動脈心血管系統由管腔內皮層組成，該內皮層通過響應和傳遞機械、旁分泌和內分泌刺激循環巨噬細胞和底層的平滑肌細胞（SMCs），對血管健康至關重要。因此，維持內皮健康對于血管功能系統至關重要。然而，促炎刺激會促進內皮功能障礙，通過協調巨噬細胞跨內皮遷移到血管壁，從而引發動脈粥樣硬化。在遷移過程中，巨噬細胞從M1表型極化到M2表型，最終形成促炎泡沫細胞，與內皮源性炎癥介質協同作用，促進SMC增殖。最終，這些事件引起血管床損傷和動脈粥樣硬化病變形成。

這些發現表明，除了全身刺激，局部血流動力學在內皮細胞（ECs）中引發機械信號傳導事件。因此，盡管每種細胞類型在血管健康中都起著重要作用，但內皮細胞的機械力學生物學被假設為組織動脈粥樣硬化病灶性質的重要細胞類型。美國加州大學圣地亞哥分校醫學系、斯坦福大學醫學院兒科等專家學者對此領域進行了相關探索與討論。

內皮細胞是機械傳感器，對局部血流模式引起的物理力作出反應。脈動剪切應力（PS）發生在血管的直線區域，具有單向性。PS促進EC穩態和血管健康。相比之下，振蕩剪切應力（OS）與發生在血管彎曲或分叉處的擾動流動模式有關。OS誘發局部炎癥環境，促進特定部位動脈粥樣硬化的起始和進展。這些局部剪切應力模式可以使用平行平板系統在體外建模（圖1 a）。在這個系統中，ECs被鍍在玻璃載玻片上作為融合的單層。在載玻片之間放置一個墊圈以形成具有入口和出口的腔室，用于培養基的流動，從而創建具有調節流速（例如，12 ± 4 dynes/cm2的PS 和 0.5 ± 4 dynes/cm2 的OS）的灌注系統，類似于人體生理條件（圖1 b）。

利用該系統，研究了剪切應力對應力纖維取向和細胞內流變性的影響。研究結果表明，PS引起細胞骨架纖維，如肌動蛋白，微管蛋白和中間細絲等，以及蠕變的細胞內流變參數與細胞軸和流動方向一致。這些結果導致了機械刺激方向性調節EC組織狀態和功能的新概念的提出。為了驗證和補充這些體外研究，該團隊進行了體內動物實驗，通過比較胸主動脈和主動脈弓，分別研究了PS和動脈粥樣硬化保護性血流與OS和動脈粥樣硬化傾向性血流的關系（圖1 c）。部分結扎（PL）的其他動物模型包括手術結扎頸總動脈的三個分支，以誘導收縮，從而改變流動模式，從保護動脈粥樣硬化的流向轉變為傾向于動脈粥樣硬化的流動模式。

圖1   研究剪切應力對內皮細胞影響的技術

（a）圖表說明了用于體外將PS或OS應用于ECs的可灌注流動系統。（b）灌注系統施加剪切應力，脈動方向為 12 ± 4 dynes/cm2，最小大小為 0.5 ± 4 dynes/cm2。（c）用主動脈弓標注的主動脈，該區域以OS模擬的擾動流動模式為特征，胸主動脈以PS模擬的層流模式為特征。

體外和體內系統用于研究剪切應力時空調節機械傳感器、信號分子和基因調控影響EC表型的過程。這導致了膜脂質和蛋白質，如受體酪氨酸激酶、連接蛋白、粘附蛋白、離子通道、G蛋白偶聯受體以及整合素在流動誘導機械轉導中的作用。但是，機械轉導誘導的EC通路的范圍遠遠超出了剪切應力對EC膜，包括銜接蛋白、轉錄因子、受體、激酶、連接蛋白和粘附分子等的影響。在這些通路中，該小組合作研究了部分機制，包括剪切應力調節EC轉錄反應的機制。

其中，一個重要的通路是PS誘導的KLF2和KLF4，它們是PS誘導EC功能的重要轉錄 因子，部分通過轉錄激活內皮型一氧化氮合酶（eNOS）。eNOS 的合成由ECs分泌的一氧化氮（NO），以促進血管舒張。后續研究表明，AMP活化蛋白激酶（AMPK）在 PS下受到刺激，進而磷酸化并激活Ser-633和Ser-1177位點的eNOS。這種磷酸化狀態引發 eNOS用于SIRT1的脫鏈，從而提高NO的生物利用度。AMPK 還通過激活肌細胞增強因子2（MEF2）表達增加KLF2的轉錄表達。這在一定程度上解釋了為什么AMPK激活劑，如二甲雙胍和他汀類藥物，對動脈粥樣硬化具有保護作用（圖2 a）。

動脈粥樣硬化的一個標志是泡沫細胞在血管壁中的積聚。在OS條件下，ECs單核細胞趨化蛋白1（MCP1）的表達增加。MCP1募集單核細胞到血管壁，在那里它們浸潤內皮下間隙并分化為巨噬細胞，巨噬細胞清除氧化脂質形成泡沫細胞。許多其他促炎信號通路都是由OS誘導，包括NFκB通路及其下游靶點 VCAM-1（圖2 b）。這些通路在致動脈粥樣硬化環境中達到ding峰。

OS也影響EC脂質代謝。甾醇調節元件結合蛋白（SREBP）1 和2，是激活膽固醇生物合成和攝取相關基因的關鍵轉錄因子，在OS下上調。在生理條件下，細胞內高甾醇濃度抑制 SREBP 介導的膽固醇產生。然而，在OS條件下，SREBP 進行持續激活。這表明，上游機械傳感器（如整合素）可能促進脂質在 ECs中的積聚，而與細胞內甾醇濃度無關（圖2 b）。此外 SREBP2 通過激活核苷酸結合寡聚化結構域樣受體蛋白3（NLRP3）炎癥小體，以及促進TNF-α受體相關轉錄因子相互作用蛋白與叉頭相關結構域（TIFA）的轉錄，TIFA 是NLRP3炎癥小體誘導的關鍵介質，與EC先天免疫反應相關（圖2 b）。因此，OS激活的SREBP2增強了未解決的炎癥的惡性循環。除了這些炎癥作用外，OS通過增加EC增殖促進動脈粥樣硬化形成表型。

Yes相關蛋白（YAP）和具有PDZ結合基序的轉錄輔激活子（TAZ）是調節器官大小和癌癥發展的轉錄激活因子，與OS誘導的EC增殖有關。利用模擬體內OS的頸動脈部分結扎（PL）模型，71例實驗表明YAP/TAZ在血流擾動下被激活。此外，OS上調細胞周期調節基因和炎癥基因，以YAP依賴性方式。在PL模型中，使用嗎啉抑制YAP可減弱動脈粥樣硬化的發展（圖2 b）。

圖2   剪切應力對內皮的影響

（a）PS對ECs影響的網絡示意圖。PS激活AMPK、KLF2和KLF4。AMPK通過磷酸化DNMT1、RBBP7、HAT1、YAP/TAZ、PARP1、NCL和皮質激素，起到動脈粥樣硬化保護作用。KLF2通過轉錄誘導ITPR3、LEENE和LINC00341發揮類似的動脈粥樣硬化保護作用。這些靶點的活性被調節以增強線粒體的生物發生和功能，增加eNOS衍生的NO生物利用度，并減少EC增殖和炎癥。（b）OS對ECs影響的網絡示意圖。OS激活SREBP2，YAP / TAZ和NF-κB，共同損害EC穩態，并增強EC炎癥和增殖。

綜上所述，這些研究確定了由血流模式誘導的機械轉導在決定動脈粥樣硬化或動脈粥樣保護EC表型中起著重要作用。因此，PS 通過抑制EC炎癥、增殖和遷移來保護動脈粥樣硬化,而OS具有相反的效果。

參考文獻：He M, Martin M, Marin T, Chen Z, Gongol B. Endothelial mechanobiology. APL Bioeng. 2020 Feb 20;4(1):010904. doi: 10.1063/1.5129563. PMID: 32095737; PMCID: PMC7032971.

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