血管力学生物学 2023 年度研究进展

摘要:心血管系统是一个以心脏为中心、血管为网络的力学系统,力学因素在调控心血管系统生理状态或病理进程 中起到直接且关键的作用。 冠心病、高血压和脑卒中等多种心血管疾病都有着相似的病理学基础,即由于血管功 能失衡及损伤修复异常引起的血管重建。 因此,研究力学因素如何产生生物学效应而导致血管重建,阐明心血管 力学信号转导通路和力学调控途径,对于深入了解心血管活动和疾病发生的本质及其防治有重要意义。 本文以力 学刺激(环境)因素和关键力学响应分子为线索,总结 2023 年度血管力学生物学的最新研究进展。 研究结果为进 一步探讨力学因素在心血管疾病发病机制中的作用,寻找心血管疾病诊断的标志物和潜在靶标等提供了新思路。

心血管疾病是危害人类生命健康最严重的疾 病之一。 《中国心血管健康与疾病报告 2020》显示,我国心血管疾病现有患病人数为 3. 3 亿,年死亡人 数超过 400 万例。 心血管病治疗的巨额费用已成为家庭、社会和国家的沉重负担。 因此,深入探讨心 血管疾病发生、发展的机制及其防治是“面向人民 生命健康”的国家重大需求问题。 心血管系统是以 心为动力泵、血管为网络的力学系统,力学因素在 调控心血管系统生理状态或病理进程中起到至关 重要的作用。 血管壁细胞会受到多种形式的力学 刺激(环境)因素,如剪切应力(shear stress)、周期性 张应力(变) (circumferential stress)、正压力(normal stress)等外源性应力以及细胞外基质( extracellular matrix, ECM)硬度等内源性应力。 血管细胞通过感 知不同的力学刺激,并将其转化为生化信号进而激 活胞内一系列的应答反应。 力学因素的改变或病 理条件下产生的应力与疾病的发生发展密切相关, 揭示心血管疾病发生与发展的机制,寻找力学因素 调控的心血管疾病防治潜在的新靶点和新策略有 着非常重要的意义[1-2] 。 本文以血管力学刺激(环 境)因素和关键力学响应分子为线索,介绍 2023 年 度的血管力学生物学领域的最新研究进展。

1 血管力学刺激(环境)因素

1.1 剪切应力

大量研究表明,动脉直部的血流是剪切方向一 致、剪切速率高的层流,该血流区域具有抗动脉粥 样硬化的特性。 相反,动脉的分叉和弯曲处的血流 呈剪切方向往复且速率低的扰动流,该紊乱血流区 域更容易促进动脉粥样硬化的发生。 不同流动模 式的剪切应力会对 ECs 产生不同的力学信号,其中 涉及不同的调控机制[3] 。

Cheng 等[4]通过单细胞分析揭示 SOX4 作为内 皮功能障碍过程中的一种新型表型调节因子,进而 加剧动脉粥样硬化的发生,其中高脂血症相关细胞 因子和紊乱血流均是 SOX4 的内源性诱导因子。 Canham 等[5]研究发现,EVA1A 是一种新型血流敏 感基 因, 它 通 过 调 节 血 管 内 皮 细 胞 ( endothelial cells, ECs)自噬和炎症激活介导了促动脉粥样硬化 的紊流对心血管细胞功能障碍的影响。 Shih 等[6] 通过大规模磷酸化蛋白质组学分析,发现了一种新 型动脉粥样硬化相关磷酸化蛋白 Vinculin,它在 Ser 721 位点(VCL S721p )的磷酸化是由扰动流诱导(见图 1)。 Tang 等[7] 研究发现,扰动血流诱导的 CCRL2 通过 CCRL2-chemerin-β2 整合素轴诱导动脉粥样硬化斑块的形成,为动脉粥样硬化的预防或治疗干预 提供 了 潜 在 靶 点。 Jiang 等[8] 研 究 表 明, ECs 的 PHACTR1 是一种新型 PPARγ 核心抑制因子,可在 血流 紊 乱 区 域 促 进 动 脉 粥 样 硬 化, 这 使 得 PHACTR1 是治疗动脉粥样硬化的潜在靶点之一。 Anisimov 等[9]研究显示,在动脉 ECs 中缺失 Tie2 或 同时缺失 Tie2 和 Tie1 会增加 Foxo1 的核定位、内皮 黏附分子的表达和免疫细胞的聚集,从而促进动脉 粥样硬化的发生,表明 Tie2 受体是一类保护动脉粥 样硬 化 的 主 要 内 皮 血 管 生 成 素 受 体。 Shirakura 等[10]研 究 认 为, 暴 露 在 高 剪 切 应 力 下 会 导 致 VE-PTP 的极化和内吞,同时细胞连接处的 Tie2 也 会被激活,使得大分子通透性更低,进而确定了 VE-PTP 是抑制动脉粥样硬化的新靶点之一。

图 1 扰动流诱导 ECs 的 VCL S721p 促进动脉粥样硬化发生的机制

Tauchi 等[11] 研究发现,JNK1 / 2 通过促动脉粥 样硬化的剪切应力介导 ECs 的 Cx43 力学转导, Cx43 在人颈动脉斑块中的巨噬细胞和 ECs 中表达, 并且 Cx43 +细胞数量与斑块易感性相关。 Hartman 等[12] 利 用 近 红 外 光 谱 技 术 血 管 内 超 声 ( nearinfrared spectroscopy-intra vascular ultrasound,NIRSIVUS) 和 光 学 相 干 断 层 扫 描 ( optical coherence tomography,OCT)技术在超过 1 年的随访中发现,暴 露于低剪切应力以及脂质丰富的区域往往容易有 斑块生长。 而 Hakim 等[13] 研究发现,斑块侵蚀与 ECs 受到的剪切应力、梯度以及斑块形貌密切相关。 针对动脉粥样硬化的治疗,Zhao 等[14] 通过小鼠颈 动脉部分结扎模型证明,盘形的纳米颗粒比球形纳米颗粒在血流紊乱区域具有更好的靶向性和更高 的聚集性,该发现为改善动脉粥样硬化的治疗提供 了有效策略之一。 另外,Zhao 等[15] 研究表明,ECs 的甲基转移酶 DNMT1 通过抑制 ALDH2、ALDH3A1 和 ALDH6A1 的表达来介导血流动力学调节的内皮 间质转化,而补充肌肽等可能在预防和治疗动脉粥 样硬化方面有很大的潜力。

关于 ECs 对剪切应力的感知,Walther 等[16] 使 用原子力显微镜和数学建模发现,控制剪切力传递 的关键参数不是亚细胞区室的单独力学参数,而是 它们之间的刚度比(见图 2)。 Yamamoto 等[17] 研究 认为,ECs 通过改变其细胞膜和线粒体膜的脂质顺 序,进而差异性地感知层流和紊流,层流条件下 ATP 产生增加,紊流条件下 H2O2 释放增加。 在剪 切应 力 对 ECs 活 化 和 血 管 生 成 的 影 响 方 面, Bosseboeuf 等[18] 研 究 发 现, Neuropilin-1 与 VEcadherin 和 TGFBR2 相互作用,稳定黏着连接,阻止 血 液 流 动 情 况 下 ECs 活 化, 该 结 果 揭 示 了 Neuropilin-1 在 ECs 中的减少可能会通过调节黏着 连接信号、促进 TGF-β 信号和炎症反应而导致血管 疾病。 Kim 等[19]研究发现,Sox17 介导的 ECs 基因 表达和表型变化,在生物力学刺激情况下被高度调 节,表明 Sox17 在调节动脉血流动力学下的动脉 ECs 适应性以及血管发生和血管生成期间的尖端细 胞行为中起重要作用。 Fujimoto 等[20] 通过计算流 体力学求解器(COMSOL)模拟揭示了在剪切应力相 对较低(50~150 mPa)的位置血管更容易生成。

图 2 核/ 细胞质刚度比控制传递到核的剪切应力大小

1. 2 周期性张应变

脉动的血流导致血管壁受到周期性张应力 (变)。 正常生理条件下,动脉血管壁受到的周期性 张应变或循环拉伸幅度为 5% ~ 10% ,对于维持血管 动态生理平衡至关重要。 而在高血压等病理条件 下,动脉血管壁受到的周期性张应变幅度能达到 15% 左右。

Chu 等[21]开发一种模拟人体动脉血管微流体 系统的装置,该装置结合了流体剪切应力和周期性 张应变,观察到这些力学刺激使得 ECs 细胞骨架排 列方向与液体流动方向一致。 Neutel 等[22] 研究发 现,血管平滑肌细胞( vascular smooth muscle cells, VSMCs)是主动脉黏弹性的重要调节器,而循环拉 伸是主动脉黏弹性的调节因素,循环拉伸幅度和频 率条件的改变,如锻炼或者高血压,会引起主动脉 黏弹性的改变。 Han 等[23]研究表明,生理性张应变 促使内皮祖细胞代谢重编程,通过上调 Acsl1 的水 平增加 ATP 的产生,进一步促进其黏附及体内再内 皮化的能力,最终改善了血管修复并抑制了血管狭 窄(见图 3)。 Figueroa 等[24] 研究发现,SGK-1 在主 动脉 VSMCs 的力学激活可以促进炎症信号的释放 和巨噬细胞的聚集,故该激酶可作为高血压血管病 变的潜在药物治疗靶点。 Zhang 等[25] 研究显示,主 动脉压力诱导 VSMCs 的表观遗传程序,促进维持主 动脉稳态的适应性反应,其中 YAP 通过感知力学信 号和诱导适应性基因表达,在这种适应性反应中发 挥核心作用。 Wang 等[26]研究表明,Escin 通过抑制 力学拉伸和化学诱导血管 ECs 的 Piezo1 激活来改 善炎症状况。 Ferrari 等[27]研究了 ECM 刚度对新生 血管生成的影响,以及循环拉伸对 ECs 血管生成的 影响,发现 ECM 水凝胶硬度控制着血管的大小和新 生血管的密度,而 RNA 测序显示循环拉伸促使了 ANGPTL4+5、PDE1A 和 PLEC 等基因的上调。 此外, Chandra Sekar 等[28]建立了一种通用模型来研究基质 刚度和循环拉伸对人主动脉 ECs 的协同作用,发现 NF-κB 在细胞核内的积累、ECs 的增殖以及 IL-1β 的 表达均依赖于循环拉伸水平和基底刚度(见图 4)。

1.3 ECM 刚度

细胞的力感受器也能够响应 ECM 的刚度变 化。 Biber 等[29]通过分析全转录组微阵列数据,揭 示了 Survivin 作为细胞周期和增殖的上游调节因子通过 FAK-E2F1 信号轴响应 ECM 刚度。 Yu 等[30] 研究发现,ECM 刚度和 TGF-β 信号共同调控微血管 稳定性和周细胞-肌成纤维细胞分化。 较硬的 ECM 可促进 ECs 的 ITGB1 的 Y783 磷酸化和 CTGF 分 泌,从而诱导周细胞分化为肌成纤维细胞。 Zhang 等[31]研究认为,成纤维细胞 MRC-5 在改变 ECM 微 环境中发挥作用,通过动态 ECM 重塑促进血管形成。 Zhang 等[32]研究表明,聚集在甘草根茎中的一 种查尔酮 Echinatin 可以降低 VSMCs 周围 ECM 的 刚度,也可维持 ECs 中谷胱甘肽代谢的平衡,进而 抑制导致动脉粥样硬化的铁死亡和基质重塑。 此 外,VSMCs 的衰老和 ECM 硬化增加会促进 Sox9 表 达,而 Sox9 高表达反过来又驱动 ECM 进一步修饰, 从而加速血管硬化和衰老[33] 。

ECM 变化还对 ECs 和血管生成具有较大影响。 Subramanian 等[34] 通过改变 ECM 的组成成分,如 I 型胶原蛋白和纤连蛋白的组成比例,发现不同比 例下的细胞面积和细胞圆度呈现不同的关系,证明 了不同胶原和纤连蛋白比率对 ECs 生物力学和形 态学反应的影响。 Carrasco-Mantis 等[35]开发了一种 基于 3D 主体的血管生成力学生物学模型,从计算 机生物学层面揭示并部分解释了 ECM 力学因素对 血管生成的作用,发现 ECM 刚度增加会加速血管 网络增殖,血管网络倾向于向硬度更高的区域生 长;此外,ECM 黏弹性增加会减缓血管网络增殖。 Wei 等[36]利用动态和共价网络的合成策略,开发了 一种基于胶原蛋白-透明质酸的水凝胶平台,通过数 学模拟和体内血管生成实验证明了基质可塑性的 平衡有利于细胞与基质的结合和细胞间的黏附,进 而促进血管的组装和侵袭(见图 5)。 Chang 等[37] 利用 3D 微流体组织模拟血管新生发芽,在具有良 好物理特性的 ECM 上叠加确定的间隙流,发现与 纯胶原蛋白的水凝胶相比,在基于胶原蛋白的基质 中添加透明质酸可显著增强间隙流诱导的血管新 生出芽,揭示了透明质酸通过改变胶原 ECM 的刚 度和孔隙来增强间质流介导的血管新生出芽。

2 关键力学响应分子

除了以上力学因素的影响之外,Piezo1 和 YAP 作为关键的力学响应分子在血管力学生物学中同 样发挥着重要作用。

已知 Piezo1 通道是力敏感的阳离子通道,可被 力学拉伸或剪切应力激活。 Jiang 等[38] 研究发现, Piezo1 通道激活可通过增强 ECs 的线粒体呼吸和糖 酵解来刺激 ATP 的产生,提示 Piezo1 通道在 ECs 能 量代谢中发挥着作用。 Chuntharpursat-Bon 等[39] 揭 示了 Piezo1 和 PECAM1 在细胞-细胞连接处相互作 用,并在 ECs 的力传导中共同发挥作用。 Tian 等[40]揭示了血管龛中血流产生的力学刺激对果蝇造血 过程的影响。 在血管龛细胞中,力敏感通道 Piezo 通过细胞内钙离子的上 调 来 传 递 力, 从 而 导 致 Notch 激活和 FGF 配体转录的抑制,而 FGF 配体已 知可调控造血祖细胞的维持。 Xie 等[41] 揭示了微 环境硬化在加剧巨噬细胞依赖性血管生成反应缺陷 中的关键作用,敲除巨噬细胞 Piezo1 通过 CaMKⅡ/ ETS1 介导的 FGF2 转录激活促进后肢缺血后的灌 注恢复。 该研究结果为增强缺血性疾病的血管生 成提供了一种很有前景的治疗策略。 Luu 等[42] 基 于超声镊子的微机械系统、力瞬时频谱和转录组分 析发现了老化 VSMCs 的力学响应存在异常,并确定 Piezo1 是缓解血管老化的潜在治疗性力学生物学 靶点。