動脈心血管系統(tǒng)由管腔內(nèi)皮層組成，該內(nèi)皮層通過響應(yīng)和傳遞機(jī)械、旁分泌和內(nèi)分泌刺激循環(huán)巨噬細(xì)胞和底層的平滑肌細(xì)胞（SMCs），對血管健康至關(guān)重要。因此，維持內(nèi)皮健康對于血管功能系統(tǒng)至關(guān)重要。然而，促炎刺激會促進(jìn)內(nèi)皮功能障礙，通過協(xié)調(diào)巨噬細(xì)胞跨內(nèi)皮遷移到血管壁，從而引發(fā)動脈粥樣硬化。在遷移過程中，巨噬細(xì)胞從M1表型極化到M2表型，最終形成促炎泡沫細(xì)胞，與內(nèi)皮源性炎癥介質(zhì)協(xié)同作用，促進(jìn)SMC增殖。最終，這些事件引起血管床損傷和動脈粥樣硬化病變形成。

這些發(fā)現(xiàn)表明，除了全身刺激，局部血流動力學(xué)在內(nèi)皮細(xì)胞（ECs）中引發(fā)機(jī)械信號傳導(dǎo)事件。因此，盡管每種細(xì)胞類型在血管健康中都起著重要作用，但內(nèi)皮細(xì)胞的機(jī)械力學(xué)生物學(xué)被假設(shè)為組織動脈粥樣硬化病灶性質(zhì)的重要細(xì)胞類型。美國加州大學(xué)圣地亞哥分校醫(yī)學(xué)系、斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院兒科等專家學(xué)者對此領(lǐng)域進(jìn)行了相關(guān)探索與討論。

內(nèi)皮細(xì)胞是機(jī)械傳感器，對局部血流模式引起的物理力作出反應(yīng)。脈動剪切應(yīng)力（PS）發(fā)生在血管的直線區(qū)域，具有單向性。PS促進(jìn)EC穩(wěn)態(tài)和血管健康。相比之下，振蕩剪切應(yīng)力（OS）與發(fā)生在血管彎曲或分叉處的擾動流動模式有關(guān)。OS誘發(fā)局部炎癥環(huán)境，促進(jìn)特定部位動脈粥樣硬化的起始和進(jìn)展。這些局部剪切應(yīng)力模式可以使用平行平板系統(tǒng)在體外建模（圖1 a）。在這個系統(tǒng)中，ECs被鍍在玻璃載玻片上作為融合的單層。在載玻片之間放置一個墊圈以形成具有入口和出口的腔室，用于培養(yǎng)基的流動，從而創(chuàng)建具有調(diào)節(jié)流速（例如，12 ± 4 dynes/cm2的PS 和 0.5 ± 4 dynes/cm2 的OS）的灌注系統(tǒng)，類似于人體生理條件（圖1 b）。

利用該系統(tǒng)，研究了剪切應(yīng)力對應(yīng)力纖維取向和細(xì)胞內(nèi)流變性的影響。研究結(jié)果表明，PS引起細(xì)胞骨架纖維，如肌動蛋白，微管蛋白和中間細(xì)絲等，以及蠕變的細(xì)胞內(nèi)流變參數(shù)與細(xì)胞軸和流動方向一致。這些結(jié)果導(dǎo)致了機(jī)械刺激方向性調(diào)節(jié)EC組織狀態(tài)和功能的新概念的提出。為了驗(yàn)證和補(bǔ)充這些體外研究，該團(tuán)隊進(jìn)行了體內(nèi)動物實(shí)驗(yàn)，通過比較胸主動脈和主動脈弓，分別研究了PS和動脈粥樣硬化保護(hù)性血流與OS和動脈粥樣硬化傾向性血流的關(guān)系（圖1 c）。部分結(jié)扎（PL）的其他動物模型包括手術(shù)結(jié)扎頸總動脈的三個分支，以誘導(dǎo)收縮，從而改變流動模式，從保護(hù)動脈粥樣硬化的流向轉(zhuǎn)變?yōu)閮A向于動脈粥樣硬化的流動模式。

圖1   研究剪切應(yīng)力對內(nèi)皮細(xì)胞影響的技術(shù)

（a）圖表說明了用于體外將PS或OS應(yīng)用于ECs的可灌注流動系統(tǒng)。（b）灌注系統(tǒng)施加剪切應(yīng)力，脈動方向?yàn)?nbsp;12 ± 4 dynes/cm2，最小大小為 0.5 ± 4 dynes/cm2。（c）用主動脈弓標(biāo)注的主動脈，該區(qū)域以OS模擬的擾動流動模式為特征，胸主動脈以PS模擬的層流模式為特征。

體外和體內(nèi)系統(tǒng)用于研究剪切應(yīng)力時空調(diào)節(jié)機(jī)械傳感器、信號分子和基因調(diào)控影響EC表型的過程。這導(dǎo)致了膜脂質(zhì)和蛋白質(zhì)，如受體酪氨酸激酶、連接蛋白、粘附蛋白、離子通道、G蛋白偶聯(lián)受體以及整合素在流動誘導(dǎo)機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)中的作用。但是，機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)誘導(dǎo)的EC通路的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了剪切應(yīng)力對EC膜，包括銜接蛋白、轉(zhuǎn)錄因子、受體、激酶、連接蛋白和粘附分子等的影響。在這些通路中，該小組合作研究了部分機(jī)制，包括剪切應(yīng)力調(diào)節(jié)EC轉(zhuǎn)錄反應(yīng)的機(jī)制。

其中，一個重要的通路是PS誘導(dǎo)的KLF2和KLF4，它們是PS誘導(dǎo)EC功能的重要轉(zhuǎn)錄 因子，部分通過轉(zhuǎn)錄激活內(nèi)皮型一氧化氮合酶（eNOS）。eNOS 的合成由ECs分泌的一氧化氮（NO），以促進(jìn)血管舒張。后續(xù)研究表明，AMP活化蛋白激酶（AMPK）在 PS下受到刺激，進(jìn)而磷酸化并激活Ser-633和Ser-1177位點(diǎn)的eNOS。這種磷酸化狀態(tài)引發(fā) eNOS用于SIRT1的脫鏈，從而提高NO的生物利用度。AMPK 還通過激活肌細(xì)胞增強(qiáng)因子2（MEF2）表達(dá)增加KLF2的轉(zhuǎn)錄表達(dá)。這在一定程度上解釋了為什么AMPK激活劑，如二甲雙胍和他汀類藥物，對動脈粥樣硬化具有保護(hù)作用（圖2 a）。

動脈粥樣硬化的一個標(biāo)志是泡沫細(xì)胞在血管壁中的積聚。在OS條件下，ECs單核細(xì)胞趨化蛋白1（MCP1）的表達(dá)增加。MCP1募集單核細(xì)胞到血管壁，在那里它們浸潤內(nèi)皮下間隙并分化為巨噬細(xì)胞，巨噬細(xì)胞清除氧化脂質(zhì)形成泡沫細(xì)胞。許多其他促炎信號通路都是由OS誘導(dǎo)，包括NFκB通路及其下游靶點(diǎn) VCAM-1（圖2 b）。這些通路在致動脈粥樣硬化環(huán)境中達(dá)到ding峰。

OS也影響EC脂質(zhì)代謝。甾醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白（SREBP）1 和2，是激活膽固醇生物合成和攝取相關(guān)基因的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子，在OS下上調(diào)。在生理條件下，細(xì)胞內(nèi)高甾醇濃度抑制 SREBP 介導(dǎo)的膽固醇產(chǎn)生。然而，在OS條件下，SREBP 進(jìn)行持續(xù)激活。這表明，上游機(jī)械傳感器（如整合素）可能促進(jìn)脂質(zhì)在 ECs中的積聚，而與細(xì)胞內(nèi)甾醇濃度無關(guān)（圖2 b）。此外 SREBP2 通過激活核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白3（NLRP3）炎癥小體，以及促進(jìn)TNF-α受體相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子相互作用蛋白與叉頭相關(guān)結(jié)構(gòu)域（TIFA）的轉(zhuǎn)錄，TIFA 是NLRP3炎癥小體誘導(dǎo)的關(guān)鍵介質(zhì)，與EC先天免疫反應(yīng)相關(guān)（圖2 b）。因此，OS激活的SREBP2增強(qiáng)了未解決的炎癥的惡性循環(huán)。除了這些炎癥作用外，OS通過增加EC增殖促進(jìn)動脈粥樣硬化形成表型。

Yes相關(guān)蛋白（YAP）和具有PDZ結(jié)合基序的轉(zhuǎn)錄輔激活子（TAZ）是調(diào)節(jié)器官大小和癌癥發(fā)展的轉(zhuǎn)錄激活因子，與OS誘導(dǎo)的EC增殖有關(guān)。利用模擬體內(nèi)OS的頸動脈部分結(jié)扎（PL）模型，71例實(shí)驗(yàn)表明YAP/TAZ在血流擾動下被激活。此外，OS上調(diào)細(xì)胞周期調(diào)節(jié)基因和炎癥基因，以YAP依賴性方式。在PL模型中，使用嗎啉抑制YAP可減弱動脈粥樣硬化的發(fā)展（圖2 b）。

圖2   剪切應(yīng)力對內(nèi)皮的影響

（a）PS對ECs影響的網(wǎng)絡(luò)示意圖。PS激活AMPK、KLF2和KLF4。AMPK通過磷酸化DNMT1、RBBP7、HAT1、YAP/TAZ、PARP1、NCL和皮質(zhì)激素，起到動脈粥樣硬化保護(hù)作用。KLF2通過轉(zhuǎn)錄誘導(dǎo)ITPR3、LEENE和LINC00341發(fā)揮類似的動脈粥樣硬化保護(hù)作用。這些靶點(diǎn)的活性被調(diào)節(jié)以增強(qiáng)線粒體的生物發(fā)生和功能，增加eNOS衍生的NO生物利用度，并減少EC增殖和炎癥。（b）OS對ECs影響的網(wǎng)絡(luò)示意圖。OS激活SREBP2，YAP / TAZ和NF-κB，共同損害EC穩(wěn)態(tài)，并增強(qiáng)EC炎癥和增殖。

綜上所述，這些研究確定了由血流模式誘導(dǎo)的機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)在決定動脈粥樣硬化或動脈粥樣保護(hù)EC表型中起著重要作用。因此，PS 通過抑制EC炎癥、增殖和遷移來保護(hù)動脈粥樣硬化,而OS具有相反的效果。

參考文獻(xiàn)：He M, Martin M, Marin T, Chen Z, Gongol B. Endothelial mechanobiology. APL Bioeng. 2020 Feb 20;4(1):010904. doi: 10.1063/1.5129563. PMID: 32095737; PMCID: PMC7032971.

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