Aging-induced impaired endothelial wall shear stress mechanosensing causes arterial remodeling via JAM-A/F11R shedding by ADAM17

Keywords: Aging; Endothelium dysfunction; F11R; Junctional adhesion molecule-A; Mechano-transduction.

隨著年齡的增長，心血管系統發生了重要變化，包括血管硬度升高和異常重塑。研究表明，與衰老相關的小阻力動脈重塑可以獨立于全身血壓的變化而發生。研究已表明，小阻力動脈會因血流的持久變化或血流停止而發生重塑。值得注意的是，在血管調節和信號傳導中起關鍵作用的不是血流速率，而是壁面剪切應力（WSS），即由流動血液在內皮細胞表面的摩擦驅動的切向力。WSS由血流速度、粘度和血管管腔直徑確定。在阻力動脈中，WSS的時間增加會誘導血管舒張，從而有助于組織灌注的前饋調節。長期的WSS可以直接影響微循環中的血管壁重塑和血管生長。

假定的內皮WSS機械感覺復合物由血小板內皮細胞粘附分子-1（PECAM-1）、VE-鈣粘蛋白、血管內皮生長因子受體2（VEGFR2）和其他分子組成，主要定位于內皮細胞連接處。連接粘附分子-A（JAM-A/F11R）是內皮細胞連接復合物的組成部分，對于細胞的機械連接作用以及細胞間的信號傳遞具有重要作用。值得注意的是，研究表明，衰老會改變JAM-A/F11R的功能，由于其組織表達水平降低。基于此，有研究報道了老年人和老年小鼠的脂肪組織動脈中去整合素-金屬蛋白酶17（ADAM17），又稱為TNF-α轉化酶（TACE），的活性增加，這有助于TNF介導的遠端血管功能障礙。有趣的是，ADAM17介導其他幾種膜結合分子的蛋白水解脫落，包括JAM-A/F11R，且先前的一項體外研究表明，ADAM17的激活與內皮細胞中JAM-A/F11R的蛋白水解釋放有關。

基于上述基礎，美國喬治亞州奧古斯塔大學醫學院生理學系、藥理學和毒理學系的課題組曾在一項研究中驗證了與衰老相關的 ADAM17 激活和 JAM-A/F11R 脫落增加會損害內皮細胞 WSS 機械感應，從而導致小阻力動脈的異常管腔狹窄重塑的特定假設。研究成果發表在GeroScience 期刊題為“Aging-induced impaired endothelial wall shear stress mechanosensing causes arterial remodeling via JAM-A/F11R shedding by ADAM17”。

首先，為了解決生物力學力是否與衰老相關的血管重塑有關，評估了WSS誘導的幼齡和老年小鼠的離體和加壓骨骼肌動脈中的血管舒張作用。施加的壓力梯度在幼齡和老年小鼠的動脈中誘導了相同水平的腔內血流。然而，與幼齡小鼠（~ 10 dyne/cm2）相比，老年小鼠WSS誘導的血管舒張不僅程度降低，而且最大擴張反應需要更高的WSS水平（~ 25 dyne/cm2）。在任何給定的流速下，WSS在老年小鼠的動脈中仍然顯著更高。此外，在20-100 mmHg的腔內壓力范圍內，從老年小鼠分離的小骨骼肌動脈與幼鼠相比內徑減小。與幼鼠相比，老年小鼠動脈的壓力-壁厚度、壓力-壁厚度/管腔比和壓力-橫截面積關系增加。來自老年小鼠的組織學切片顯示股薄肌動脈的中膜厚度增加。這些數據表明，WSS反應受損與老年小鼠骨骼肌拮抗動脈內向肥厚性重塑（inward hypertrophic remodeling）有關。

此外，在幼齡和老年小鼠的骨骼肌動脈壁（包括內皮細胞）中檢測到ADAM17的表達（圖1 a）。與幼鼠相比，老年小鼠骨骼肌動脈中ADAM17蛋白的表達顯著上調（圖1 b）。內皮細胞也表達 JAM-A/F11R，一種 ADAM17 切割底物，其在兩種小鼠中的總蛋白表達水平沒有變化（圖1 a、b）。

此前，ADAM17激活已被證明可以通過調節切割改變JAM-A/F11R的亞細胞定位。為了確定 JAM-A/F11R 內皮細胞分布的衰老相關變化，在兩種小鼠的主動脈中進行了面部免疫染色。結果發現，JAM-A/F11R在老年小鼠的內皮細胞中分布更廣泛，且這些小鼠的細胞連接邊界也不規則（圖1 c、d）。相對于VE-鈣粘蛋白，JAM-A / F11R的內皮細胞連接定位水平在老年小鼠中顯著降低（圖1 e）。老年小鼠主動脈內皮細胞核比年輕小鼠更短（圖1 f）。鑒于血流WSS導致內皮細胞及其細胞核伸長，該數據也表明老齡動物中動脈WSS誘導的信號傳導發生了改變。

此外，在加入PMA（一種ADAM17激活劑）或未加入的情況下，HUVECs暴露于WSS（8 dyne/cm2，48 小時），發現PMA降低了連接定位的JAM-A/F11R的表達，而沒有顯著改變細胞核長寬比（圖1 i、j）。這些數據表明，ADAM17 減少老年小鼠內皮細胞連接處定位的 JAM-A/F11R。

圖1     ADAM17表達的增加伴隨著內皮細胞連接處定位的JAM-A/F11R的減少。

接下來，為了具體評估 ADAM17 對 WSS 反應和隨后在體內發生的動脈重塑的影響，在骨骼肌動脈管腔中構建 ADAM17 過表達和對照組。實驗發現，ADAM17在幼鼠動脈中的過表達顯著降低了WSS誘導的擴張程度。與衰老動脈的反應類似，與對側對照動脈或 eGFP 過表達的血管相比（~ 5-10 dyne/cm2），在 ADAM17 過表達的動脈中，WSS 誘導的血管舒張僅在較高的 WSS 水平（~ 20 dyne/cm2）下達到最大值。此外，ADAM17過表達后WSS反應受損伴有動脈壁厚度增加和壁腔-管腔-壓力關系增加。這說明，ADAM17 的體內過表達會損害 WSS 反應并誘導幼鼠動脈中的血管重塑。

進一步研究 ADAM17 損害內皮細胞中 WSS 機械感應的潛在機制，將HUVECs 在不同 WSS 水平（0-32 dyne/cm2）下進行穩定層流持續3 天。?內皮細胞的排列方式是衡量其感知和響應WSS能力的一個重要指標。在WSS下，內皮細胞表現出細長的形態并與血流方向對齊，在 8 dyne/cm2 時達到與血流方向的最大對齊（即最小角度偏差）。因此，在重組ADAM17蛋白或轉染JAM-A/F11R靶向siRNA或對照siRNA的HUVECs中，測量了內皮細胞排列（WSS，8 dyne/cm2，3天）。雖然 ADAM17 暴露或 JAM-A/F11R 耗竭的內皮細胞顯示出細長的形態，但與對照 siRNA 轉染的 HUVECs 相比，它們在 3 天的培養期間未能在流動方向上對齊（圖2）。這說明，ADAM17 的激活或JAM-A/F11R 的 缺失會損害 WSS 誘導的內皮細胞排列。

圖2    ADAM17激活或JAM-A/F11R缺失會損害WSS依賴性內皮細胞的排列。

為了確定 JAM-A/F11R 是否是 ADAM17 的直接底物，實驗生成了 ADAM17 抗切割的人 JAM-A/F11R。用野生型JAM-A（wtJAM-A）或mtJAM-A^V232Y 轉染HUVECs，在有或沒有重組 ADAM17 下經受WSS（8 dyne/cm2）。結果注意到，表達mtJAM-A^V232Y的HUVECs條件培養基中含有的JAM-A/F11R水平明顯低于表達wtJAM-A的細胞。表達HUVECs的wtJAM-A和mtJAM-A^V232Y均呈現細長的形態，并與流動方向對齊。這些數據表明，突變的 JAM-A/F11R 不會改變正常的 WSS 響應。

此外，表達wtJAM-A的細胞經過重組ADAM17后會拉長，但不能有效地定位于流動方向。相比之下，即使在ADAM17存在的情況下，表達mtJAM-A^V232Y的HUVECs也被拉長并對齊。這些結果強調了 WSS 傳感機制中的一個特定缺陷，即野生型 JAM-A/F11R 表達細胞在 ADAM17 暴露后與流動方向對齊，這被 ADAM17 抗切割的 mtJAM-A^V232Y挽救。

最后，確定了與衰老相關的 WSS 機械感知損傷和異常動脈重塑是否可以逆轉。在受限動脈內遞送編碼ADAM17抗切割突變小鼠JAM-A/F11R的AAV2QuadYF載體2周后，發現目標骨骼肌阻力動脈段表現出明顯增強的WSS誘導的擴張，而內皮依賴性激動劑ACh- 和直接NO供體SNP- 誘導的反應與老年小鼠的對側動脈相似（圖3 a-c）。然而，與老年小鼠對側動脈相比，mtJAM-A^V232Y過表達動脈段的動脈壁厚度、壁-管腔壓力關系以及動脈內管腔直徑-壓力關系均無明顯變化（圖3 d-f）。這些數據表明，在體內，過表達ADAM17抗切割突變小鼠JAM-A^V232Y可改善WSS反應，但不能逆轉老年小鼠的異常重塑。

圖3     ADAM17抗切割小鼠JAM-A^V232Y的過表達增強了WSS誘導的老年小鼠血管舒張。

（g）示意圖闡述了所提出的新機制，其中 WSS（t）的機械感應降低，而不是流量大小（Q），決定了衰老過程中血管舒張降低和小阻力動脈的異常重塑。在正常WSS感應的年輕小鼠（左）小阻力動脈中，JAM-A / F11R參與WSS機械感應和NO產生，誘導血管舒張并對血管平滑肌細胞發揮抗增殖作用。在老年小鼠的動脈（右）中，ADAM17 介導的 JAM-A/F11R 切割的增強和再分配是 WSS 感應受損的基礎，這導致血管舒張減少并促進血管平滑肌細胞增殖，從而引起向內肥厚性動脈重塑，與血流速度無關，即使在 WSS 水平升高的情況下也是如此。

該研究旨在驗證 WSS 機械傳感中與衰老相關的損傷是阻力動脈異常重塑的主要原因的假設。研究結果表明，在衰老過程中，上調的 ADAM17 表達會損害血管內皮 WSS 機械感知過程，導致骨骼肌阻力動脈的管腔狹窄和肥厚性重塑。體內和體外證據揭示，通過內皮 JAM-A/F11R 的過度切割，ADAM17 的血管表達增加與 WSS 誘導的血管舒張受損和 WSS 依賴性內皮細胞排列減少有關（圖3 g）。總之，研究結論證明，與衰老相關的內皮細胞 WSS 機械感應降低以及隨后發生的異常動脈重塑在機制上與 ADAM17 介導的 JAM-A/F11R的過度切割增加有關，JAM-A/F11R是內皮細胞WSS機械感知的新成員。

參考文獻：Tian Y, Fopiano KA, Buncha V, Lang L, Rudic RD, Filosa JA, Dou H, Bagi Z. Aging-induced impaired endothelial wall shear stress mechanosensing causes arterial remodeling via JAM-A/F11R shedding by ADAM17. Geroscience. 2022 Feb;44(1):349-369. doi: 10.1007/s11357-021-00476-1. Epub 2021 Oct 30. PMID: 34718985; PMCID: PMC8810930.

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