剪切力促側(cè)支動(dòng)脈重塑研究進(jìn)展

楊文慧 綜述，郭　濤,楊　莉 審校

(1.昆明醫(yī)科大學(xué)附屬延安醫(yī)院老年病科　650051；2.昆明醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院心內(nèi)科　650032)

剪切力促側(cè)支動(dòng)脈重塑研究進(jìn)展

楊文慧1綜述，郭濤2△,楊莉1審校

(1.昆明醫(yī)科大學(xué)附屬延安醫(yī)院老年病科650051；2.昆明醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院心內(nèi)科650032)

[關(guān)鍵詞]剪切力；側(cè)支動(dòng)脈；動(dòng)脈生成

冠心病治療措施包括冠狀動(dòng)脈介入治療(PCI)、冠狀動(dòng)脈旁路移植術(shù)(CABG)和藥物治療等。對(duì)于穩(wěn)定型冠心病患者，PCI可減輕缺血癥狀但未能延長(zhǎng)生存；CABG可改善多支血管病變伴左室功能降低冠心病患者心肌灌注、延長(zhǎng)患者生存，但有較大手術(shù)風(fēng)險(xiǎn)；以他汀類藥物為基礎(chǔ)的藥物治療僅適度減輕斑塊負(fù)荷、防止冠脈內(nèi)形成血栓，尚不能逆轉(zhuǎn)居高不下的冠心病病死率和病殘率。鑒于PCI、CABG的潛在風(fēng)險(xiǎn)和現(xiàn)有藥物的局限性，探索心肌內(nèi)側(cè)支動(dòng)脈新生的方法成為新的研究方向。

1動(dòng)脈生成的概念

動(dòng)脈生成指急性動(dòng)脈閉塞后，缺血區(qū)原有的細(xì)小動(dòng)脈吻合支或側(cè)支循環(huán)的小動(dòng)脈代償性生長(zhǎng)、擴(kuò)張。動(dòng)脈生成包括4個(gè)階段[1]。第1階段出現(xiàn)在急性動(dòng)脈阻塞或者嚴(yán)重狹窄后2 d,內(nèi)皮細(xì)胞(EC)和平滑肌細(xì)胞(SMC)進(jìn)入合成和增殖階段，血管通透性增加。1 d后，骨髓來(lái)源的單核細(xì)胞在趨化因子作用下遷徙至病變處。第2階段，細(xì)胞外基質(zhì)和側(cè)支小動(dòng)脈的內(nèi)彈性膜被消化，SMC和EC開始大量增殖。第3階段小動(dòng)脈重塑為管徑較大的血管。SMC建立細(xì)胞間連接并在環(huán)形肌層中生長(zhǎng)。同時(shí)，新合成的彈性蛋白和膠原蛋白形成新的支架結(jié)構(gòu)。第4階段，“修枝”現(xiàn)象出現(xiàn)，一些較小的血管退化，另一些則直徑明顯增大。側(cè)支循環(huán)的重建可恢復(fù)正常冠狀動(dòng)脈最大血流的30%，外周動(dòng)脈最大血流的50%[2]。心肌梗死發(fā)生后，心肌損傷范圍大小不一，但通常小于閉塞冠脈灌注的范圍。原因在于人類心臟存在由吻合側(cè)支構(gòu)建的血管網(wǎng)絡(luò)。這種側(cè)枝血管網(wǎng)絡(luò)胚胎時(shí)期就已存在，適宜條件下可生長(zhǎng)、發(fā)育，形成有功能的側(cè)支循環(huán)。心肌梗死后側(cè)支血管發(fā)揮多少代償保護(hù)作用取決于側(cè)支血管的直徑。健康者冠脈吻合支直徑通常小于200 μm，當(dāng)冠脈急性閉塞或嚴(yán)重狹窄時(shí)其代償作用不足以避免大面積心肌梗死發(fā)生。而當(dāng)側(cè)支動(dòng)脈的直徑達(dá)到500～800 μm時(shí)，心肌梗死的范圍和病死率將降低[3]。心肌梗死區(qū)存較高評(píng)分的側(cè)支動(dòng)脈與顯著降低的心力衰竭風(fēng)險(xiǎn)和遠(yuǎn)期病死率相關(guān)[4]。

2動(dòng)脈生成的啟動(dòng)

目前發(fā)現(xiàn)，在自然狀態(tài)下流體剪切力是動(dòng)脈阻塞或嚴(yán)重狹窄后動(dòng)脈生成的主要觸發(fā)因素[5-6]。阻塞或嚴(yán)重狹窄的出現(xiàn)使阻塞血管的近端和阻塞遠(yuǎn)端之間形成了一個(gè)大的壓力梯度，導(dǎo)致側(cè)支血流和剪切力均明顯增加，增加的剪切力可激活核因子κB(NK-κB)，后者上調(diào)一氧化氮(NO)并導(dǎo)致最初的側(cè)支動(dòng)脈擴(kuò)張。

有學(xué)者認(rèn)為，除剪切力外，圓周應(yīng)力在動(dòng)脈生產(chǎn)的起始也很重要，并與剪切力協(xié)同作用。圓周應(yīng)力和徑向應(yīng)力的增加可導(dǎo)致激活物蛋白-1(AP-1)介導(dǎo)的單核細(xì)胞趨化蛋白(MCP-1)在平滑肌細(xì)胞中表達(dá)增多，這是動(dòng)脈生成的關(guān)鍵步驟[7]。而Pipp等[8]報(bào)道在閉塞的豬股動(dòng)脈遠(yuǎn)端和伴行靜脈之間建立動(dòng)靜脈分流，閉塞遠(yuǎn)端的血流明顯增加并且壓力降低，使剪切力明顯增加而圓周應(yīng)力則下降，而側(cè)支血流卻增加了2.3倍，大于無(wú)動(dòng)靜脈分流情況下最大流量的40%。圓周應(yīng)力和徑向應(yīng)力在動(dòng)脈生成過(guò)程中是否發(fā)揮重要作用至今仍有爭(zhēng)論。

3機(jī)械剪切力對(duì)血管內(nèi)皮細(xì)胞的生物效應(yīng)

流體剪切力直接作用于血管內(nèi)皮細(xì)胞膜和膜結(jié)構(gòu)上。將剪切力傳導(dǎo)進(jìn)入細(xì)胞的結(jié)構(gòu)包括有小窩(caveolae)、整合素(integrin)、紐蛋白(vinculin)、踝蛋白(talin)以及樁蛋白(paxillin)等。剪切力增加的初期，內(nèi)皮細(xì)胞發(fā)生了很多的變化，包括NO釋放，G蛋白激活，蛋白激酶C激活，血小板內(nèi)皮細(xì)胞黏附分子(PECAM-1)的酪氨酸磷酸化以及細(xì)胞遷徙。然而，剪切力信號(hào)傳導(dǎo)詳細(xì)而復(fù)雜的機(jī)制仍不完全清楚。

有研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)皮細(xì)胞通過(guò)野香草相關(guān)瞬時(shí)感受器電位蛋白(TRPV4)感知剪切力變化。TRPV4是一種鈣離子(Ca2+)通道，在剪切力的作用下細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度增加并導(dǎo)致血管擴(kuò)張[9]。在剪切力增加最初的3 h內(nèi)，內(nèi)皮細(xì)胞變長(zhǎng)并產(chǎn)生較多張力纖維，細(xì)胞間結(jié)合部增厚且形成較多的微絲。6 h后，內(nèi)皮細(xì)胞顯示出運(yùn)動(dòng)特性，細(xì)胞失去了稠密的周圍帶，較多的微管組織和細(xì)胞核集中到細(xì)胞的上游區(qū)域。12 h后，內(nèi)皮細(xì)胞開始變長(zhǎng)并朝著液體流動(dòng)的方向排列。細(xì)胞內(nèi)的張力纖維增厚變長(zhǎng)，細(xì)胞結(jié)合部和微絲的厚度增加。這些改變像是形成一種新的細(xì)胞支架結(jié)構(gòu)并且隨著剪切力的改變而改變。在內(nèi)皮細(xì)胞機(jī)械傳導(dǎo)的模型中，肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架將細(xì)胞外的流體剪切力從細(xì)胞的一個(gè)部分傳遞至另一個(gè)部分，肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架斷裂后剪切力介導(dǎo)的信號(hào)傳遞失效。

4動(dòng)脈生成的細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

內(nèi)皮細(xì)胞暴露于增強(qiáng)的剪切力后30～60 s內(nèi)，PECAM-1即發(fā)生酪氨酸磷酸化[10]。流體剪切力對(duì)內(nèi)皮細(xì)胞的機(jī)械作用時(shí)，在PECAM-1扮演了機(jī)械刺激感受器的作用；PECAM-1磷酸化后，可調(diào)節(jié)SHP-2(Src同源區(qū)2的蛋白酪氨酸磷酸酶)和Gab1(Grb2-associated binder)蛋白轉(zhuǎn)位至細(xì)胞連接點(diǎn)。SHP-2 和Gab1均參與細(xì)胞應(yīng)答時(shí)細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(ERK)的激活。磷酸化的PECAM-1與SHP-2結(jié)合。SHP-2反過(guò)來(lái)再與Gab1結(jié)合，后者激活SHP-2磷酸酶的活性，并可能導(dǎo)致PECAM-1脫去磷酸。PECAM-1、SHP-2 和Gab1之間的相互作用可產(chǎn)生信號(hào)并激活ERK途徑。因此，可通過(guò)SHP-2對(duì)流體剪切力的動(dòng)態(tài)改變而不斷磷酸化和去磷酸化來(lái)連續(xù)監(jiān)測(cè)流體剪切力。這可能在機(jī)械力傳導(dǎo)通路中擔(dān)任關(guān)鍵步驟。有研究報(bào)道，將PECAM敲出小鼠股動(dòng)脈阻塞，3周后檢測(cè)其遠(yuǎn)端血流灌注，結(jié)果發(fā)現(xiàn)野生型小鼠足底的血液灌注增加達(dá)189.8%而PECAM敲出小鼠僅增加65.5%[11]。提示PECAM-1在動(dòng)脈生成反應(yīng)中可能發(fā)揮重要作用。

在剪切力的作用下，PECAM-1、MCP-1、eNOS和細(xì)胞間黏附分子(ICAM-1)等眾多基因表達(dá)并激活了多條通路，使處于靜止?fàn)顟B(tài)、黏附傾向低的內(nèi)皮細(xì)胞活化并釋放炎癥趨化因子和生長(zhǎng)因子，從而促進(jìn)單核細(xì)胞的吸引、活化和黏附。在動(dòng)脈生成的起始階段有NF-κB[12]、NO、Ras-ERK信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路以及Rho信號(hào)通路[13]的激活。內(nèi)皮細(xì)胞暴露于流體剪切力5～10 min后ERK途徑就被激活。在離體小鼠腸系膜動(dòng)脈分支的原位模型中發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)錄因子AP-1在ERK-1、ERK-2作用下被激活，并能增強(qiáng)MCP-1在內(nèi)皮和血管平滑肌細(xì)胞的表達(dá)。由AP-1介導(dǎo)的MCP-1表達(dá)顯著增加被公認(rèn)是動(dòng)脈生成的主要事件。MCP-1是β趨化因子受體、C-C家族趨化因子受體2(CC chemokine receptor 2,CCR2)和C-C家族趨化因子受體4(CC chemokine receptor 4,CCR4)的有效激動(dòng)劑，這3個(gè)受體主要由單核細(xì)胞表達(dá)。缺乏CCR2的小鼠其動(dòng)脈生成受損。然而，當(dāng)內(nèi)皮層被機(jī)械性移除后，MCP-1的轉(zhuǎn)錄并未發(fā)生明顯的改變。流體剪切力作用于內(nèi)皮是否是動(dòng)脈生成惟一的觸發(fā)因素，或者壓力相關(guān)的圓周應(yīng)力作用于內(nèi)皮下的平滑肌細(xì)胞也起到始動(dòng)因素的作用，這些問(wèn)題仍有待進(jìn)一步研究。

盡管如此,MCP-1 表達(dá)增高可吸引單核細(xì)胞附著并浸入到冠狀動(dòng)脈側(cè)支的內(nèi)皮或者是外周側(cè)支血管的外膜間隙。將股動(dòng)脈閉塞后局部注入MCP-1 可增加側(cè)支血流傳導(dǎo)。在內(nèi)皮細(xì)胞表面，黏附分子例如選擇素類、ICAM-1、ICAM-2和血管細(xì)胞黏附分子-1 (VCAM-1) 表達(dá)增多并集簇在黏著斑附近[14]。 MCP-1和VEGF可提高整合素在單核細(xì)胞的表達(dá)，從而增強(qiáng)黏附作用。然后，單核細(xì)胞上的整合素、巨噬細(xì)胞抗原復(fù)合體-1(macrophage antigen complex-1， Mac-1)和淋巴細(xì)胞功能相關(guān)抗原-1(lymphocyte functionassociated antigen-1 ，LFA-1)與內(nèi)皮細(xì)胞上的黏附分子ICAM-1、ICAM-2和VCAM-1結(jié)合，并集中到黏著斑復(fù)合體。整合素與黏附分子的結(jié)合介導(dǎo)了單核細(xì)胞從血管內(nèi)皮遷移至血管外膜和血管周間隙?？笽CAM-1或者β2-integrins單克隆抗體可阻斷側(cè)支動(dòng)脈生成過(guò)程中單核細(xì)胞的黏附和遷移[15]。

5血管周圍組織間隙的重塑

一旦循環(huán)中的單核細(xì)胞歸巢到動(dòng)脈生成的位點(diǎn)并且遷移進(jìn)入血管周間隙，它們將發(fā)育為成熟的巨噬細(xì)胞[16]，并且產(chǎn)生大量的炎癥趨化因子包括MCP-1、腫瘤壞死因子α(TNF-α)、精氨酸酶-1(arginase-1)和基質(zhì)金屬蛋白酶(MMP)等。動(dòng)脈生成過(guò)程中，在血管外膜巨噬細(xì)胞內(nèi)粒細(xì)胞-巨噬細(xì)胞集落刺激因子(GM-CSF)的作用下,MMP-12 和 MMP-14表達(dá)明顯上調(diào)[17]。這些酶類聯(lián)合作用降解現(xiàn)存的纖維支架，創(chuàng)造動(dòng)脈生長(zhǎng)的空間，并重塑側(cè)支動(dòng)脈的管壁。轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-β(TGF-β)在血管平滑肌細(xì)胞內(nèi)可增加膠原蛋白的表達(dá)[18]。新合成的膠原蛋白和彈性蛋白鋪設(shè)形成新的支架結(jié)構(gòu)，平滑細(xì)胞在新的支架上增殖形成一個(gè)管徑更粗的血管。

6血管內(nèi)皮細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞的增殖

巨噬細(xì)胞和少量的內(nèi)皮細(xì)胞在增殖階段上調(diào)生長(zhǎng)因子的表達(dá)，包括堿性成纖維細(xì)胞因子(bFGF)、血小板源性生長(zhǎng)因子(PDGF-B)和 TGF-β1。研究發(fā)現(xiàn)，VEGF-A和FGF-4過(guò)表達(dá)后可促進(jìn)毛細(xì)血管的增生并刺激其管壁重塑[19]。側(cè)支動(dòng)脈的內(nèi)皮細(xì)胞可表達(dá)VEGF，從而增加平滑肌細(xì)胞內(nèi)MCP-1 的表達(dá)。用拮抗劑封閉VEGFR信號(hào)可以完全消除運(yùn)動(dòng)性動(dòng)脈生成模型中側(cè)支血流的增加和動(dòng)脈的擴(kuò)大。關(guān)于剪切力如何導(dǎo)致VEGF信號(hào)增加的細(xì)節(jié)并不清楚。VEGF是內(nèi)皮細(xì)胞的強(qiáng)大的促細(xì)胞分裂劑，VEGF-A在生長(zhǎng)中的側(cè)支動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞表面表達(dá)并誘導(dǎo)內(nèi)皮細(xì)胞增殖。盡管如此，VEGF對(duì)平滑肌細(xì)胞的增殖并沒(méi)有直接的作用。流體剪切力作用于內(nèi)皮細(xì)胞后導(dǎo)致大量平滑肌細(xì)胞增殖的機(jī)理仍不清楚。

國(guó)內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)，體外心臟震波(CSWT)釋放的低能量機(jī)械震蕩波類似聚焦超聲波，可在心肌組織細(xì)胞間產(chǎn)生“空穴效應(yīng)”并形成大量微氣泡，微氣泡膨脹繼而發(fā)生非球面性破裂，對(duì)微氣泡周圍的心肌細(xì)胞形成快速而短暫的剪切力，在原有微血管床基礎(chǔ)上促進(jìn)新生血管形成，改善心肌灌注[20-21]。多項(xiàng)隨機(jī)雙盲安慰劑對(duì)照研究顯示[22-24]，CSWT可改善冠心病患者心肌灌注和心肌代謝，減輕心絞痛癥狀，減少硝酸甘油用量，改善心功能，提高運(yùn)動(dòng)耐量，并且具有安全性。動(dòng)物及細(xì)胞試驗(yàn)也證實(shí)CSWT上調(diào)血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子、促進(jìn)血管內(nèi)皮細(xì)胞增殖、促缺血組織中毛細(xì)血管新生，改善豬AMI模型的冠脈側(cè)支循環(huán)[25]。改善缺血組織血循環(huán)與血管新生和動(dòng)脈生成密切相關(guān)，且動(dòng)脈生成可能發(fā)揮更加重要的作用。研究剪切力促動(dòng)脈生成、重塑側(cè)支循環(huán)將是治療缺血性血管疾病的重要進(jìn)展。

參考文獻(xiàn)

[1]Troidl K,Schaper W.Arteriogenesis versus angiogenesis in peripheral artery disease[J].Diabetes Metab Res Rev,2012,28 Suppl 1:S27-29.

[2]Meier P,Schirmer SH,Lansky AJ,et al.The collateral circulation of the heart[J].BMC Med,2013,11:143.

[3]Xiang FL,Liu Y,Lu X,et al.Cardiac-specific overexpression of human stem cell factor promotes epicardial activation and arteriogenesis after myocardial infarction[J].Circ Heart Fail,2014,7(5):831-842.

[4]Steg PG,Kerner A,Mancini GB,et al.Impact of collateral flow to the occluded infarctrelated artery on clinical outcomes in patients with recent myocardial infarction:A report from the randomized occluded artery trial[J].Circulation,2010,121(25):2724-2730.

[5]Oh CC,Klein JD,Migrino RQ,et al.Growing collateral arteries on demand[J].Recent Pat Cardiovasc Drug Discov,2011,6(3):189-198.

[6]Seghers L,de Vries MR,Pardali E,et al.Shear induced collateral artery growth modulated by endoglin but not by ALK1[J].J Cell Mol Med,2012,16(10):2440-2450.

[7]Dyer L,Pi X,Patterson C.Connecting the coronaries:how the coronary plexus develops and is functionalized[J].Dev Biol,2014,395(1):111-119.

[8]Pipp F,Boehm S,Cai WJ,et al.Elevated fluid shear stress enhances postocclusive collateral artery growth and gene expression in the pig hind limb[J].Arterioscler Thromb Vasc Biol,2004,24:1664-1668.

[9]Bubolz AH,Mendoza SA,Zheng X,et al.Activation of endothelial TRPV4 channels mediates flow-induced dilation in human coronary arterioles:role of Ca2+entry and mitochondrial ROS signaling[J].Am J Physiol Heart Circ Physiol,2012,302(3):634-642.

[10]Conway DE,Breckenridge MT,Hinde E,et al.Fluid shear stress on endothelial cells modulates mechanical tension across VE-cadherin and PECAM-1[J].Curr Biol,2013,23(11):1024-1030.

[11]Chen Z,Rubin J,Tzima E.Role of PECAM-1 in arteriogenesis and specification of preexisting collaterals[J].Circ Res,2010,107(11):1355-1363.

[12]Tzima E,Irani-Tehrani M,Kiosses WB,et al.A mechanosensory complex that mediates the endothelial cell response to fluid shear stress[J].Nature,2005,437(7057):426-431.

[13]Eitenmüller I,Volger O,Kluge A,et al.The range of adaptation by collateral vessels after femoral artery occlusion[J].Circ Res,2006,99(6):656-662.

[14]Heil M,Schaper W.Influence of mechanical,cellular,and molecular factors on collateral artery growth (arteriogenesis)[J].Circ Res,2004,95(5):449-458.

[15]Jaipersad AS,Lip GY,Silverman S,et al.The role of monocytes in angiogenesis and atherosclerosis[J].J Am Coll Cardiol,2014,63(1):1-11.

[16]Bruce AC,Kelly-Goss MR,Heuslein JL,et al.Monocytes are recruited from venules during arteriogenesis in the murine spinotrapezius ligation model[J].Arterioscler Thromb Vasc Biol,2014,34(9):2012-2022.

[17]Yang BL,Wu S,Wu X,et al.Effect of shunting of collateral flow into the venous system on arteriogenesis and angiogenesis in rabbit hind limb[J].Acta Histochem Cytochem,2013,46(1):1-10.

[18]Sager HB,Middendorff R,Rauche K,et al.Temporal patterns of blood flow and nitric oxide synthase expression affect macrophage accumulation and proliferation during collateral growth[J].J Angiogenes Res,2010,2(1):18.

[19]Jazwa A,Tomczyk M,Taha HM,et al.Arteriogenic therapy based on simultaneous delivery of VEGF-A and FGF4 genes improves the recovery from acute limb ischemia[J].Vasc Cell,2013,13(1):13.

[20]Wang Y,Guo T,Ma TK,et al.A modified regimen of extracorporeal cardiac shock wave therapy for treatment of coronary artery disease[J].Cardiovasc Ultrasound,2012,10(8):789-790.

[21]Di Meglio F,Nurzynska D,Castaldo C,et al.Cardiac shock wave therapy:assessment of safety and new insights into mechanisms of tissue regeneration[J].J Cell Mol Med,2012,16(4):936-942.

[22]Gabrusenko SA,Malakhov VV,Shitov VN,et al.An experience of the use of a curative method of cardiac shock wave therapy in patients with ischemic heart disease[J].Kardiologiia,2013,53(5):20-26.

[23]Ito K,Fukumoto Y,Shimokawa H.Extracorporeal shock wave therapy for ischemic cardiovascular disorders[J].Am J Cardiovasc Drugs,2011,11(5):295-302.

[24]Yang P,Guo T,Wang W,et al.Randomized and double-blind controlled clinical trial of extracorporeal cardiac shock wave therapy for coronary heart disease[J].Heart Vessels,2013,28(3):284-291.

[25]Tao SM,Guo T,Wang Y,et al.Extracorporeal cardiac shock wave therapy improved myocardial micro-vascular circulation after acute myocardial infarction at early stage in pigs[J].Sichuan Da Xue Xue Bao Yi Xue Ban,2011,42(2):222-226.

doi:·綜述·10.3969/j.issn.1671-8348.2016.02.039

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(81260027)；云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2014FZ051)。

作者簡(jiǎn)介：楊文慧(1982-)，主治醫(yī)師，在讀博士，主要從事心血管病學(xué)的研究。 △通訊作者，E-mail:guotao20@hotmail.com。

[中圖分類號(hào)]R543

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1671-8348(2016)02-0257-03

(收稿日期：2015-07-15修回日期：2015-08-03)