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                        血管力學生物學2023年度研究進展

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                               心血管疾病是危害人類生命健康最嚴重的疾病之一?!吨袊难芙】蹬c疾病報告2020》顯示,我國心血管疾病現有患病人數為 3.3 億,年死亡人數超過400萬例。心血管病治療的巨額費用已成為家庭、社會和國家的沉重負擔。因此,深入探討心血管疾病發生、發展的機制及其防治是“面向人民生命健康"的國家重大需求問題。心血管系統是以心為動力泵、血管為網絡的力學系統,力學因素在調控心血管系統生理狀態或病理進程中起到至關重要的作用。血管壁細胞會受到多種形式的力學刺激(環境)因素,如剪切應力(shear stress)、周期性張應力(變)(circumferential stress)、正壓力(normal stress)等外源性應力以及細胞外基質(extracellular matrix, ECM)硬度等內源性應力。血管細胞通過感知不同的力學刺激,并將其轉化為生化信號進而激活胞內一系列的應答反應。力學因素的改變或病理條件下產生的應力與疾病的發生發展密切相關,揭示心血管疾病發生與發展的機制,尋找力學因素調控的心血管疾病防治潛在的新靶點和新策略有著非常重要的意義[1-2]。本文以血管力學刺激(環境)因素和關鍵力學響應分子為線索,介紹2023年度的血管力學生物學領域的最新研究進展。

                        1 血管力學刺激(環境)因素

                        1.1 剪切應力


                               大量研究表明,動脈直部的血流是剪切方向一致、剪切速率高的層流,該血流區域具有抗動脈粥樣硬化的特性。相反,動脈的分叉和彎曲處的血流呈剪切方向往復且速率低的擾動流,該紊亂血流區域更容易促進動脈粥樣硬化的發生。不同流動模式的剪切應力會對ECs產生不同的力學信號,其中涉及不同的調控機制[3]。
                               Cheng等[4]通過單細胞分析揭示SOX4作為內皮功能障礙過程中的一種新型表型調節因子,進而加劇動脈粥樣硬化的發生,其中高脂血癥相關細胞因子和紊亂血流均是SOX4的內源性誘導因子。Canham等[5]研究發現,EVA1A是一種新型血流敏感基因,它通過調節血管內皮細胞(endothelial cells, ECs)自噬和炎癥激活介導了促動脈粥樣硬化的紊流對心血管細胞功能障礙的影響。Shih等[6]通過大規模磷酸化蛋白質組學分析,發現了一種新型動脈粥樣硬化相關磷酸化蛋白Vinculin,它在Ser 721位點(VCLS721p)的磷酸化是由擾動流誘導(見圖1)。Tang等[7]研究發現,擾動血流誘導的CCRL2通過CCRL2-chemerin-β2整合素軸誘導動脈粥樣硬化斑塊的形成,為動脈粥樣硬化的預防或治療干預提供了潛在靶點。Jiang等[8]研究表明,ECs的PHACTR1是一種新型PPARγ核心抑制因子,可在血流紊亂區域促進動脈粥樣硬化,這使得PHACTR1是治療動脈粥樣硬化的潛在靶點之一。Anisimov等[9]研究顯示,在動脈ECs中缺失Tie2或同時缺失Tie2和Tie1會增加Foxo1的核定位、內皮黏附分子的表達和免疫細胞的聚集,從而促進動脈粥樣硬化的發生,表明Tie2受體是一類保護動脈粥樣硬化的主要內皮血管生成素受體。Shirakura等[10]研究認為,暴露在高剪切應力下會導致VE-PTP的極化和內吞,同時細胞連接處的Tie2也會被激活,使得大分子通透性更低,進而確定了VE-PTP是抑制動脈粥樣硬化的新靶點之一。


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                        圖1 擾動流誘導ECs的VCLS721p促進動脈粥樣硬化發生的機制[6]


                              Tauchi等[11]研究發現,JNK1/2通過促動脈粥樣硬化的剪切應力介導ECs的Cx43力學轉導,Cx43在人頸動脈斑塊中的巨噬細胞和ECs中表達,并且Cx43+細胞數量與斑塊易感性相關。Hartman等[12]利用近紅外光譜技術血管內超聲(near-infrared spectroscopy-intra vascular ultrasound,NIRS-IVUS)和光學相干斷層掃描(optical coherence tomography,OCT)技術在超過1年的隨訪中發現,暴露于低剪切應力以及脂質豐富的區域往往容易有斑塊生長。而Hakim等[13]研究發現,斑塊侵蝕與ECs受到的剪切應力、梯度以及斑塊形貌密切相關。針對動脈粥樣硬化的治療,Zhao等[14]通過小鼠頸動脈部分結扎模型證明,盤形的納米顆粒比球形納米顆粒在血流紊亂區域具有更好的靶向性和更高的聚集性,該發現為改善動脈粥樣硬化的治療提供了有效策略之一。另外,Zhao等[15]研究表明,ECs的甲基轉移酶DNMT1通過抑制ALDH2、ALDH3A1和ALDH6A1的表達來介導血流動力學調節的內皮間質轉化,而補充肌肽等可能在預防和治療動脈粥樣硬化方面有很大的潛力。


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                        圖2 核/細胞質剛度比控制傳遞到核的剪切應力大?。?6]


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                        1.2 周期性張應變


                              脈動的血流導致血管壁受到周期性張應力(變)。正常生理條件下,動脈血管壁受到的周期性張應變或循環拉伸幅度為5%~10%,對于維持血管動態生理平衡至關重要。而在高血壓等病理條件下,動脈血管壁受到的周期性張應變幅度能達到15%左右。
                               Chu等[21]開發一種模擬人體動脈血管微流體系統的裝置,該裝置結合了流體剪切應力和周期性張應變,觀察到這些力學刺激使得ECs細胞骨架排列方向與液體流動方向一致。Neutel等[22]研究發現,血管平滑肌細胞(vascular smooth muscle cells, VSMCs)是主動脈黏彈性的重要調節器,而循環拉伸是主動脈黏彈性的調節因素,循環拉伸幅度和頻率條件的改變,如鍛煉或者高血壓,會引起主動脈黏彈性的改變。Han等[23]研究表明,生理性張應變促使內皮祖細胞代謝重編程,通過上調Acsl1的水平增加ATP的產生,進一步促進其黏附及體內再內皮化的能力,最終改善了血管修復并抑制了血管狹窄(見圖3)。Figueroa等[24]研究發現,SGK-1在主動脈VSMCs的力學激活可以促進炎癥信號的釋放和巨噬細胞的聚集,故該激酶可作為高血壓血管病變的潛在藥物治療靶點。Zhang等[25]研究顯示,主動脈壓力誘導VSMCs的表觀遺傳程序,促進維持主動脈穩態的適應性反應,其中YAP通過感知力學信號和誘導適應性基因表達,在這種適應性反應中發揮核心作用。Wang等[26]研究表明,Escin通過抑制力學拉伸和化學誘導血管ECs的Piezo1激活來改善炎癥狀況。Ferrari等[27]研究了ECM剛度對新生血管生成的影響,以及循環拉伸對ECs血管生成的影響,發現ECM水凝膠硬度控制著血管的大小和新生血管的密度,而RNA測序顯示循環拉伸促使了ANGPTL4+5、PDE1A和PLEC等基因的上調。此外,Chandra Sekar等[28]建立了一種通用模型來研究基質剛度和循環拉伸對人主動脈ECs的協同作用,發現NF-κB在細胞核內的積累、ECs的增殖以及IL-1β的表達均依賴于循環拉伸水平和基底剛度(見圖4)。


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                        圖3 過表達內皮祖細胞的Acsl1改善血管修復并抑制血管狹窄[23]

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                        圖4 可控基底硬度的循環拉伸系統原理[28]

                        1.3 ECM剛度


                             細胞的力感受器也能夠響應ECM的剛度變化。Biber等[29]通過分析全轉錄組微陣列數據,揭示了Survivin作為細胞周期和增殖的上游調節因子通過FAK-E2F1信號軸響應ECM剛度。Yu等[30]研究發現,ECM剛度和TGF-β信號共同調控微血管穩定性和周細胞肌成纖維細胞分化。較硬的ECM可促進ECs的ITGB1的Y783磷酸化和CTGF分泌,從而誘導周細胞分化為肌成纖維細胞。Zhang等[31]研究認為,成纖維細胞MRC-5在改變ECM微環境中發揮作用,通過動態ECM重塑促進血管形成。Zhang等[32]研究表明,聚集在甘草根莖中的一種查爾酮Echinatin可以降低VSMCs周圍ECM的剛度,也可維持ECs中谷胱甘肽代謝的平衡,進而抑制導致動脈粥樣硬化的鐵死亡和基質重塑。此外,VSMCs的衰老和ECM硬化增加會促進Sox9表達,而Sox9高表達反過來又驅動ECM進一步修飾,從而加速血管硬化和衰老[33]。
                              ECM變化還對ECs和血管生成具有較大影響。Subramanian等[34]通過改變ECM的組成成分,如I型膠原蛋白和纖連蛋白的組成比例,發現不同比例下的細胞面積和細胞圓度呈現不同的關系,證明了不同膠原和纖連蛋白比率對ECs生物力學和形態學反應的影響。Carrasco-Mantis等[35]開發了一種基于3D主體的血管生成力學生物學模型,從計算機生物學層面揭示并部分解釋了ECM力學因素對血管生成的作用,發現ECM剛度增加會加速血管網絡增殖,血管網絡傾向于向硬度更高的區域生長;此外,ECM黏彈性增加會減緩血管網絡增殖。Wei等[36]利用動態和共價網絡的合成策略,開發了一種基于膠原蛋白-透明質酸的水凝膠平臺,通過數學模擬和體內血管生成實驗證明了基質可塑性的平衡有利于細胞與基質的結合和細胞間的黏附,進而促進血管的組裝和侵襲(見圖5)。Chang等[37]利用3D微流體組織模擬血管新生發芽,在具有良好物理特性的ECM上疊加確定的間隙流,發現與純膠原蛋白的水凝膠相比,在基于膠原蛋白的基質中添加透明質酸可顯著增強間隙流誘導的血管新生出芽,揭示了透明質酸通過改變膠原ECM的剛度和孔隙來增強間質流介導的血管新生出芽。


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                        圖5 可塑性水凝膠中ECs生長的分子信號途徑[36]

                        2 關鍵力學響應分子


                             除了以上力學因素的影響之外,Piezo1和YAP作為關鍵的力學響應分子在血管力學生物學中同樣發揮著重要作用。
                        已知Piezo1通道是力敏感的陽離子通道,可被力學拉伸或剪切應力激活。Jiang等[38]研究發現,Piezo1通道激活可通過增強ECs的線粒體呼吸和糖酵解來刺激ATP的產生,提示Piezo1通道在ECs能量代謝中發揮著作用。Chuntharpursat-Bon等[39]揭示了Piezo1和PECAM1在細胞-細胞連接處相互作用,并在ECs的力傳導中共同發揮作用。Tian等[40]揭示了血管龕中血流產生的力學刺激對果蠅造血過程的影響。在血管龕細胞中,力敏感通道Piezo通過細胞內鈣離子的上調來傳遞力,從而導致Notch激活和FGF配體轉錄的抑制,而FGF配體已知可調控造血祖細胞的維持。Xie等[41]揭示了微環境硬化在加劇巨噬細胞依賴性血管生成反應缺陷中的關鍵作用,敲除巨噬細胞Piezo1通過CaMKⅡ/ETS1介導的FGF2轉錄激活促進后肢缺血后的灌注恢復。該研究結果為增強缺血性疾病的血管生成提供了一種很有前景的治療策略。Luu等[42]基于超聲鑷子的微機械系統、力瞬時頻譜和轉錄組分析發現了老化VSMCs的力學響應存在異常,并確定Piezo1是緩解血管老化的潛在治療性力學生物學靶點。
                             YAP也是血管生物學的關鍵力學響應分子之一。研究表明,力通過調節轉錄因子YAP的核-胞漿轉運來控制基本的細胞過程。Ma等[43]研究發現,單向剪切應力誘導雙相YAP轉運,該過程最初是入核,隨后隨著肌動蛋白帽的形成和核硬化而發生出核。相反,病理性的振蕩剪切力會誘導輕微的肌動蛋白帽形成、核軟化和持續的YAP核定位,并通過建立三維力學化學模型揭示了切應力誘導核細胞質運輸的統一機制,提供了轉錄因子定位與力學刺激之間的聯系(見圖6)。在血管形態發生過程中,ECs、成纖維細胞和ECM之間的相互作用導致組織硬度增加,并與血管功能增強相關。Whisler等[44]研究認為,新生組織硬化和血管功能依賴于成纖維細胞中由YAP介導的力學傳導信號。成纖維細胞中缺乏YAP1的小鼠胚胎既表現出組織硬度降低,又出現致死的血管缺陷。Liu等[45]揭示了DDR1是力學和化學刺激激活YAP的介質,并證明了DDR1以液-液相分離依賴的方式調節LATS1磷酸化(見圖7)。YAP和TAZ在VSMCs中具有力學保護作用,Arevalo Martínez等[46]研究顯示,YAP1在人類主動脈瘤中表達減少,且VSMCs特異性YAP/TAZ缺失會引發小鼠主動脈動脈瘤的形成,表明高血壓下YAP/TAZ依賴性的血管適應對血管通暢極為重要。


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                        圖6 振蕩剪切力導致肌動蛋白帽的輕微形成并伴隨著核剛度降低進而調控YAP運輸[43]

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                        圖7 DDR1作為YAP激活的介質以液-液相分離依賴的方式調節LATS1磷酸化[45]

                        3 總結和展望


                             本文主要介紹了2023年至今血管力學生物學相關領域的研究進展,從剪切應力、周期性張應力、細胞外基質應力及關鍵力學響應分子等方面,總結了其在血管新生及血管疾病發生發展中的重要作用。隨著技術手段和力學模型的創新與發展,血管系統所受到的應力能夠更好地被模擬,這將促使越來越多的力學信號通路和調控機制被發現,從而有助于進一步闡明心血管疾病的病理機制。然而,目前該領域仍存在許多問題待解決。例如,一些體內產生的應力在體外很難被模擬,應力條件下實時成像的技術尚不完善;同時,生理系統的復雜性需要更多新的實驗工具和概念,以促進人們對力學因素如何保護生理穩態或誘導病理進程的理解。綜上所述,血管力學生物學在血管新生和心血管疾病的防治中有著廣泛的轉化應用前景,亟待所有力學生物學的研究者們去深入探索,從而為心血管疾病的預防、診斷和治療提供更多有力證據和治療方案。

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