心血管疾病（CVD）是一項嚴重的健康挑戰，在世界范圍內造成的死亡人數超過癌癥。血管內皮，由內皮細胞（ECs）組成，位于血管的最內層，在維持血管完整性和體內平衡方面起著核心作用，并與血流直接接觸。ECs 對流體剪切應力（FSS）非常敏感，FSS 是體內平衡的關鍵決定因素，但也可能是疾病的誘因（圖1）。SS 的大小使用可互換的單位（1 Pa = 1 N/m2 = 10 dynes/cm2）表示，該值受血流速度、血管內半徑和血液粘度變化的影響。

圖1 血流動力學SS 及其在血管病理生理學中的作用。

細胞面臨著不同的物理、生化和生物力學環境，并具有對這些信號做出反應以維持適當生物功能的能力。研究表明，血管壁的機械擾動有助于動脈粥樣硬化的形成和發展。當動脈的直段部分暴露于持續的層流和生理性高剪切應力下時，分支點附近或彎曲血管中的血流可能會表現出“擾動性”的流動。臨床研究以及體外分析已經證實，這些擾流區域，包括低剪切應力、再循環、振蕩或橫向流動，是動脈粥樣硬化病變形成的優先部位。由于血管 ECs 在血流穩態中起關鍵作用，因此具有機械感應機制，使它們能夠對機械力的變化做出快速反應，并執行特定環境的適應性反應來調節 EC 功能。基于此，四川大學華西基礎醫學與法醫學院生物醫學工程研究室、浙江大學醫學院附屬邵逸夫醫院心內科及美國馬薩諸塞州總醫院和哈佛醫學院放射腫瘤科聯合團隊在一項綜述中總結了目前對內皮細胞力學生物學的理解，以期指導確定新的治療靶點以減緩或逆轉動脈粥樣硬化的進展。研究成果發表于 Cardiovascular Research 期刊題為“Endothelial mechanobiology in atherosclerosis”。

01研究 FSS 對 ECs 影響的方法

為了研究 EC 對 SS 的反應機制，已經開發了各種模型來模擬體內血流環境。體外模型（圖2）可以為研究內皮生物學提供良好的控制條件。然而，這些模型的局限性在于它們不能完全概括復雜得多的血管解剖結構或機械特性。另一方面，體內模型（圖3）與疾病過程更相關，但動物模型中的流體動力學難以準確測量或控制。因此，體內和體外方法的結合更有助于我們目前對內皮力學生物學和動脈粥樣硬化的理解。選擇合適的模型來研究 FSS 對 ECs 的影響取決于要研究的特定內皮過程。通過表征體外模型生成的 FSS 圖譜并將它們與動脈粥樣硬化中鑒定的 FSS 圖譜配對，可以更詳細地描述機械力對內皮健康和病理生理學的貢獻。

圖2 體外研究內皮 SS 的方法。（A）改進的錐板粘度計系統，用于應用空間均勻的 SS。（B）由培養皿構建的剪切環裝置，放置在搖床板上來驅動流動。（C）平行板流通室，流量由注射泵控制。（D）階梯流室。由平行板流動室修改而建。（E）微流體裝置中的分叉通道。（F） 在水凝膠中澆鑄的圓柱形通道。

圖3 調控內皮 SS 的體內方法。（A）在 SS-袖帶模型中，在右頸動脈（RCA）周圍放置限制性袖帶以改變血流。由此產生的SS 變化可用 CFD 進行估計。上游層流 SS 和下游振蕩 SS 降低。（B）部分結扎模型。左頸動脈（LCA）的三個分支被結扎，從而減少 LCA 中的 SS。（C）動靜脈瘺（AVF）模型

02ECs 對 FSS 的響應

EC 形態

體外和體內研究已清楚地確定，高層流 SS 區域中的 ECs 沿流動方向伸長并與其平行，在中心區域排列整齊，形成平行排列的肌動蛋白應力纖維。而靜態培養或暴露于擾動流的細胞是隨機定向的，呈現更多邊形的形狀，它們的肌動蛋白絲很短，主要位于細胞。與血流方向平行的 EC 排列很可能是一種適應反應，可以減少血流阻力并誘導內皮細胞中的促存活信號。擾亂的血流或低 SS 導致 ECs 排列不一致，從而使它們暴露于更高的 SS 梯度，并可能使這些區域發生動脈粥樣硬化。

EC 周轉率

層流導致 EC 周轉率降低，并使 ECs 處于相對非增殖的狀態，這與 DNA 合成抑制和細胞周期進程抑制有關，大多數細胞停滯在 G0 或 G1 期。相反，振蕩/低 SS 促進 EC 周轉，其特征是抑制 p21 通過 G0/G1-S 轉換增加 DNA 合成和增殖。

EC 滲透性

在生理性高層流 SS 的情況下，相鄰的 ECs 緊密相連并限制脂蛋白等大分子的通過。相反，擾動流會導致屏障破壞并增加對大分子的滲透性。擾動血流導致低密度脂蛋白（LDL）的大量內膜清除率，使大量 LDL 滲入內膜。低/振蕩 SS 通過減少內皮細胞上的窗孔數量來增加內彈性膜和彈性薄片的通透性，從而增加大分子在動脈壁中的積累。此外，已經報道了血管壁中白蛋白和 LDL 等大分子攝取的剪切依賴性。與細胞在靜態條件下的攝取相比，較低的 SS 導致 EC 對LDL 的攝取增加，而在較高的 SS 下攝取減少。

內皮-間質轉化（EndMT）

雖然層流 SS 對 EndMT 具有保護作用，但 ECs 暴露于紊亂血流會經歷 EndMT，從而導致動脈粥樣硬化。對人冠狀動脈的分析表明，成纖維細胞生長因子受體1（FGFR1）表達降低、TGF-β信號激活、EndMT的發生與動脈粥樣硬化的嚴重程度有很強的相關性。使用平行板系統和部分頸動脈結扎模型，研究證實 ALK5（TGFβR1）是負責 Mechano-EndMT（機械力誘導的內皮-間質轉化）的受體，而 Src同源蛋白和膠原蛋白（Shc）在擾動 SS 區域充當 EndMT 和動脈粥樣硬化的關鍵下游驅動因素。此外，3D 微工程人冠狀動脈芯片中的振蕩 SS 誘導 ECs 轉變為促炎性 EndMT 表型，并促進動脈粥樣硬化形成，這是由 Notch1/p38 MAPK-NF-κB 信號通路介導的。

抗凝活性

生理層流 SS 促進抗凝血特性，與 ECs 的動脈粥樣硬化保護表型一致。前列環素是個在剪切力作用下從 ECs 中釋放的血小板聚集抑制劑。層流 SS 誘導的血管擴張劑一氧化氮（NO）的釋放也是 ECs 抑制血小板聚集特性的原因。在高 SS 的層流下，KLF2 介導的血栓調節蛋白（TM）上調是大動脈中抗血栓形成和抗動脈粥樣硬化的重要保護性機制。

白細胞粘附和遷移

大量研究表明，層流與循環白細胞對 ECs 的粘附減少有關，該過程涉及抑制 ECs 中粘附分子和趨化蛋白（例如 VCAM-1 和 MCP-1）的表達。相反，SS 改變的擾動流會促進白細胞結合和遷移，導致白細胞在動脈中積累，增加動脈粥樣硬化形成的傾向。此外，越來越多的證據表明，剪切力參與整合素介導的白細胞停滯。血流動力學擾動可以激活中性粒細胞并誘導中性粒細胞胞外誘捕網（NETs）的釋放。

脂質代謝

層流抑制 ECs 中的脂質積累，因為生長停滯基因的上調而降低 LDL 通透性，并且由于甾醇調節元件結合蛋白1（SREBP1）的下調而降低脂質攝取和合成。相反，擾動流誘導 SREBP1 的持續激活，從而導致 SRE 介導的 EC 基因轉錄激活增加，從而促進脂質攝取和脂質合成。

SS 和 EC 與鄰近細胞的相互作用

由于 ECs 不單獨存在于血管壁中，因此 ECs 與血管壁中的其他細胞之間存在串擾，這些細胞類型之間的相互作用對于正常的血管功能很重要。先前的研究表明，ECs 可以將 SS 誘導的信號傳輸到 VSMCs，且 VSMCs 也表現出對 EC 的反饋控制。機械刺激下的凈動脈重塑受來自 ECs 的生長抑制信號和來自 VSMCs 的生長刺激信號之間的動態相互作用控制。這些結果強調了在研究內皮力學生物學和血管病理學中考慮細胞間通訊的重要性。

總之，ECs 通過結構和功能適應來響應層流和擾動流，這涉及 EC 形態變化和基因表達的重編程，以調節細胞功能（如增殖、通透性、EndMT、白細胞外滲、凝血和脂質積累）（圖4）。這些反應有助于血管穩定和體內平衡重塑，是發育過程中血管結構的關鍵決定因素。

圖4 內皮細胞對SS的反應

03內皮機械傳感器和機械傳導機制

許多膜相關分子和微結構域已被確定為 ECs 中的機械傳感器，并介導機械刺激向細胞內信號的轉換，包括離子通道、局灶性粘附（FAs）、受體-酪氨酸激酶（如血管內皮生長因子受體VEGFR）、G 蛋白偶聯受體（GPCR）、糖萼、原代纖毛和小窩（圖5）。通常，EC 膜上的機械傳感器直接感應血流并將機械信號轉導到細胞中。這些機械傳感器的表達/結構改變導致機械轉導的改變，以及內皮功能障礙的發生，表現為內皮損傷、白細胞與活化內皮的粘附、EndMT、氧化應激/炎癥反應增加、衰老和高滲透性。因此，內皮細胞功能障礙易導致動脈粥樣硬化斑塊和其他血管疾病的發展。

圖5 內皮中的機械傳感器感知生物力學信號并將其轉化為生物信號。糖萼、初級纖毛、離子通道、細胞-細胞和細胞-底物粘附復合物、G 蛋白偶聯傳感器、小窩和 NE 蛋白（如 LINC 復合物）與流體力學的轉導有關。

上述內皮機械傳感器要么直接通過改變蛋白質活性或離子轉運的構象變化，要么通過啟動影響基因轉錄、細胞周期和其他與心血管病理生理學相關程序的信號轉導通路的復雜網絡來感知和響應機械應力（圖6）。迄今為止的研究揭示了一個復雜的信號網絡，不同的血流動力學力通過該網絡影響 EC 功能和動脈粥樣硬化形成。此外，細胞內不同的機械感應元件相互整合，形成分子回路，協調細胞對機械信號的反應。

圖6 參與 FSS 介導的內皮功能的 EC 機械轉導通路。

04動脈粥樣硬化中機械轉導通路的藥理學靶向

如上所述，許多機械轉導通路參與內皮細胞對血流和 SS 誘導的動脈粥樣硬化的反應。下表概述了目前可以改變 ECs 機械轉導的抗動脈粥樣硬化藥物（表1）。

表1 基于機械轉導途徑的藥物治療。

內皮力學生物學的復雜性在對抗 CVD 的斗爭中既帶來了機遇，也帶來了挑戰。一方面，正在發現新的機械敏感通路，并與動脈粥樣硬化形成過程中的內皮功能障礙有關。這些通路可能揭示預防或逆轉 CVD 的新靶點。另一方面，該系統的復雜性需要新的實驗工具和概念上的進步，以推進我們對內皮機械生物學如何促進抗動脈粥樣硬化環境中的穩態以及促進致動脈粥樣硬化區域的疾病進展的理解。這對于開發毒性最小的穩健療法至關重要。

參考文獻：Wang X, Shen Y, Shang M, Liu X, Munn LL. Endothelial mechanobiology in atherosclerosis. Cardiovasc Res. 2023 Jul 6;119(8):1656-1675. doi: 10.1093/cvr/cvad076. PMID: 37163659; PMCID: PMC10325702.

原文鏈接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37163659/

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