小血管/毛細血管管腔直徑的調(diào)控機制

都基山 李金清

【提要】 小血管/毛細血管的管腔直徑受到多方面因素調(diào)控，是一個復雜的動態(tài)過程。在胚胎發(fā)育階段，血流動力學與遺傳信息等因素共同作用，調(diào)節(jié)管腔大小。在胚后發(fā)育階段及成年的血管中，管腔直徑調(diào)節(jié)更為復雜，血流動力學與遺傳因素的作用依然存在。但一些體液因素通過調(diào)節(jié)血管平滑肌收縮、舒張，進而調(diào)控管腔直徑是該階段管腔調(diào)控的主要因素。本文主要就近年來有關(guān)于小血管/毛細血管管腔直徑調(diào)控機制的研究進展進行綜述。

人體的血管分為動脈、靜脈和毛細血管。動脈可以分為大動脈、中動脈、小動脈。大動脈是彈性血管，管壁有多層彈性膜與大量彈性纖維，包括主動脈、肺動脈、無名動脈、頸總動脈、鎖骨下動脈、髂總動脈和股動脈等[1-2]。中動脈屬于肌性血管，中層平滑肌豐富，管徑在1～10 mm，包括大動脈以外未被命名的所有動脈。小動脈管徑在1 mm以下，與中動脈結(jié)構(gòu)類似，但一般沒有外彈性膜，也屬于肌性動脈。其中微動脈是管徑小于300 μm小動脈。靜脈與動脈相伴行，相伴而行的動靜脈其管徑相似。毛細血管是連接微動脈和微靜脈的血管，管徑最細，平均約為6～9 μm，分布最廣[3]。

不同直徑的血管有不同的功能。其中，大中動脈的主要功能是運輸血液，而小動脈的主要功能是在神經(jīng)體液的調(diào)控作用下調(diào)控血壓并調(diào)節(jié)器官和組織的灌注[4]。比如人在應(yīng)激狀態(tài)時，皮膚及消化系統(tǒng)的小動脈在神經(jīng)體液的調(diào)控下(交感神經(jīng)興奮，血液內(nèi)的兒茶酚胺增加)收縮，血壓增高，腦、心臟和肌肉的小血管舒張，血液更多地進入腦、心臟和肌肉內(nèi)，有利于人體應(yīng)對緊急情況[5]。毛細血管的主要功能是營養(yǎng)及代謝產(chǎn)物的交換，也是人體唯一能進行物質(zhì)交換的場所。比如肺部的毛細血管能排出CO2，攝入O2，滿足全身組織的需要[6]；肝臟部位的毛細血管能將各種蛋白運送給其他需要的組織；腎臟部位的毛細血管能將尿酸、尿素等廢物濾出來，隨尿排出。

與大中血管相比，小血管與毛細血管的功能受管腔直徑改變的影響極大。小血管與毛細血管直徑的改變是許多疾病病理改變的基礎(chǔ)。比如小動脈收縮可能引發(fā)高血壓，糖尿病腎臟早期病變中小血管擴張造成高灌注，系統(tǒng)性紅斑狼瘡患者中的非瘢痕性脫發(fā)、盤狀紅斑樣皮疹與局部毛細血管擴張密切相關(guān)。同樣的，多種疾病的治療也與小血管、毛細血管的直徑有關(guān)。比如降壓藥中有擴血管藥，肺動脈高壓也需要靶向藥治療，抑制毛細血管生長、減小毛細血管直徑的藥物在腫瘤治療中的作用也愈來愈被重視[7]。因此，小血管與毛細血管管腔直徑調(diào)節(jié)機制的研究具有重大意義。

人體發(fā)育的整個過程可以分為胚胎發(fā)育和胚后發(fā)育兩個階段。胚胎發(fā)育階段是從受精卵分裂開始，到胎兒出生前，大約為280 d。胚后發(fā)育階段，即從出生至成人之間的人體發(fā)育階段。由于胚胎發(fā)育階段與胚后發(fā)育階段血管結(jié)構(gòu)并不相同，血管直徑調(diào)節(jié)機制也各不相同。因此，本文將分別對這兩個階段的小血管與毛細血管管腔直徑的調(diào)節(jié)機制進行綜述。

1 胚胎發(fā)育階段血管直徑的調(diào)節(jié)

胚胎發(fā)育階段，血管系統(tǒng)形成的過程可以分為血管生成與血管新生兩部分。血管生成(Vasculogenesis)是從無到有，由胚外中胚層分化而來的內(nèi)皮細胞聚集成索樣結(jié)構(gòu)[8]，血管索中心形成空腔，各個空腔相互聯(lián)通構(gòu)成初級血管網(wǎng)絡(luò)。血管新生(Angiogenesis)是在已有血管基礎(chǔ)上血管內(nèi)皮增殖、遷移，不斷生長出新的血管[8-9]。無論哪個階段，血管一旦形成，就會迅速暴露在與血液流動有關(guān)的物理力下，這種力與遺傳信息一起調(diào)節(jié)血管內(nèi)徑的最終大小。所以在胚胎發(fā)育階段血流動力學與遺傳信息調(diào)節(jié)對毛細血管與小血管的直徑起到主要作用[10]。

1.1 血流動力學

血流動力學是調(diào)控體內(nèi)血管直徑的重要因素，血流不光帶來營養(yǎng)物質(zhì)、氧氣和信號分子，同時也在血管壁的內(nèi)皮細胞(ECs)上產(chǎn)生物理力。物理力一般分為兩種，與管道相切稱為剪切應(yīng)力，另一種與管腔垂直，稱為圓周應(yīng)力，也是通常意義上的壓力。已有研究表明，血流對管腔直徑的維持和調(diào)節(jié)至關(guān)重要，百年前查普曼通過手術(shù)移除小雞胚胎的心臟，雖然外圍血管叢形成，但未能重塑成血管系統(tǒng)；為了除去缺氧的影響，用高水平的氧氣進行灌注，發(fā)現(xiàn)血管重構(gòu)仍然沒有發(fā)生。在Ncx1敲除小鼠中，心臟形成但不跳動，也無法形成重塑的血管網(wǎng)絡(luò)，盡管發(fā)育的其他方面，如肢體和器官的發(fā)育是正常的[11]。心臟的跳動早于血管重塑的完成，所以心臟跳動產(chǎn)生的血流動力貫穿于血管新生的過程。由于新生的動脈遠端閉塞，血流流動時對內(nèi)皮細胞剪切應(yīng)力較大，導致內(nèi)皮細胞水腫、黏附分子上調(diào)、有絲分裂、血栓形成和纖溶因子的激活，導致單核細胞入侵與基質(zhì)消化。平滑肌細胞在周向壁應(yīng)力的作用下遷移增殖，血管擴張。所涉及的生長因子屬于FGF家族，信號轉(zhuǎn)導通過Ras/Raf-和Rho級聯(lián)進行。血管半徑和壁厚的增加使流體剪切應(yīng)力和周向壁應(yīng)力恢復到正常水平，生長停止[12-13]。在血管重構(gòu)完成后的動物胚胎發(fā)育過程中，當不經(jīng)常灌注時，血管會收縮；而當暴露于增加的流量和壓力時，血管會擴張，比如心臟停搏而導致的血流淤滯就會影響主動脈直徑的擴大并影響血管的伸展。雖然在這種情況下，血管的平滑肌層是最活躍的，但內(nèi)皮細胞依然被血流激活，有助于改變管腔的大小[14]。流體剪切應(yīng)力的變化首先通過促進內(nèi)皮細胞腫脹來介導內(nèi)皮細胞的活化，這在一定程度上導致了管腔狹窄。為了對抗這種效應(yīng)，ECs打開離子通道介導滲透液的流出，使其恢復到正常體積，體積調(diào)節(jié)的內(nèi)皮氯通道(VRACs)的激活似乎在這一過程中起著關(guān)鍵作用[15]。有趣的是，使用VRACs阻斷劑(諸如米貝拉地爾、他莫昔芬和克羅米芬等)時，側(cè)支生長被抑制了，但卻促進了血管擴張[16]。內(nèi)皮細胞的機械感覺功能為許多器官和組織提供了重要的適應(yīng)性反應(yīng)，說明血流流動對血管腔的形成至關(guān)重要。

1.2 血管內(nèi)皮生長因子

血管內(nèi)皮生長因子(Vascular endothelial growth factor，VEGF)家族成員包括6種分泌型糖蛋白二聚體，即VEGF-A、-B、-C、-D、-E和胎盤生長因子。其中VEGF-A發(fā)現(xiàn)最早也研究最多，在血管新生的過程中起重要作用。VEGF-A可與VEGFR2結(jié)合，激活Src信號通路，促進血管內(nèi)皮細胞上α6β1整合素與其配體laminin的分離。α6β1整合素對內(nèi)皮細胞與胞外域之間的黏附性起重要作用，是新生血管芽的前體-足體環(huán)向胞外遷移的主要功能蛋白。VEGF-A促進足體環(huán)局部α6β1整合素增多，激活金屬基質(zhì)蛋白酶(MT-MMP)，在金屬基質(zhì)蛋白酶(MT-MMP)的作用下，對基底膜及壁細胞的降解起調(diào)控作用，促進足體環(huán)向胞外域遷徙，從而促進血管新生[17]。然而，VEGF-A的不同異構(gòu)體可以影響血管管腔的直徑大小，Ruhrberg等[18]對小鼠胚胎進行VEGF-A亞型的功能研究，發(fā)現(xiàn)其中可溶性VEGF亞型VEGF-120生成的血管直徑大于VEGF-188亞型。相反，只表達VEGF-164亞型的小鼠具有中等口徑的毛細血管。各亞型之間的區(qū)別取決于與細胞外基質(zhì)(ECM)相互作用的能力：異構(gòu)體越長，其對基質(zhì)蛋白的親和力越大。但是目前還不清楚這些差異如何導致一個獨特的管腔直徑[18]。

1.3 Notch信號通路

Notch信號通路在進化上高度保守，廣泛存在于無脊椎動物到哺乳動物等多種生物，哺乳動物包含有5個配體(Dll1、Dll3、Dll4、Jagged1以及Jagged2)，4個受體(Notch1～4)。在血管系統(tǒng)中，Notch1和Notch4在血管內(nèi)皮細胞中表達，Notch3在血管平滑肌上表達[19]。敲除Notch1基因的小鼠胚胎有嚴重的體節(jié)發(fā)育缺陷和心血管發(fā)育異常，在形成16～20個體細胞、完成胚胎轉(zhuǎn)化和完成前神經(jīng)管閉合后發(fā)育停止。與正常胚胎相比，敲除Notch1基因小鼠胚胎的卵黃囊外觀更為蒼白，卵黃囊內(nèi)缺少分化成熟的血管，而顯示為一個紊亂的融合的血管叢，且背主動脈與前主靜脈大多塌陷閉鎖，使卵黃囊內(nèi)缺乏大的血管。嚴重的發(fā)育缺陷使胚胎一般在發(fā)育第9.5天致死[20]。單獨敲除Notch4基因后小鼠胚胎發(fā)育正常，但如果同時敲除Notch1和Notch4基因，小鼠將會有比敲除單獨Notch1基因更嚴重的發(fā)育異常，雙基因敲除胚胎的體細胞較少，未完成胚胎轉(zhuǎn)化，神經(jīng)管開放，血管發(fā)育缺陷也更為嚴重。另外，Notch4基因過表達型胚胎也有類似的血管發(fā)育缺陷并會早期死亡[21]。在這些研究中，Notch1和Notch4基因的功能說明了它們對管腔大小的互補影響。同樣地，Notch配體也在血管發(fā)育中起重要作用，調(diào)控血管再生與周圍環(huán)境密切相關(guān)，表現(xiàn)出協(xié)同、獨特甚至完全相反的作用。Jagged1(主要在柄細胞中表達)促進血管再生，而DII4(主要在尖細胞中表達)對血管再生有拮抗作用[22]。Notch配體是Notch信號通路決定血管新生過程中VECs向端細胞(Tip cell)或者柄細胞(Stalk cell)分化的基礎(chǔ)。研究顯示，VEGF與VEGFR2結(jié)合后，可以激活Dll4-Notch信號通路合作調(diào)節(jié)血管內(nèi)皮鈣黏素(VE-cadherin)的動態(tài)組裝，VE-cadherin是內(nèi)皮黏附連接的標志物，在細胞極性和血管管腔形成中有重要功能，可以顯著影響血管管腔直徑[22-23]。在VE-cadherin敲除的斑馬魚模型中，體節(jié)間血管(ISV)管腔變窄甚至閉合[24]。

2 胚后發(fā)育階段及成年后血管直徑的調(diào)節(jié)

當胚胎發(fā)育完成時，血管系統(tǒng)的發(fā)育也進入了新的階段，遺傳因素雖然仍在發(fā)育完全組織中起一定作用，但在完全分化的多層血管中，管腔直徑在很大程度上受到血液壓力和流量作用下的平滑肌收縮與舒張的調(diào)節(jié)[25]。內(nèi)皮細胞內(nèi)徑的生理變化可以通過改變eNOS或NO水平來實現(xiàn)，這對血壓有明顯的影響。藥理學上，調(diào)節(jié)平滑肌細胞收縮狀態(tài)的藥物也可以達到同樣的效果。事實上，內(nèi)皮細胞層對這些直徑的變化表現(xiàn)出很強的適應(yīng)能力，這可能是通過胞吐和內(nèi)吞作用引起的細胞膜表面積的變化。這方面目前并未獲得深入研究，有待于今后的進一步探索。

2.1 血流動力學

胚胎血管系統(tǒng)和成人血管系統(tǒng)對血流動力學的反應(yīng)并不相同。在成人的系統(tǒng)中，慢性剪切應(yīng)力升高導致血管直徑增大，而慢性壓力升高導致血管直徑減小[26-27]。但在發(fā)育完全的組織中，持續(xù)的血壓病理性升高可以導致管腔擴張，但毛細血管的膨脹性會隨著壓力升高而降低，這與“Glagov現(xiàn)象”有關(guān)。該現(xiàn)象是指在管腔的血壓持續(xù)升高作用下，擴張的管壁通過代償增生使管腔始終保持其原始直徑[28]，動脈的血管壁能夠感知壓力并通過重構(gòu)血管壁的所有成分來適應(yīng)壓力。因此，血壓的升高會導致內(nèi)皮細胞、平滑肌和成纖維細胞的增生和肥大，在某種程度上對抗了血壓的升高，維持血管管腔的原有直徑[28]。在高鹽致高血壓大鼠模型中發(fā)現(xiàn)，與正常鹽飼養(yǎng)組比較，Wistar大鼠的胸主動脈、腎動脈及腸系膜上動脈第二級分支3種血管均出現(xiàn)血管壁中層厚度增加、中層厚度與管腔比率增加、血管壁橫截面積增加，但兩組間血管腔直徑無顯著差別[29]。人體中下肢毛細血管承受超過20～30 mmHg(1 mmHg=0.133kPa)的壓力差，遠高于正常毛細血管5～10 mmHg的壓力差，但下肢毛細血管管腔直徑仍然是5～10 μm[30]；而腎臟腎小球毛細血管內(nèi)的壓力高達35 mmHg，毛細血管的管腔直徑也是5～10 μm[31]。研究表明，下肢和腎小球毛細血管基底膜厚度遠大于其他器官，提示基底膜的代償性增厚限制了血管的擴張。因此血流動力學雖然是血管擴張的直接動力，但卻可能不是毛細血管管腔直徑的直接調(diào)控因素。

2.2 eNOS系統(tǒng)

eNOS是心血管系統(tǒng)中表達的主要NOS亞型，主要在血管內(nèi)皮細胞中表達，對管腔直徑調(diào)控起重要作用。NOS作用依賴于其代謝產(chǎn)物NO，后者在生成后迅速彌散到鄰近的平滑肌細胞，與可溶性鳥苷酸環(huán)化酶(sGC)的亞鐵血紅蛋白部分結(jié)合，在催化部位附近導致構(gòu)型改變，從而激活sGC，在Mg2+存在的情況下，升高cGMP水平，使細胞內(nèi)Ca2+濃度下降，進而激活蛋白激酶，造成肌球蛋白輕鏈去磷酸化，肌纖維松弛，最終使平滑肌松弛，血管擴張。但eNOS活性激活的調(diào)節(jié)是復雜的，可通過與可逆的非共價鈣依賴性鈣調(diào)蛋白結(jié)合進行調(diào)節(jié)，但還涉及其他機制，包括剪切應(yīng)力傳感器誘導以及絲氨酸、蘇氨酸/酪氨酸磷酸化等[32]。eNOS在維持血管張力、循環(huán)生理學和血壓方面有著核心作用，代表了幾種刺激信號的整合。利用敲除和轉(zhuǎn)基因過表達小鼠模型對NOS酶的研究揭示了其在神經(jīng)元、腎臟、肺、胃腸、骨骼肌、生殖和心血管生物學中的關(guān)鍵作用。eNOS基因敲除小鼠在出生后不久由于心血管異常死亡，而且都是高血壓小鼠，存在主動脈環(huán)內(nèi)乙酰膽堿依賴性舒張的降低。對糖尿病大鼠的研究提示，腎微血管系統(tǒng)中eNOS的上調(diào)，導致NO基礎(chǔ)代謝的增加，是早期糖尿病腎內(nèi)血管舒張的原因[33]。同樣地，糖尿病視網(wǎng)膜病變是以視網(wǎng)膜血流紊亂為特征的視網(wǎng)膜病變。臨床和實驗研究都表明高血糖會導致較大的視網(wǎng)膜毛細血管擴張，該過程也被認為是由NO介導的。但是對其中小血管的研究發(fā)現(xiàn)，葡萄糖誘導的豬毛細血管前小動脈體外擴張不同于大動脈和毛細血管，其反應(yīng)不受NO合成阻斷的影響[34]。這也提示不同組織部位的管腔調(diào)節(jié)存在著階段性分布的特點。對eNOS系統(tǒng)的研究還有待于進一步深入。

3 小血管/毛細血管直徑調(diào)控展望

3.1 小血管/毛細血管直徑調(diào)控機制

我們對血管腔形成的認識還處于初級階段。血管運動非常復雜，受神經(jīng)、體液、代謝性物質(zhì)、各種離子、血管活性物質(zhì)以及手術(shù)、麻醉、疾病、環(huán)境溫度等多種因素的影響。事實上，許多基本問題仍未解決，許多影響因素的機制還未全面闡明。

3.2 相關(guān)研究中亟待解決的問題

盡管小血管/毛細血管管腔直徑調(diào)控取得了諸多進展，但依然存在很多亟待解決的科學問題：①在不同病理生理情況下，在不同組織器官的微環(huán)境下，不同特性的血管內(nèi)皮細胞如何應(yīng)對復雜的信號(理化信號、神經(jīng)體液信號、遺傳信號等)而表現(xiàn)出精確的反應(yīng)，并形成一定直徑的血管管腔？②細胞外基質(zhì)如何與血管內(nèi)皮細胞、平滑肌細胞或者周皮細胞內(nèi)的細胞內(nèi)信號分子網(wǎng)絡(luò)相互作用，動態(tài)調(diào)控小血管/毛細血管的管腔直徑，進而調(diào)控血液和血流？③血管管腔穩(wěn)態(tài)維持的調(diào)控機制又是怎樣的？

3.3 新技術(shù)可能促進相關(guān)的研究

隨著各類新技術(shù)的出現(xiàn)，有關(guān)小血管/毛細血管管腔直徑調(diào)控機制的研究可能取得較大進展。隨著基因組靶向修飾技術(shù)以及細胞譜系示蹤技術(shù)的進步，相信會發(fā)現(xiàn)越來越多關(guān)于血管管腔調(diào)節(jié)的新機制。自噬、長非編碼RNA、microRNA、外泌體等也許在血管管腔形成中具有重要的功能。單細胞測序、RNA深度測序、蛋白質(zhì)芯片等高通量技術(shù)也將促進血管管腔調(diào)控機制的研究進展。

總之，深刻理解血管管腔形成在時間和空間上的精確調(diào)控機制，將為組織工程器官構(gòu)建、組織器官再生以及包括腫瘤血管新生、血管退化性疾病等在內(nèi)的各種病理條件下的靶向血管管腔形成的干預提供重要的理論基礎(chǔ)。