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内皮细胞相关的力学生物学

动脉心血管系统由管腔内皮层组成,该内皮层通过响应和传递机械、旁分泌和内分泌刺激循环巨噬细胞和底层的平滑肌细胞(SMCs),对血管健康至关重要。因此,维持内皮健康对于血管功能系统至关重要。然而,促炎刺激会促进内皮功能障碍,通过协调巨噬细胞跨内皮迁移到血管壁,从而引发动脉粥样硬化。在迁移过程中,巨噬细胞从M1表型极化到M2表型,最终形成促炎泡沫细胞,与内皮源性炎症介质协同作用,促进SMC增殖。最终,这些事件引起血管床损伤和动脉粥样硬化病变形成。


这些发现表明,除了全身刺激,局部血流动力学在内皮细胞(ECs)中引发机械信号传导事件。因此,尽管每种细胞类型在血管健康中都起着重要作用,但内皮细胞的机械力学生物学被假设为组织动脉粥样硬化病灶性质的重要细胞类型。美国加州大学圣地亚哥分校医学系、斯坦福大学医学院儿科等专家学者对此领域进行了相关探索与讨论。



内皮细胞相关的力学生物学


内皮细胞是机械传感器,对局部血流模式引起的物理力作出反应。脉动剪切应力(PS)发生在血管的直线区域,具有单向性。PS促进EC稳态和血管健康。相比之下,振荡剪切应力(OS)与发生在血管弯曲或分叉处的扰动流动模式有关。OS诱发局部炎症环境,促进特定部位动脉粥样硬化的起始和进展。这些局部剪切应力模式可以使用平行平板系统在体外建模(图1 a)。在这个系统中,ECs被镀在玻璃载玻片上作为融合的单层。在载玻片之间放置一个垫圈以形成具有入口和出口的腔室,用于培养基的流动,从而创建具有调节流速(例如,12 ± 4 dynes/cm2PS 0.5 ± 4 dynes/cm2 OS)的灌注系统,类似于人体生理条件(图1 b)。


利用该系统,研究了剪切应力对应力纤维取向和细胞内流变性的影响。研究结果表明,PS引起细胞骨架纤维,如肌动蛋白,微管蛋白和中间细丝等,以及蠕变的细胞内流变参数与细胞轴和流动方向一致。这些结果导致了机械刺激方向性调节EC组织状态和功能的新概念的提出。为了验证和补充这些体外研究,该团队进行了体内动物实验,通过比较胸主动脉和主动脉弓,分别研究了PS和动脉粥样硬化保护性血流与OS和动脉粥样硬化倾向性血流的关系(图1 c)。部分结扎(PL)的其他动物模型包括手术结扎颈总动脉的三个分支,以诱导收缩,从而改变流动模式,从保护动脉粥样硬化的流向转变为倾向于动脉粥样硬化的流动模式。



内皮细胞相关的力学生物学

1 研究剪切应力对内皮细胞影响的技术

a)图表说明了用于体外将PSOS应用于ECs的可灌注流动系统。(b)灌注系统施加剪切应力,脉动方向为 12 ± 4 dynes/cm2,最小大小为 0.5 ± 4 dynes/cm2。(c)用主动脉弓标注的主动脉,该区域以OS模拟的扰动流动模式为特征,胸主动脉以PS模拟的层流模式为特征。



体外和体内系统用于研究剪切应力时空调节机械传感器、信号分子和基因调控影响EC表型的过程。这导致了膜脂质和蛋白质,如受体酪氨酸激酶、连接蛋白、粘附蛋白、离子通道、G蛋白偶联受体以及整合素在流动诱导机械转导中的作用。但是,机械转导诱导的EC通路的范围远远超出了剪切应力对EC膜,包括衔接蛋白、转录因子、受体、激酶、连接蛋白和粘附分子等的影响。在这些通路中,该小组合作研究了部分机制,包括剪切应力调节EC转录反应的机制。


其中,一个重要的通路是PS诱导的KLF2KLF4,它们是PS诱导EC功能的重要转录 因子,部分通过转录激活内皮型一氧化氮合酶(eNOS)。eNOS 的合成由ECs分泌的一氧化氮(NO),以促进血管舒张。后续研究表明,AMP活化蛋白激酶(AMPK)在 PS下受到刺激,进而磷酸化并激活Ser-633Ser-1177位点的eNOS。这种磷酸化状态引发 eNOS用于SIRT1的脱链,从而提高NO的生物利用度。AMPK 还通过激活肌细胞增强因子2MEF2)表达增加KLF2的转录表达。这在一定程度上解释了为什么AMPK激活剂,如二甲双胍和他汀类药物,对动脉粥样硬化具有保护作用(图2 a)。


动脉粥样硬化的一个标志是泡沫细胞在血管壁中的积聚。在OS条件下,ECs单核细胞趋化蛋白1MCP1)的表达增加。MCP1募集单核细胞到血管壁,在那里它们浸润内皮下间隙并分化为巨噬细胞,巨噬细胞清除氧化脂质形成泡沫细胞。许多其他促炎信号通路都是由OS诱导,包括NFκB通路及其下游靶点 VCAM-1(图2 b)。这些通路在致动脉粥样硬化环境中达到顶峰。


OS也影响EC脂质代谢。甾醇调节元件结合蛋白(SREBP1 2,是激活胆固醇生物合成和摄取相关基因的关键转录因子,在OS下上调。在生理条件下,细胞内高甾醇浓度抑制 SREBP 介导的胆固醇产生。然而,在OS条件下,SREBP 进行持续激活。这表明,上游机械传感器(如整合素)可能促进脂质在 ECs中的积聚,而与细胞内甾醇浓度无关(图2 b)。此外 SREBP2 通过激活核苷酸结合寡聚化结构域样受体蛋白3NLRP3)炎症小体,以及促进TNF-α受体相关转录因子相互作用蛋白与叉头相关结构域(TIFA)的转录,TIFA NLRP3炎症小体诱导的关键介质,与EC先天免疫反应相关(图2 b)。因此,OS激活的SREBP2增强了未解决的炎症的恶性循环。除了这些炎症作用外,OS通过增加EC增殖促进动脉粥样硬化形成表型。


Yes相关蛋白(YAP)和具有PDZ结合基序的转录辅激活子(TAZ)是调节器官大小和癌症发展的转录激活因子,与OS诱导的EC增殖有关。利用模拟体内OS的颈动脉部分结扎(PL)模型,71例实验表明YAP/TAZ在血流扰动下被激活。此外,OS上调细胞周期调节基因和炎症基因,以YAP依赖性方式。在PL模型中,使用吗啉抑制YAP可减弱动脉粥样硬化的发展(图2 b)。



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2 剪切应力对内皮的影响

aPSECs影响的网络示意图。PS激活AMPKKLF2KLF4AMPK通过磷酸化DNMT1RBBP7HAT1YAP/TAZPARP1NCL和皮质激素,起到动脉粥样硬化保护作用。KLF2通过转录诱导ITPR3LEENELINC00341发挥类似的动脉粥样硬化保护作用。这些靶点的活性被调节以增强线粒体的生物发生和功能,增加eNOS衍生的NO生物利用度,并减少EC增殖和炎症。(bOSECs影响的网络示意图。OS激活SREBP2YAP / TAZNF-κB,共同损害EC稳态,并增强EC炎症和增殖。




综上所述,这些研究确定了由血流模式诱导的机械转导在决定动脉粥样硬化或动脉粥样保护EC表型中起着重要作用。因此,PS 通过抑制EC炎症、增殖和迁移来保护动脉粥样硬化,OS具有相反的效果。



参考文献: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.

原文链接:https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/32095737/




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