剪切應(yīng)力調(diào)節(jié)內(nèi)皮功能的研究進(jìn)展

卜倩爽 吳健忠 董國(guó) 楊樹(shù)森

動(dòng)脈粥樣硬化（AS）是全球成年人非感染性死亡的主要原因之一，好發(fā)于動(dòng)脈分叉外側(cè)壁和彎曲內(nèi)壁附近等區(qū)域[1-2]。血流動(dòng)力學(xué)在AS 的形成與分布中發(fā)揮重要作用。

1 概述

血管內(nèi)皮細(xì)胞（EC）是循環(huán)血液與血管壁間的重要屏障。EC 能釋放血管擴(kuò)張物質(zhì)和血管收縮因子，參與維持血管張力、抗血栓、免疫炎性反應(yīng)、止血以及調(diào)節(jié)血管滲透性等，在血管穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用[3]。

血液流動(dòng)對(duì)血管內(nèi)皮產(chǎn)生沿切線方向的剪切應(yīng)力，其受腔體形狀、血流速度和血漿黏度等因素影響[4]。在相對(duì)較直的動(dòng)脈段中，脈動(dòng)的剪切應(yīng)力（15～70 dyne/cm2，1 dyne/cm2＝0.1 Pa）具有抗AS 作用，而低剪切應(yīng)力（LSS，約＜10 dyne/cm2）與振蕩性剪切應(yīng)力（OSS，約±4 dyne/cm2）是早期AS 斑塊形成的危險(xiǎn)因素[4-5]。

2 內(nèi)皮的機(jī)械感應(yīng)和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

EC 有各種機(jī)械傳感器，可感知血流引起的流體機(jī)械力，當(dāng)暴露在血流中時(shí)，EC 能對(duì)血流動(dòng)力學(xué)的微小變化做出敏感反應(yīng)[6]。EC 的機(jī)械傳感器包括整合素及其組成的黏著斑[7]、糖萼[8]、細(xì)胞間連接蛋白[9]、初級(jí)纖毛[10]、機(jī)械敏感離子通道（Piezol[11]、NOTCH1[9]）、G 蛋白偶聯(lián)受體（GPCR）[9]、細(xì)胞膜磷脂和小窩[8,12]。這些機(jī)械傳感器與細(xì)胞內(nèi)信號(hào)通路如Hippo、大鼠肉瘤蛋白（Ras）/絲裂原活化蛋白激酶（MAPK）、磷脂酰肌醇-3-激酶（PI3K）和核因子κB（NF-κB）和/或細(xì)胞結(jié)構(gòu)蛋白（F-肌動(dòng)蛋白、微管和中間絲等）耦合，將機(jī)械力轉(zhuǎn)化為生化信號(hào)，調(diào)節(jié)EC 行為[6,13]。

血流動(dòng)力學(xué)參與調(diào)控EC 的多個(gè)信號(hào)通路及代謝過(guò)程。脈動(dòng)的剪切應(yīng)力能激活轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子Krüppel 樣因子（KLF）2，誘導(dǎo)內(nèi)皮型一氧化氮合酶（eNOS），進(jìn)而抑制NF-κB 的轉(zhuǎn)錄和激活[14]。保護(hù)性剪切應(yīng)力能誘導(dǎo)血栓調(diào)節(jié)素，介導(dǎo)大血管和毛細(xì)血管中的內(nèi)皮血栓抗性[15]。保護(hù)性剪切應(yīng)力能通過(guò)KLF2 介導(dǎo)的6-磷酸果糖2-激酶/果糖-2,6-二磷酸酶-3 的抑制作用，抑制EC 代謝，導(dǎo)致EC 中葡萄糖攝取和線粒體含量減少，確保細(xì)胞代謝靜止[16]。

LSS 誘導(dǎo)激活整合素α5β1 及其下游激酶非受體酪氨酸激酶超家族Abelson 成員（c-Abl），使yes 相關(guān)蛋白1 發(fā)生核易位，與下游轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合，從而調(diào)控細(xì)胞骨架調(diào)節(jié)基因，直接參與細(xì)胞周期和有絲分裂所需基因的表達(dá)[17]。抑制c-Abl 可延緩LSS 誘導(dǎo)的EC 活化和早期AS 的發(fā)展[18]。LSS 誘導(dǎo)血管黏附分子-1（VCAM-1）和細(xì)胞間黏附分子-1（ICAM-1）在EC 表面表達(dá)，并影響其鄰近的血管平滑肌細(xì)胞[19]。

Mehta 等[20]發(fā)現(xiàn)導(dǎo)向受體神經(jīng)叢蛋白（plexin）是EC 中的新型機(jī)械傳感器。plexin D（PLXND1）參與調(diào)節(jié)小鼠主動(dòng)脈中AS 斑塊的局部分布。此外，PLXND1 能夠通過(guò)由神經(jīng)纖毛蛋白（NRP）-1、血管內(nèi)皮細(xì)胞生長(zhǎng)因子受體（VEGFR）2 和PLXND1 組成的新型機(jī)械敏感復(fù)合物促進(jìn)機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)[20]。

綜上所述，機(jī)械傳感器/復(fù)合物對(duì)剪切應(yīng)力介導(dǎo)的細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和細(xì)胞表型至關(guān)重要，盡管機(jī)械傳感器相關(guān)研究已經(jīng)取得了許多的成果，但生物力學(xué)對(duì)于內(nèi)皮機(jī)械感應(yīng)和信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的調(diào)控機(jī)制仍需進(jìn)一步探討。

3 剪切應(yīng)力與內(nèi)皮功能

EC 的機(jī)械傳感器或機(jī)械傳感復(fù)合體可感知致AS 性流動(dòng)，啟動(dòng)剪切應(yīng)力力學(xué)信號(hào)的傳遞，引發(fā)機(jī)械傳導(dǎo)通路改變，進(jìn)而引起內(nèi)皮功能障礙，表現(xiàn)為內(nèi)皮損傷、白細(xì)胞黏附增加、內(nèi)皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化（EndMT）、氧化應(yīng)激及炎性反應(yīng)增強(qiáng)和通透性過(guò)高[13]。內(nèi)皮功能障礙是血管疾病的初始階段，也是心血管和代謝性疾病的重要預(yù)后指標(biāo)，而動(dòng)脈剪切應(yīng)力被認(rèn)為是調(diào)節(jié)內(nèi)皮功能的重要病理生理機(jī)制。

3.1 剪切應(yīng)力與EndMT

EndMT 以多種形態(tài)變化和生理變化為特征，包括細(xì)胞極性的喪失、細(xì)胞間連接破壞、內(nèi)皮屏障功能喪失，EC 獲得了類似肌成纖維細(xì)胞樣細(xì)胞的遷移和促纖維化特性[21]。

保護(hù)性層流和致AS 性流動(dòng)對(duì)調(diào)節(jié)EndMT具有相反的作用。OSS 上調(diào)EC 間充質(zhì)標(biāo)志物如鈣黏著蛋白-2（CDH2）、結(jié)締組織生長(zhǎng)因子、VCAM-1 和平滑肌蛋白22α 等的表達(dá)，通過(guò)增加血管性血友病因子和CD31 等基因啟動(dòng)子區(qū)域的DNA 甲基化，誘導(dǎo)微小RNA（miRNA）-92a 抑制KLF2/4，從而降低EC 標(biāo)記基因的表達(dá)[22]。此外，內(nèi)皮代謝狀態(tài)對(duì)于調(diào)節(jié)EndMT 至關(guān)重要。層流通過(guò)KLF2 抑制葡萄糖的攝取和糖酵解[16]；相反，紊亂流以缺氧誘導(dǎo)因子1α 依賴的方式誘導(dǎo)糖酵解并降低線粒體呼吸能力[23-24]。因此，剪切應(yīng)力調(diào)控的EndMT 也可能與保護(hù)性層流及致AS 性血流調(diào)節(jié)的代謝變化有關(guān)。

3.2 剪切應(yīng)力與EC更新

與層流相比，低血流或振蕩流會(huì)導(dǎo)致以高細(xì)胞周轉(zhuǎn)率為特征的內(nèi)皮狀態(tài)[3]。與兔胸主動(dòng)脈直段相比，紊亂流區(qū)域的EC 具有更高的有絲分裂率[25]。部分研究認(rèn)為巨噬細(xì)胞自噬（自噬）能增強(qiáng)剪切應(yīng)力對(duì)于內(nèi)皮的有益作用。有研究發(fā)現(xiàn)，缺乏內(nèi)皮自噬的小鼠會(huì)形成更多的AS 斑塊，其機(jī)制仍不清楚[26]。與脈動(dòng)剪切應(yīng)力相比，LSS 致AS 區(qū)通過(guò)激活哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶點(diǎn)和抑制腺苷酸活化蛋白激酶（AMPK）α 通路使EC 自噬處于較低水平，導(dǎo)致細(xì)胞排列缺陷以及內(nèi)皮炎性反應(yīng)、衰老和凋亡，從而促進(jìn)AS 病變的發(fā)展[27]。剪切應(yīng)力調(diào)節(jié)的內(nèi)皮自噬與不同細(xì)胞過(guò)程之間的聯(lián)系機(jī)制仍需進(jìn)一步研究。

研究發(fā)現(xiàn)，LSS 可抑制miR-181b-5p 的表達(dá)，導(dǎo)致信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)與轉(zhuǎn)錄激活因子3（STAT-3）表達(dá)增加；STAT-3 依賴的組蛋白乙?；险{(diào)核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白（NLRP）3 炎性小體的表達(dá)，引起神經(jīng)元細(xì)胞焦亡[28]。STAT-3 下調(diào)抑制了LSS 下人臍靜脈EC 中NLRP3 介導(dǎo)的焦亡[28-29]。LSS 誘導(dǎo)的血管EC 焦亡在AS 的發(fā)生和發(fā)展中起到重要的作用，其潛在的機(jī)制仍需深入探討。

3.3 剪切應(yīng)力與內(nèi)皮炎性反應(yīng)

AS 是一種慢性血管炎性反應(yīng)疾病，與氧化應(yīng)激密切相關(guān)。有研究發(fā)現(xiàn)，LSS 增加了主動(dòng)脈弓彎曲內(nèi)側(cè)易斑塊區(qū)域的活性氧（ROS）表達(dá)水平，這需要血管緊張素Ⅱ1 型受體（AT1R）的參與。LSS通過(guò)AT1R介導(dǎo)的eNOS活性/NO下調(diào)來(lái)誘導(dǎo)ROS，而AT1R 抑制劑氯沙坦可以抑制ROS 的生成[30]。此外，另有研究發(fā)現(xiàn)靈芝三萜類化合物能保護(hù)EC免受OSS 介導(dǎo)的ROS 升高影響，并在應(yīng)激條件下維持內(nèi)皮穩(wěn)態(tài)功能，但具體機(jī)制尚不明確[31]。因此，有必要深入探討剪切應(yīng)力介導(dǎo)的ROS 產(chǎn)生參與內(nèi)皮氧化應(yīng)激調(diào)節(jié)的機(jī)制。

Singh 等[32]發(fā)現(xiàn)，在內(nèi)皮穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)中，由血小板內(nèi)皮細(xì)胞黏附分子-1（PECAM-1）、血管內(nèi)皮細(xì)胞鈣黏蛋白和PLXIN2 組成的內(nèi)皮連接機(jī)械感覺(jué)復(fù)合體起重要作用。層流下，Ras 相關(guān)蛋白（Rap）1位于PECAM-1 下游，傳遞形成連接機(jī)械感覺(jué)復(fù)合物所需的信號(hào)，促進(jìn)eNOS 激活和NO 釋放[32]。相對(duì)的，ECRap1 缺失會(huì)加劇AS 的進(jìn)展，表明內(nèi)皮Rap1 信號(hào)是治療心血管疾病的新靶點(diǎn)[32]。

LSS 誘導(dǎo)AMPK 去磷酸化，激活鈉氫交換體1 和透明質(zhì)酸酶2，二者協(xié)同介導(dǎo)EC 糖萼層中的透明質(zhì)酸降解，從而導(dǎo)致內(nèi)皮糖萼損傷[33]。在左頸總動(dòng)脈部分結(jié)扎小鼠模型中，AMPK 激活劑預(yù)處理可防止LSS 引起的結(jié)扎近端血管內(nèi)膜上糖萼受損，同時(shí)伴隨著ICAM-1 和VCAM-1 表達(dá)降低，巨噬細(xì)胞數(shù)量減少[33]。保護(hù)糖萼有可能成為預(yù)防早期內(nèi)皮炎性反應(yīng)和抑制AS 病變形成的新策略。

AS 易感部位嘌呤能受體P2X7的表達(dá)受OSS調(diào)控。致AS 性血流通過(guò)P2X7依賴性機(jī)制誘導(dǎo)p38 磷酸化，上調(diào)E-選擇素和白細(xì)胞介素-8 的分泌，并啟動(dòng)ECATP 依賴性鈣內(nèi)流[34]。有研究發(fā)現(xiàn)，主動(dòng)脈弓彎曲內(nèi)側(cè)擾動(dòng)的血流可通過(guò)上調(diào)EC 中額外A 結(jié)構(gòu)域的纖維連接蛋白來(lái)激活EC Toll 樣受體4 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)，與髓樣分化因子相互作用增強(qiáng)，NFκB、VCAM-1 表達(dá)增加，進(jìn)而導(dǎo)致AS 的發(fā)生[35]。

綜上所述，層流誘導(dǎo)抗炎、抗增殖和抗血栓形成基因的表達(dá)；而LSS 與OSS 通過(guò)各種轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑及細(xì)胞因子促進(jìn)細(xì)胞增殖和炎性細(xì)胞黏附，進(jìn)而引發(fā)內(nèi)皮功能障礙，最終導(dǎo)致AS。血液流動(dòng)參與調(diào)節(jié)內(nèi)皮功能及其功能失調(diào)的基因表達(dá)調(diào)節(jié)尚不十分明確，仍需不斷探索。

4 展望

AS 過(guò)程涉及系統(tǒng)性危險(xiǎn)因素、擾動(dòng)或LSS 和血管壁生物反應(yīng)。致AS 性血流與高血壓、高脂血癥、吸煙等危險(xiǎn)因素協(xié)同作用，不斷加速AS 進(jìn)程。隨著系統(tǒng)生物學(xué)技術(shù)的廣泛應(yīng)用和各項(xiàng)研究不斷深入，逐漸認(rèn)識(shí)剪切應(yīng)力參與調(diào)節(jié)內(nèi)皮功能障礙信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的機(jī)制，為延緩疾病進(jìn)展乃至疾病治療預(yù)防發(fā)生提供了新的靶點(diǎn)。