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

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

動脈粥樣硬化是一種進行性血管疾病，其特征是脂質或纖維元素聚集，導致形成易損和破裂的斑塊。研究表明，血管內壁單層內皮細胞（EC）功能障礙是動脈粥樣硬化的主要原因。內皮在調節血管功能方面起關鍵作用，包括血流、血管張力、選擇性屏障、止血和激素運輸。具體來說，它與血管系統中生物力學的機械轉導密切相關。血管壁剪切應力和周向拉伸是血流施加的兩種生物力學力。同時，ECs 還具有血管壁細胞外基質（ECM）特征，例如剛度、拓撲結構和空間排列。內皮通過不同的轉導通路感知不同的機械線索，這些轉導通路涉及多種被認為具有機械感覺能力的內皮成分，例如內皮糖萼（GCX）。機械環境的擾動會使 GCX 的表達失調，最終導致 EC 功能障礙和動脈粥樣硬化（圖1）。

圖1  動脈粥樣硬化發展

內皮細胞的行為受動態血管環境的調節。血管壁主要暴露在均勻層流（UF）中，這支持健康的內皮（EC）行為。然而，血管分叉和彎曲會導致擾動流（DF），從而導致 EC 層表現出易患病的行為。

迄今為止，主要通過使用體內和體外模型模擬人類疾病狀況來探索機械轉導機制在動脈粥樣硬化進展中的作用。盡管基于這些模型的重要研究結果豐富了對動脈粥樣硬化的理解，但由于技術限制，單個模型仍然存在缺點。

基于此，美國東北大學化學工程系課題組的一篇綜述有選擇地重點討論了血管機械信號與不同內皮細胞成分相關的機械轉導途徑及其對動脈粥樣硬化的貢獻。此外，還介紹了動脈粥樣硬化的體內和體外模型，同時提出潛在的進展以及如何應用它們來進一步理解動脈粥樣硬化相關的機械轉導機制。研究成果發表在 American Journal of Physiology-Cell Physiology 期刊題為“Atherosclerosis and endothelial mechanotransduction: current knowledge and models for future research”。

血管系統是一個動態環境，包含影響內皮功能和相關血管健康的不同機械線索。血流對血管壁的內表面施加剪切應力，即切向摩擦力。剪切應力的大小可以使用泊肅葉定律來確定，據報道，剪切應力范圍為 1 dyn/cm2 至 70 dyn/cm2（0.1-7 kPa）。生理和病理性的剪切應力水平取決于血管位置和該位置的組織需求。大多數血管壁都受到均勻水平和單向的剪切應力，然而，剪切應力水平紊亂和多向流動可能發生在分叉和彎曲中，尤其是在大動脈中，使這些區域的血管容易患病。

除了剪切應力外，血液流動會對血管施加一定的壓力向外壓縮 ECs。這種壓縮應力稱為血壓，是可變的，靜脈血管對應于1.3 kPa，動脈血管對應于 16 kPa。在嚴重高血壓病例中，壓縮可為 27 kPa。

作用于 ECs 的另一種流體誘導應力是由血流的脈動性質引起的循環拉伸力。據報道，由脈動拉伸引起的應變為 ～0-15%，其中 0-10% 被認為是生理應變，大于 10% 被認為是病理應變。

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的剛度的影響。針對不同物種的試驗報告稱，健康血管的剛度在 2.5-5 kPa 范圍內，病變動脈的剛度大于 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渡狀態。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、剪切應力和壓力的增加有關。此外，由于血管壁剛度可以改變 ECs 促炎粘附分子的表達并將其轉化為肥大，因此可以改變血管的幾何形狀。

另一個來自血管壁基質并能影響 ECs 行為的物理線索是環境的形貌和空間排列。維管基膜具有網狀的纖維和氣孔結構。根據血管的位置和功能，基質剛度、纖維和孔隙的大小和排列不同。

迄今為止，EC 機械轉導研究領域主要研究 EC 如何感知和轉導剪切應力。表 1 列出了一些關于剪切應力對 EC 行為影響的最新報告。以往研究都強調，EC 表現出不同的行為具體取決于它們是位于均勻流動狀態還是處于擾動流狀態。

表1    流動剪切應力對EC功能影響的體外研究

總結已發表的EC機械轉導文獻，ECs在施加剪切應力1小時后開始重組其細胞骨架結構，當血流均勻且長期施加時，ECs變得細長并沿流動方向排列。當受到均勻流動刺激時，EC 伸長率和取向取決于剪切應力的大小，隨著剪切應力的增加，EC 取向會延長，直到剪切應力達到最大值，超過該值后，伸長率和取向響應開始反轉。研究還證實，通過激活抗動脈粥樣硬化的關鍵調節因子內皮一氧化氮合酶（eNOS）、轉錄因子核因子紅細胞2 相關因子2（Nrf2）和 Krüppel 樣因子2（KLF2），ECs 中的均勻血流誘導的細胞排列和其他抗動脈粥樣硬化行為發生。此外，機械敏感的轉錄共激活因子 YAP（Yes 相關蛋白）和 TAZ（具有 PDZ 結合基序的轉錄共激活因子）在細胞質而不是細胞核中的突出，以及 YAP/TAZ 復合物的失活，已被證明是 ECs 中抗動脈粥樣硬化的信號（圖2 A）。

另一方面，在血流紊亂的條件下，ECs 表現出形態學、全細胞、蛋白質、分子和遺傳表型，可觸發包括動脈粥樣硬化在內的各種血管病變（圖2 B）。ECs 由于粘附性增加和低密度脂蛋白（LDL）和單核細胞的募集而變得具有炎癥性，這些是參與動脈粥樣硬化發展的早期作用因素。此外，當暴露于體外擾流時，培養的 ECs 表現出活化和核定位的 YAP/TAZ，這也得到了動物研究的支持。當將易患動脈粥樣硬化和血流紊亂的小鼠血管區域與抗動脈粥樣硬化和均勻血流小鼠血管區域進行比較時，發現血流受干擾的區域 YAP/TAZ 活性增加，相關基因上調。ECM 產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胞的表型變化，進一步促進血管環境中的動脈粥樣硬化形成。

除了擾動流，過高的剪切應力也是元兇。系統研究分析表明，冠狀動脈中的高剪切應力不僅與不良的 EC 行為相關，還與可能存在的動脈壁重塑和斑塊易損性相關。同樣，使用光學相干斷層掃描，研究人員發現，在梗阻性病變情況下發生的高剪切應力導致薄帽纖維粥樣硬化，這是易損斑塊的一個指標。

除了上面提到的內皮細胞的機械轉導研究，研究人員還研究了內皮細胞的行為是如何受到其所在基質剛度的影響的（圖2 A、B）。研究發現，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出較強牽引力。

圖2   健康與易患病環境中的內皮細胞。

（A）在健康（動脈粥樣硬化保護）環境中，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 表達基因和蛋白質以維持其抗炎、抗增殖和抗血栓形成表型。（B）在易患病（易動脈粥樣硬化）情況下，ECs 暴露于擾流（DF）和/或堅硬的基底膜（>10 kPa）。這種情況導致 ECs 表達與促炎、增殖和促血栓形成表型相關的基因和蛋白。

對于生態位中改變 EC 行為的機械和物理線索，ECs 依賴于機械感受器和機械傳感器，它們通過蛋白質構象改變、蛋白質運輸、蛋白質修飾和其他途徑協同將施加的力轉換為生化信號。圖3 中描述了許多傳感器。

圖3  內皮細胞機械轉導結構示例。

（A）一些主要的腔內機械傳感器。（B）G 蛋白偶聯受體（GPCRs）是血流誘導擴張所必需的。（C）離子通道是一個大家族，參與快速信號轉導。這是一個暴露于均勻流動（UF）的 EC 中離子通道參與 Ca2+ 內流和內皮一氧化氮合酶（eNOS）激活的示例。（D）小窩是細胞膜表面特化的內陷囊泡，其表達與勻流（UF）條件下的 EC 遷移有關。（E）細胞間連接。（F）VE-鈣粘蛋白是一種機械敏感的細胞間連接復合物，負責細胞在響應流動時的定向。在 DF 下，VE-鈣粘蛋白磷酸化啟動一系列活性，最終導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的機械傳感器之一。PECAM-1 中的張力會激活整體整合素并促進炎癥。PECAM-1 的缺失會減少擾動流（DF）下的血管壁增厚。（H）主要的基礎機械傳感器。（I）整合素促進 EC 與其環境的相互作用。它們參與感應流體衍生和基質衍生的力。在 DF 條件下，整合素易位到脂筏，并幫助調節 EC 從抗炎表型到促炎表型的轉換。剛性底物上的整合素還促進 EC 轉變為促炎表型，從而允許單核細胞跨 EC 層遷移。

由于認識到動脈粥樣硬化與紊亂血流（以低剪切應力和振蕩剪切應力為特征）之間密切關聯，人們已經開發了動物模型來研究局部血流動力學紊亂導致 EC 功能障礙和相關疾病進展的機制。具體來說，研究人員通過手術重建了血管結構，以誘導急性病理血流模式和剪切應力水平（圖4 A）。同時，為了解決動物模型帶來的局限性，科研人員也致力于開發人類細胞培養模型，這些模型概括了生理和病理環境，以便更好地監測 EC 機械反應（圖4 B）。

圖4  （A）用于研究局部血流動力學的動物模型已經通過手術操作血管實現：i：一種稱為動靜脈（AV）瘺的方法，將動脈直接連接到靜脈以改變剪切應力和流速。ii：全部結扎和部分結扎模型分別在分叉之前或之后的位置阻塞動脈，以分別將血流速度降低到與從零到低流量的流速相關的水平。iii：采用血管周圍裝置突然減小血管直徑并產生流量參數梯度。（B）用于研究內皮機械轉導的細胞模型：i：幾種體外方法，包括平行板流動室和由固定板和旋轉錐組成的系統，用于模擬體內剪切應力條件。ii：在健康和易患病的情況下，采用具有不同剛度級別的水凝膠來模擬血管細胞外基質（ECM）施加于內皮細胞（EC）的固態力。iii：微流體裝置已被引入以同時產生流體衍生和 ECM 衍生的力，并研究它們對 EC 的影響。

內皮健康對于調節生理血管功能至關重要。由于內皮細胞在局部血管環境中感知和轉導化學和機械信號的關鍵能力，它們的功能障礙與多種血管疾病和損傷有關，尤其是動脈粥樣硬化和隨后的心血管疾病。這篇綜述描述了通過 ECs 介導的機械轉導事件、涉及的 EC 亞細胞成分以及據報道可能參與的通路，還討論了涉及體內動物模型和體外仿生模型的最新研究工作，以幫助開發針對動脈粥樣硬化和相關心血管疾病的新療法。

參考文獻：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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