動脈心血管系統(tǒng)由管腔內(nèi)皮層組成，該內(nèi)皮層通過響應和傳遞機械、旁分泌和內(nèi)分泌刺激循環(huán)巨噬細胞和底層的平滑肌細胞（SMCs），對血管健康至關重要。因此，維持內(nèi)皮健康對于血管功能系統(tǒng)至關重要。然而，促炎刺激會促進內(nèi)皮功能障礙，通過協(xié)調(diào)巨噬細胞跨內(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，巨噬細胞從M1表型極化到M2表型，最終形成促炎泡沫細胞，與內(nèi)皮源性炎癥介質(zhì)協(xié)同作用，促進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，局部血流動力學在內(nèi)皮細胞（ECs）中引發(fā)機械信號傳導事件。因此，盡管每種細胞類型在血管健康中都起著重要作用，但內(nèi)皮細胞的機械力學生物學被假設為組織動脈粥樣硬化病灶性質(zhì)的重要細胞類型。美國加州大學圣地亞哥分校醫(yī)學系、斯坦福大學醫(yī)學院兒科等專家學者對此領域進行了相關探索與討論。

內(nèi)皮細胞是機械傳感器，對局部血流模式引起的物理力作出反應。脈動剪切應力（PS）發(fā)生在血管的直線區(qū)域，具有單向性。PS促進EC穩(wěn)態(tài)和血管健康。相比之下，振蕩剪切應力（OS）與發(fā)生在血管彎曲或分叉處的擾動流動模式有關。OS誘發(fā)局部炎癥環(huán)境，促進特定部位動脈粥樣硬化的起始和進展。這些局部剪切應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)，研究了剪切應力對應力纖維取向和細胞內(nèi)流變性的影響。研究結(jié)果表明，PS引起細胞骨架纖維，如肌動蛋白，微管蛋白和中間細絲等，以及蠕變的細胞內(nèi)流變參數(shù)與細胞軸和流動方向一致。這些結(jié)果導致了機械刺激方向性調(diào)節(jié)EC組織狀態(tài)和功能的新概念的提出。為了驗證和補充這些體外研究，該團隊進行了體內(nèi)動物實驗，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性血流與OS和動脈粥樣硬化傾向性血流的關系（圖1 c）。部分結(jié)扎（PL）的其他動物模型包括手術結(jié)扎頸總動脈的三個分支，以誘導收縮，從而改變流動模式，從保護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   研究剪切應力對內(nèi)皮細胞影響的技術

（a）圖表說明了用于體外將PS或OS應用于ECs的可灌注流動系統(tǒng)。（b）灌注系統(tǒng)施加剪切應力，脈動方向為 12 ± 4 dynes/cm2，最小大小為 0.5 ± 4 dynes/cm2。（c）用主動脈弓標注的主動脈，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)用于研究剪切應力時空調(diào)節(jié)機械傳感器、信號分子和基因調(diào)控影響EC表型的過程。這導致了膜脂質(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機械轉(zhuǎn)導中的作用。但是，機械轉(zhuǎn)導誘導的EC通路的范圍遠遠超出了剪切應力對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制，包括剪切應力調(diào)節(jié)EC轉(zhuǎn)錄反應的機制。

其中，一個重要的通路是PS誘導的KLF2和KLF4，它們是PS誘導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，進而磷酸化并激活Ser-633和Ser-1177位點的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 還通過激活肌細胞增強因子2（MEF2）表達增加KLF2的轉(zhuǎn)錄表達。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作用（圖2 a）。

動脈粥樣硬化的一個標志是泡沫細胞在血管壁中的積聚。在OS條件下，ECs單核細胞趨化蛋白1（MCP1）的表達增加。MCP1募集單核細胞到血管壁，在那里它們浸潤內(nèi)皮下間隙并分化為巨噬細胞，巨噬細胞清除氧化脂質(zhì)形成泡沫細胞。許多其他促炎信號通路都是由OS誘導，包括NFκB通路及其下游靶點 VCAM-1（圖2 b）。這些通路在致動脈粥樣硬化環(huán)境中達到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基因的關鍵轉(zhuǎn)錄因子，在OS下上調(diào)。在生理條件下，細胞內(nèi)高甾醇濃度抑制 SREBP 介導的膽固醇產(chǎn)生。然而，在OS條件下，SREBP 進行持續(xù)激活。這表明，上游機械傳感器（如整合素）可能促進脂質(zhì)在 ECs中的積聚，而與細胞內(nèi)甾醇濃度無關（圖2 b）。此外 SREBP2 通過激活核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構域樣受體蛋白3（NLRP3）炎癥小體，以及促進TNF-α受體相關轉(zhuǎn)錄因子相互作用蛋白與叉頭相關結(jié)構域（TIFA）的轉(zhuǎn)錄，TIFA 是NLRP3炎癥小體誘導的關鍵介質(zhì)，與EC先天免疫反應相關（圖2 b）。因此，OS激活的SREBP2增強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增殖促進動脈粥樣硬化形成表型。

Yes相關蛋白（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誘導的EC增殖有關。利用模擬體內(nèi)OS的頸動脈部分結(jié)扎（PL）模型，71例實驗表明YAP/TAZ在血流擾動下被激活。此外，OS上調(diào)細胞周期調(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   剪切應力對內(nèi)皮的影響

（a）PS對ECs影響的網(wǎng)絡示意圖。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作用。KLF2通過轉(zhuǎn)錄誘導ITPR3、LEENE和LINC00341發(fā)揮類似的動脈粥樣硬化保護作用。這些靶點的活性被調(diào)節(jié)以增強線粒體的生物發(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)絡示意圖。OS激活SREBP2，YAP / TAZ和NF-κB，共同損害EC穩(wěn)態(tài)，并增強EC炎癥和增殖。

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

參考文獻：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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