癥反應。

最后，為了測試ROS生成與EC保護之間的因果關系，使用抗氧化劑NAC，發現對 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并未表現出更強的ROS清除效應。

單用NAC及聯合EMPA均顯著減少了 ECs細胞間隙形成。NAC單用及NAC與EMPA聯合處理也有效降低了VE-鈣粘蛋白和SFK的磷酸化水平，但其聯合處理并未進一步抑制細胞內間隙形成或VE-鈣粘蛋白和SFK的磷酸化。NAC的應用未調節OSS 下HCAECs的VE-cadherin表達。雖然NAC和EMPA聯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。這些數據表明，EMPA對OSS下HCAECs的內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。

圖5 血流紊亂下潛在的內皮保護作用。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，以及單核細胞轉運升高。EMPA對暴露于OSS的ECs表現出良好效果，表現為HCAECs中ROS生成減少、細胞內Ca2+ 減少、內皮屏障完整性增強以及緩解炎癥反應。EMPA在血流下的抗氧化作用由NHE1/NCX/Ca2+軸介導。OSS下HCAECs內EMPA抑制ROS生成有助于增強屏障功能，但對炎癥反應影響有限。

總之，該研究表明，EMPA通過NHE1/NCX通路減少細胞內Ca2+ 和ROS的產生，從而緩解OSS引起的內皮功能障礙。EMPA還能維持VE-cadherin的完整性并抑制內皮炎癥，其中ROS抑制在屏障保護中起關鍵作用，但在ICAM-1調控中則無效。研究發現加深了對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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