Naturethink牵张力|细胞拉伸系统|细胞拉伸||细胞牵张应变|牵张应变细胞培养仪

内皮祖细胞（EPCs）是干细胞的一个亚群，可以响应组织或血管损伤而被激活和动员。研究表明，血流动力学力在 EPC 动员和分化中起着至关重要的作用，例如，层流已被证明可以刺激 EPC 分化为 ECs。然而，当血管受损时，随之而来的血流紊乱会促进 EPC 向平滑肌细胞的分化。一旦 EPCs 粘附在损伤部位，它们也会暴露于心脏搏动产生的周期性拉伸（CS）中。然而，CS 调节 EPC 功能的分子机制及其与血管修复的相关性在很大程度上仍然未知。

在生理条件下，EPCs s处于静止状态，能量需求较低。一旦被内皮损伤激活，它们能量需求变高，这需要更多的三磷酸腺苷（ATP）来维持其动员和激活状态。线粒体通过氧化磷酸化（OXPHOS）产生 ATP，为细胞提供能量来源。除了通过OXPHOS增加细胞能量的产生外，线粒体还增强了呼吸底物（如脂肪酸）的获取。脂肪酸通过脂肪酸氧化（FAO）分解代谢，是重要的细胞燃料。线粒体 FAO 通常发生在需要能量的过程中以产生更多的 ATP。除了作为生物能量和生物合成中心外，线粒体还是机械敏感细胞器，CS 可调节血管平滑肌细胞中 ATP 的产生和线粒体网络的复杂性。尽管了解线粒体参与调节干细胞的命运和功能，但线粒体代谢影响干细胞命运的机制仍然未知，而且机械力如何影响线粒体FAO也知之甚少。

基于此，上海交通大学生命科学技术学院、加州大学圣地亚哥分校医学工程研究所的联合课题组开展的这项研究是为了探索在血管损伤后再内皮化背景下线粒体能量代谢在 EPC 粘附中的作用。结果发现CS 增强了长链脂肪酸（LCFAs）作为线粒体 FAO 底物的使用，从而导致 OXPHOS-依赖性 ATP 合成。这种机械转导机制增加了血管损伤啮齿动物模型中再内皮化所需的 EPCs 中的能量产生。相关内容发表在 The Proceedings of the National Academy of Sciences 期刊题为“Cyclic stretch promotes vascular homing of endothelial progenitor cells via Acsl1 regulation of mitochondrial fatty acid oxidation”。

循环拉伸通过 Acsl1 调节线粒体脂肪酸氧化促进内皮祖细胞的血管归巢

首先，为了研究机械拉伸在 EPC 功能中的作用，在模拟血管壁生理拉伸的情况下，以10% 的强度和1hz的频率对内皮祖细胞进行24 h的机械拉伸。结果表明，CS增加了EPCs的粘附（图1 A），并促进EPC分化为EC谱系，如EC标志物PECAM-1或CD31和KDR的表达升高以及祖细胞标志物CD34的表达降低（图1 B）。损伤后，血管内膜容易发生血栓和炎症，部分原因是内皮来源的一氧化氮（NO）水平降低。实验发现 NO 水平确实被 CS 上调（图1 C），然而，CS对EPCs的迁移和增殖没有太大影响。

然后检测了EPCs的线粒体形态，发现CS降低了点状区域的百分比，增加了杆状和丝状区域的百分比（图1 D）。通过TEM进一步探索EPCs响应CS刺激的线粒体超微结构，发现24 h CS后线粒体形态由短环状变为长杆状（图1 E）。同时，CS增加了嵴数目，减小了嵴宽度，表明OXPHOS活性升高。此外，CS 显著提高了 EPC 耗氧率（OCR）（图1 F），CS下的EPCs也产生更多的ATP（图1 G）。这些发现强化了线粒体-依赖性OXPHOS被CS上调。这些数据表明，机械拉伸促进了 EPC 粘附和内皮分化，同时激活了线粒体的呼吸。

图1 CS 促进 EPC 功能和线粒体能量代谢。

接下来，实验进一步研究了 CS 和 ST 条件下 EPCs 代谢物中的线粒体相关变化。结果发现，CS下与ST 下EPCs产生的代谢物存在显著差异。在变化显著的前6种代谢物中，CS显著降低了棕榈酸（PA）、亚油酸（LA）、硬脂酸（SA）和乙酰胆碱水平，显著提高了异丁酸和溶血磷脂酰乙醇胺（LPE）水平。所有这些代谢物都与脂质代谢途径相关。这些代谢分析得出的结论是，FAO通路的变化与CS处理的EPCs中增强的线粒体呼吸和ATP的产生有关。

然后通过使用Seahorse Mito 压力测试系统研究了增加CS后FAO的功能后果。在暴露于CS的EPCs 中，用 FAO 抑制剂ETO预处理可消除CS诱导的最大呼吸和备用呼吸量。同时，基础呼吸水平和急性反应也较低。这些结果表明，CS对EPCs线粒体呼吸的增强是通过FAO介导的。MitoTracker Red 染色显示，CS 增加了杆状和丝状线粒体的百分比。此外，与在CS下未接受ETO处理的EPCs相比，ETO处理的EPCs显示出杆状和丝状线粒体的数量减少（图2 B）。而且ETO减弱了CS诱导的EPC粘附和ATP产生（图2 C、D）。因此，EPCs中CS增强的线粒体呼吸和ATP产生是通过FAO途径催化的LCFAs介导的。

图2 ETO抑制FAO可消除CS诱导的线粒体呼吸作用。

由于FAO途径催化的LCFAs是受CS影响最显著的EPCs代谢产物，因此实验通过检测EPCs中响应CS的FAO和脂肪酸生物合成相关酶的水平，探索了参与LCFAs机械调控的关键酶（图3 A）。结果发现，CS在蛋白质水平上上调了Acsl1 水平（图3 C）。进一步分析证实，CS上调了位于线粒体的Acsl1（图3 D、E）。在功能获得方法中，用过表达 Acsl1 的慢病毒（LV-Acsl1）感染 EPCs 增加了 ST 条件下 EPC 的粘附（图3 F），而在功能丧失实验中，转染 Acsl1 siRNA 的 EPCs 在 CS 下的粘附性降低（图3 F）。线粒体呼吸因 Acsl1 过表达而显著上调，因 Acsl1 敲低则显著下调（图3 G、H）。此外，ETO 和 Acsl1 敲低对 FAO 的抑制显著抑制了 EPC 分化。这些数据表明，CS 显著诱导 Acsl1，而 Acsl1 又通过诱导 FAO 来增强线粒体呼吸。

图3 Acsl1是受CS调控的EPCs中FAO的关键酶。

最后，通过使用大鼠内膜损伤模型，实验验证了体内 Acsl1 在 EPC 血管归巢中的作用（图4 A）。在左颈动脉损伤手术后立即将Acsl1获得或丧失功能的EPCs移植到大鼠内膜损伤模型中（图4 B）。在接受 Acsl1 过表达 EPCs 的大鼠中，颈动脉损伤部位的荧光强度增加，从而表明 EPCs 对损伤血管的粘附性增强（图4 C）。与未处理的 EPCs的动物相比，接受 Acsl1 siRNA 的 EPCs 的动物粘附的 EPCs更少（图4 D）。然后检测内膜损伤后的再内皮化，无染色区域提示再内皮化，发现感染LV-Acsl1的EPCs的大鼠在损伤部位出现明显的血管修复（图4 E）。

冠状 MRI T2 加权图像显示，内皮损伤和血管重塑导致部分血流停止。感染 LV-Acsl1 的 EPCs 移植显著降低了损伤部位的 T2 加权信号（图4 F）。此外，生理盐水组损伤血管内的 T2 加权信号增加，而 EPCs 移植血管的 T2 加权信号降低，尤其是在感染 LV-Acsl1 的 EPCs 中（图4 G）。从生理盐水组获得的颈动脉血流被阻塞（图4 H），表明严重的血管再狭窄。在 EPC 移植中，LV-Acsl1 组的血流恢复最为显著。MRI后，对这些血管标本进行了组织学检查，显示生理盐水组新内膜厚度大于EPC处理组（图4 I）。重要的是，LV-Acsl1组的动脉新生内膜最少，管腔面积保存最多（图4 I），加强了 Acsl1 调控的 FAO 对 EPC 血管归巢和修复的有益作用。这些数据表明，移植的 EPCs 的 Acsl1 过表达促进体内内膜损伤的修复。

图4 Acsl1改善大鼠颈动脉损伤模型中EPC功能。

总之，该研究数据表明，CS 上调的 Acsl1 增强了 EPCs中的线粒体呼吸，将机械转导和 OXPHOS 与 EPC 血管修复功效联系起来。因此，该研究为血管损伤后内皮修复提供了见解。

参考文献：Han Y, Yan J, Li ZY, Fan YJ, Jiang ZL, Shyy JY, Chien S. Cyclic stretch promotes vascular homing of endothelial progenitor cells via Acsl1 regulation of mitochondrial fatty acid oxidation. Proc Natl Acad Sci U S A. 2023 Feb 7;120(6):e2219630120. doi: 10.1073/pnas.2219630120. Epub 2023 Jan 30. PMID: 36716379; PMCID: PMC9963562.
原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36716379/

小编旨在分享、学习、交流生物科学等领域的研究进展。如有侵权或引文不当请联系小编修正。如有任何的想法以及建议，欢迎联系小编。感谢各位的浏览以及关注！
微信搜索公众号“Naturethink”，了解更多细胞体外仿生培养技术及应用。

Naturethink 牵张力|拉伸力|细胞拉伸||细胞牵张应变|牵张应变细胞培养仪
http://www.naturethink.com/?product/19.html