Atherosclerosis and endothelial mechanotransduction: current knowledge and models for future research

Keywords: atherosclerosis; endothelial cell glycocalyx; mechanotransduction; shear stress; stiffness.

動(dòng)脈粥樣硬化是一種進(jìn)行性血管疾病，其特征是脂質(zhì)或纖維元素聚集，導(dǎo)致形成易損和破裂的斑塊。研究表明，血管內(nèi)壁單層內(nèi)皮細(xì)胞（EC）功能障礙是動(dòng)脈粥樣硬化的主要原因。內(nèi)皮在調(diào)節(jié)血管功能方面起關(guān)鍵作用，包括血流、血管張力、選擇性屏障、止血和激素運(yùn)輸。具體來(lái)說(shuō)，它與血管系統(tǒng)中生物力學(xué)的機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)密切相關(guān)。血管壁剪切應(yīng)力和周向拉伸是血流施加的兩種生物力學(xué)力。同時(shí)，ECs 還具有血管壁細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）特征，例如剛度、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和空間排列。內(nèi)皮通過(guò)不同的轉(zhuǎn)導(dǎo)通路感知不同的機(jī)械線(xiàn)索，這些轉(zhuǎn)導(dǎo)通路涉及多種被認(rèn)為具有機(jī)械感覺(jué)能力的內(nèi)皮成分，例如內(nèi)皮糖萼（GCX）。機(jī)械環(huán)境的擾動(dòng)會(huì)使 GCX 的表達(dá)失調(diào)，最終導(dǎo)致 EC 功能障礙和動(dòng)脈粥樣硬化（圖1）。

圖1  動(dòng)脈粥樣硬化發(fā)展

內(nèi)皮細(xì)胞的行為受動(dòng)態(tài)血管環(huán)境的調(diào)節(jié)。血管壁主要暴露在均勻?qū)恿鳎?span style="font-family: 宋體, SimSun; font-size: 17px;">UF）中，這支持健康的內(nèi)皮（EC）行為。然而，血管分叉和彎曲會(huì)導(dǎo)致擾動(dòng)流（DF），從而導(dǎo)致 EC 層表現(xiàn)出易患病的行為。

迄今為止，主要通過(guò)使用體內(nèi)和體外模型模擬人類(lèi)疾病狀況來(lái)探索機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制在動(dòng)脈粥樣硬化進(jìn)展中的作用。盡管基于這些模型的重要研究結(jié)果豐富了對(duì)動(dòng)脈粥樣硬化的理解，但由于技術(shù)限制，單個(gè)模型仍然存在缺點(diǎn)。

基于此，美國(guó)東北大學(xué)化學(xué)工程系課題組的一篇綜述有選擇地重點(diǎn)討論了血管機(jī)械信號(hào)與不同內(nèi)皮細(xì)胞成分相關(guān)的機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑及其對(duì)動(dòng)脈粥樣硬化的貢獻(xiàn)。此外，還介紹了動(dòng)脈粥樣硬化的體內(nèi)和體外模型，同時(shí)提出潛在的進(jìn)展以及如何應(yīng)用它們來(lái)進(jìn)一步理解動(dòng)脈粥樣硬化相關(guān)的機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制。研究成果發(fā)表在 American Journal of Physiology-Cell Physiology 期刊題為“Atherosclerosis and endothelial mechanotransduction: current knowledge and models for future research”。

血管系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)環(huán)境，包含影響內(nèi)皮功能和相關(guān)血管健康的不同機(jī)械線(xiàn)索。血流對(duì)血管壁的內(nèi)表面施加剪切應(yīng)力，即切向摩擦力。剪切應(yīng)力的大小可以使用泊肅葉定律來(lái)確定，據(jù)報(bào)道，剪切應(yīng)力范圍為 1 dyn/cm2 至 70 dyn/cm2（0.1-7 kPa）。生理和病理性的剪切應(yīng)力水平取決于血管位置和該位置的組織需求。大多數(shù)血管壁都受到均勻水平和單向的剪切應(yīng)力，然而，剪切應(yīng)力水平紊亂和多向流動(dòng)可能發(fā)生在分叉和彎曲中，尤其是在大動(dòng)脈中，使這些區(qū)域的血管容易患病。

除了剪切應(yīng)力外，血液流動(dòng)會(huì)對(duì)血管施加一定的壓力向外壓縮 ECs。這種壓縮應(yīng)力稱(chēng)為血壓，是可變的，靜脈血管對(duì)應(yīng)于1.3 kPa，動(dòng)脈血管對(duì)應(yīng)于 16 kPa。在嚴(yán)重高血壓病例中，壓縮可為 27 kPa。

作用于 ECs 的另一種流體誘導(dǎo)應(yīng)力是由血流的脈動(dòng)性質(zhì)引起的循環(huán)拉伸力。據(jù)報(bào)道，由脈動(dòng)拉伸引起的應(yīng)變?yōu)?～0-15%，其中 0-10% 被認(rèn)為是生理應(yīng)變，大于 10% 被認(rèn)為是病理應(yīng)變。

除了血流施加的力外，ECs 的行為還受到作為其基底的血管壁基質(zhì)的剛度的影響。針對(duì)不同物種的試驗(yàn)報(bào)告稱(chēng)，健康血管的剛度在 2.5-5 kPa 范圍內(nèi)，病變動(dòng)脈的剛度大于 10 kPa。5 kPa 和 10 kPa 之間的剛度可能代表健康和疾病之間的過(guò)渡狀態(tài)。血管剛度從低幅度范圍（2.5 kPa）到高幅度的變化與血液脈沖波速度、剪切應(yīng)力和壓力的增加有關(guān)。此外，由于血管壁剛度可以改變 ECs 促炎粘附分子的表達(dá)并將其轉(zhuǎn)化為肥大，因此可以改變血管的幾何形狀。

另一個(gè)來(lái)自血管壁基質(zhì)并能影響 ECs 行為的物理線(xiàn)索是環(huán)境的形貌和空間排列。維管基膜具有網(wǎng)狀的纖維和氣孔結(jié)構(gòu)。根據(jù)血管的位置和功能，基質(zhì)剛度、纖維和孔隙的大小和排列不同。

迄今為止，EC 機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)研究領(lǐng)域主要研究 EC 如何感知和轉(zhuǎn)導(dǎo)剪切應(yīng)力。表 1 列出了一些關(guān)于剪切應(yīng)力對(duì) EC 行為影響的最新報(bào)告。以往研究都強(qiáng)調(diào)，EC 表現(xiàn)出不同的行為具體取決于它們是位于均勻流動(dòng)狀態(tài)還是處于擾動(dòng)流狀態(tài)。

表1    流動(dòng)剪切應(yīng)力對(duì)EC功能影響的體外研究

總結(jié)已發(fā)表的EC機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)文獻(xiàn)，ECs在施加剪切應(yīng)力1小時(shí)后開(kāi)始重組其細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)，當(dāng)血流均勻且長(zhǎng)期施加時(shí)，ECs變得細(xì)長(zhǎng)并沿流動(dòng)方向排列。當(dāng)受到均勻流動(dòng)刺激時(shí)，EC 伸長(zhǎng)率和取向取決于剪切應(yīng)力的大小，隨著剪切應(yīng)力的增加，EC 取向會(huì)延長(zhǎng)，直到剪切應(yīng)力達(dá)到最大值，超過(guò)該值后，伸長(zhǎng)率和取向響應(yīng)開(kāi)始反轉(zhuǎn)。研究還證實(shí)，通過(guò)激活抗動(dòng)脈粥樣硬化的關(guān)鍵調(diào)節(jié)因子內(nèi)皮一氧化氮合酶（eNOS）、轉(zhuǎn)錄因子核因子紅細(xì)胞2 相關(guān)因子2（Nrf2）和 Krüppel 樣因子2（KLF2），ECs 中的均勻血流誘導(dǎo)的細(xì)胞排列和其他抗動(dòng)脈粥樣硬化行為發(fā)生。此外，機(jī)械敏感的轉(zhuǎn)錄共激活因子 YAP（Yes 相關(guān)蛋白）和 TAZ（具有 PDZ 結(jié)合基序的轉(zhuǎn)錄共激活因子）在細(xì)胞質(zhì)而不是細(xì)胞核中的突出，以及 YAP/TAZ 復(fù)合物的失活，已被證明是 ECs 中抗動(dòng)脈粥樣硬化的信號(hào)（圖2 A）。

另一方面，在血流紊亂的條件下，ECs 表現(xiàn)出形態(tài)學(xué)、全細(xì)胞、蛋白質(zhì)、分子和遺傳表型，可觸發(fā)包括動(dòng)脈粥樣硬化在內(nèi)的各種血管病變（圖2 B）。ECs 由于粘附性增加和低密度脂蛋白（LDL）和單核細(xì)胞的募集而變得具有炎癥性，這些是參與動(dòng)脈粥樣硬化發(fā)展的早期作用因素。此外，當(dāng)暴露于體外擾流時(shí)，培養(yǎng)的 ECs 表現(xiàn)出活化和核定位的 YAP/TAZ，這也得到了動(dòng)物研究的支持。當(dāng)將易患動(dòng)脈粥樣硬化和血流紊亂的小鼠血管區(qū)域與抗動(dòng)脈粥樣硬化和均勻血流小鼠血管區(qū)域進(jìn)行比較時(shí)，發(fā)現(xiàn)血流受干擾的區(qū)域 YAP/TAZ 活性增加，相關(guān)基因上調(diào)。ECM 產(chǎn)生也受到干擾流的影響，并且可以加速 ECs 和鄰近血管平滑肌細(xì)胞的表型變化，進(jìn)一步促進(jìn)血管環(huán)境中的動(dòng)脈粥樣硬化形成。

除了擾動(dòng)流，過(guò)高的剪切應(yīng)力也是元兇。系統(tǒng)研究分析表明，冠狀動(dòng)脈中的高剪切應(yīng)力不僅與不良的 EC 行為相關(guān)，還與可能存在的動(dòng)脈壁重塑和斑塊易損性相關(guān)。同樣，使用光學(xué)相干斷層掃描，研究人員發(fā)現(xiàn)，在梗阻性病變情況下發(fā)生的高剪切應(yīng)力導(dǎo)致薄帽纖維粥樣硬化，這是易損斑塊的一個(gè)指標(biāo)。

除了上面提到的內(nèi)皮細(xì)胞的機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)研究，研究人員還研究了內(nèi)皮細(xì)胞的行為是如何受到其所在基質(zhì)剛度的影響的（圖2 A、B）。研究發(fā)現(xiàn)，將 EC 單層放置在各種剛度的膠原包被聚丙烯酰胺水凝膠上，EC 在最高剛度的水凝膠上表現(xiàn)出較強(qiáng)牽引力。

圖2   健康與易患病環(huán)境中的內(nèi)皮細(xì)胞。

（A）在健康（動(dòng)脈粥樣硬化保護(hù)）環(huán)境中，ECs 暴露于均勻血流（UF）和剛度在 2.5-5 kPa 之間的基底膜中。在這種情況下，ECs 表達(dá)基因和蛋白質(zhì)以維持其抗炎、抗增殖和抗血栓形成表型。（B）在易患?。ㄒ讋?dòng)脈粥樣硬化）情況下，ECs 暴露于擾流（DF）和/或堅(jiān)硬的基底膜（>10 kPa）。這種情況導(dǎo)致 ECs 表達(dá)與促炎、增殖和促血栓形成表型相關(guān)的基因和蛋白。

對(duì)于生態(tài)位中改變 EC 行為的機(jī)械和物理線(xiàn)索，ECs 依賴(lài)于機(jī)械感受器和機(jī)械傳感器，它們通過(guò)蛋白質(zhì)構(gòu)象改變、蛋白質(zhì)運(yùn)輸、蛋白質(zhì)修飾和其他途徑協(xié)同將施加的力轉(zhuǎn)換為生化信號(hào)。圖3 中描述了許多傳感器。

圖3  內(nèi)皮細(xì)胞機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)結(jié)構(gòu)示例。

（A）一些主要的腔內(nèi)機(jī)械傳感器。（B）G 蛋白偶聯(lián)受體（GPCRs）是血流誘導(dǎo)擴(kuò)張所必需的。（C）離子通道是一個(gè)大家族，參與快速信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。這是一個(gè)暴露于均勻流動(dòng)（UF）的 EC 中離子通道參與 Ca2+ 內(nèi)流和內(nèi)皮一氧化氮合酶（eNOS）激活的示例。（D）小窩是細(xì)胞膜表面特化的內(nèi)陷囊泡，其表達(dá)與勻流（UF）條件下的 EC 遷移有關(guān)。（E）細(xì)胞間連接。（F）VE-鈣粘蛋白是一種機(jī)械敏感的細(xì)胞間連接復(fù)合物，負(fù)責(zé)細(xì)胞在響應(yīng)流動(dòng)時(shí)的定向。在 DF 下，VE-鈣粘蛋白磷酸化啟動(dòng)一系列活性，最終導(dǎo)致纖連蛋白沉積和促炎性 EC 表型。（G）血小板-EC 粘附分子1（PECAM-1）作為粘附分子是快速響應(yīng)的機(jī)械傳感器之一。PECAM-1 中的張力會(huì)激活整體整合素并促進(jìn)炎癥。PECAM-1 的缺失會(huì)減少擾動(dòng)流（DF）下的血管壁增厚。（H）主要的基礎(chǔ)機(jī)械傳感器。（I）整合素促進(jìn) EC 與其環(huán)境的相互作用。它們參與感應(yīng)流體衍生和基質(zhì)衍生的力。在 DF 條件下，整合素易位到脂筏，并幫助調(diào)節(jié) EC 從抗炎表型到促炎表型的轉(zhuǎn)換。剛性底物上的整合素還促進(jìn) EC 轉(zhuǎn)變?yōu)榇傺妆硇?，從而允許單核細(xì)胞跨 EC 層遷移。

由于認(rèn)識(shí)到動(dòng)脈粥樣硬化與紊亂血流（以低剪切應(yīng)力和振蕩剪切應(yīng)力為特征）之間密切關(guān)聯(lián)，人們已經(jīng)開(kāi)發(fā)了動(dòng)物模型來(lái)研究局部血流動(dòng)力學(xué)紊亂導(dǎo)致 EC 功能障礙和相關(guān)疾病進(jìn)展的機(jī)制。具體來(lái)說(shuō)，研究人員通過(guò)手術(shù)重建了血管結(jié)構(gòu)，以誘導(dǎo)急性病理血流模式和剪切應(yīng)力水平（圖4 A）。同時(shí)，為了解決動(dòng)物模型帶來(lái)的局限性，科研人員也致力于開(kāi)發(fā)人類(lèi)細(xì)胞培養(yǎng)模型，這些模型概括了生理和病理環(huán)境，以便更好地監(jiān)測(cè) EC 機(jī)械反應(yīng)（圖4 B）。

圖4  （A）用于研究局部血流動(dòng)力學(xué)的動(dòng)物模型已經(jīng)通過(guò)手術(shù)操作血管實(shí)現(xiàn)：i：一種稱(chēng)為動(dòng)靜脈（AV）瘺的方法，將動(dòng)脈直接連接到靜脈以改變剪切應(yīng)力和流速。ii：全部結(jié)扎和部分結(jié)扎模型分別在分叉之前或之后的位置阻塞動(dòng)脈，以分別將血流速度降低到與從零到低流量的流速相關(guān)的水平。iii：采用血管周?chē)b置突然減小血管直徑并產(chǎn)生流量參數(shù)梯度。（B）用于研究?jī)?nèi)皮機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)的細(xì)胞模型：i：幾種體外方法，包括平行板流動(dòng)室和由固定板和旋轉(zhuǎn)錐組成的系統(tǒng)，用于模擬體內(nèi)剪切應(yīng)力條件。ii：在健康和易患病的情況下，采用具有不同剛度級(jí)別的水凝膠來(lái)模擬血管細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）施加于內(nèi)皮細(xì)胞（EC）的固態(tài)力。iii：微流體裝置已被引入以同時(shí)產(chǎn)生流體衍生和 ECM 衍生的力，并研究它們對(duì) EC 的影響。

內(nèi)皮健康對(duì)于調(diào)節(jié)生理血管功能至關(guān)重要。由于內(nèi)皮細(xì)胞在局部血管環(huán)境中感知和轉(zhuǎn)導(dǎo)化學(xué)和機(jī)械信號(hào)的關(guān)鍵能力，它們的功能障礙與多種血管疾病和損傷有關(guān)，尤其是動(dòng)脈粥樣硬化和隨后的心血管疾病。這篇綜述描述了通過(guò) ECs 介導(dǎo)的機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)事件、涉及的 EC 亞細(xì)胞成分以及據(jù)報(bào)道可能參與的通路，還討論了涉及體內(nèi)動(dòng)物模型和體外仿生模型的最新研究工作，以幫助開(kāi)發(fā)針對(duì)動(dòng)脈粥樣硬化和相關(guān)心血管疾病的新療法。

參考文獻(xiàn)：Hamrangsekachaee M, Wen K, Bencherif SA, Ebong EE. Atherosclerosis and endothelial mechanotransduction: current knowledge and models for future research. Am J Physiol Cell Physiol. 2023 Feb 1;324(2):C488-C504. doi: 10.1152/ajpcell.00449.2022. Epub 2022 Nov 28. PMID: 36440856; PMCID: PMC10069965.

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