心血管疾病是危害人類生命健康最嚴重的疾病之一。《中國心血管健康與疾病報告2020》顯示，我國心血管疾病現(xiàn)有患病人數(shù)為 3.3 億，年死亡人數(shù)超過400萬例。心血管病治療的巨額費用已成為家庭、社會和國家的沉重負擔。因此，深入探討心血管疾病發(fā)生、發(fā)展的機制及其防治是“面向人民生命健康"的國家重大需求問題。心血管系統(tǒng)是以心為動力泵、血管為網(wǎng)絡(luò)的力學系統(tǒng)，力學因素在調(diào)控心血管系統(tǒng)生理狀態(tài)或病理進程中起到至關(guān)重要的作用。血管壁細胞會受到多種形式的力學刺激（環(huán)境）因素，如剪切應(yīng)力（shear stress）、周期性張應(yīng)力（變）（circumferential stress）、正壓力（normal stress）等外源性應(yīng)力以及細胞外基質(zhì)（extracellular matrix, ECM）硬度等內(nèi)源性應(yīng)力。血管細胞通過感知不同的力學刺激，并將其轉(zhuǎn)化為生化信號進而激活胞內(nèi)一系列的應(yīng)答反應(yīng)。力學因素的改變或病理條件下產(chǎn)生的應(yīng)力與疾病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)，揭示心血管疾病發(fā)生與發(fā)展的機制，尋找力學因素調(diào)控的心血管疾病防治潛在的新靶點和新策略有著非常重要的意義［1-2］。本文以血管力學刺激（環(huán)境）因素和關(guān)鍵力學響應(yīng)分子為線索，介紹2023年度的血管力學生物學領(lǐng)域的最新研究進展。1 血管力學刺激（環(huán)境）因素
1.1 剪切應(yīng)力
大量研究表明，動脈直部的血流是剪切方向一致、剪切速率高的層流，該血流區(qū)域具有抗動脈粥樣硬化的特性。相反，動脈的分叉和彎曲處的血流呈剪切方向往復(fù)且速率低的擾動流，該紊亂血流區(qū)域更容易促進動脈粥樣硬化的發(fā)生。不同流動模式的剪切應(yīng)力會對ECs產(chǎn)生不同的力學信號，其中涉及不同的調(diào)控機制［3］。 Cheng等［4］通過單細胞分析揭示SOX4作為內(nèi)皮功能障礙過程中的一種新型表型調(diào)節(jié)因子，進而加劇動脈粥樣硬化的發(fā)生，其中高脂血癥相關(guān)細胞因子和紊亂血流均是SOX4的內(nèi)源性誘導(dǎo)因子。Canham等［5］研究發(fā)現(xiàn)，EVA1A是一種新型血流敏感基因，它通過調(diào)節(jié)血管內(nèi)皮細胞（endothelial cells, ECs）自噬和炎癥激活介導(dǎo)了促動脈粥樣硬化的紊流對心血管細胞功能障礙的影響。Shih等［6］通過大規(guī)模磷酸化蛋白質(zhì)組學分析，發(fā)現(xiàn)了一種新型動脈粥樣硬化相關(guān)磷酸化蛋白Vinculin，它在Ser 721位點（VCLS721p）的磷酸化是由擾動流誘導(dǎo)（見圖1）。Tang等［7］研究發(fā)現(xiàn)，擾動血流誘導(dǎo)的CCRL2通過CCRL2-chemerin-β2整合素軸誘導(dǎo)動脈粥樣硬化斑塊的形成，為動脈粥樣硬化的預(yù)防或治療干預(yù)提供了潛在靶點。Jiang等［8］研究表明，ECs的PHACTR1是一種新型PPARγ核心抑制因子，可在血流紊亂區(qū)域促進動脈粥樣硬化，這使得PHACTR1是治療動脈粥樣硬化的潛在靶點之一。Anisimov等［9］研究顯示，在動脈ECs中缺失Tie2或同時缺失Tie2和Tie1會增加Foxo1的核定位、內(nèi)皮黏附分子的表達和免疫細胞的聚集，從而促進動脈粥樣硬化的發(fā)生，表明Tie2受體是一類保護動脈粥樣硬化的主要內(nèi)皮血管生成素受體。Shirakura等［10］研究認為，暴露在高剪切應(yīng)力下會導(dǎo)致VE-PTP的極化和內(nèi)吞，同時細胞連接處的Tie2也會被激活，使得大分子通透性更低，進而確定了VE-PTP是抑制動脈粥樣硬化的新靶點之一。
圖1 擾動流誘導(dǎo)ECs的VCLS721p促進動脈粥樣硬化發(fā)生的機制［6］
Tauchi等［11］研究發(fā)現(xiàn)，JNK1/2通過促動脈粥樣硬化的剪切應(yīng)力介導(dǎo)ECs的Cx43力學轉(zhuǎn)導(dǎo)，Cx43在人頸動脈斑塊中的巨噬細胞和ECs中表達，并且Cx43+細胞數(shù)量與斑塊易感性相關(guān)。Hartman等［12］利用近紅外光譜技術(shù)血管內(nèi)超聲（near-infrared spectroscopy-intra vascular ultrasound，NIRS-IVUS）和光學相干斷層掃描（optical coherence tomography，OCT）技術(shù)在超過1年的隨訪中發(fā)現(xiàn)，暴露于低剪切應(yīng)力以及脂質(zhì)豐富的區(qū)域往往容易有斑塊生長。而Hakim等［13］研究發(fā)現(xiàn)，斑塊侵蝕與ECs受到的剪切應(yīng)力、梯度以及斑塊形貌密切相關(guān)。針對動脈粥樣硬化的治療，Zhao等［14］通過小鼠頸動脈部分結(jié)扎模型證明，盤形的納米顆粒比球形納米顆粒在血流紊亂區(qū)域具有更好的靶向性和更高的聚集性，該發(fā)現(xiàn)為改善動脈粥樣硬化的治療提供了有效策略之一。另外，Zhao等［15］研究表明，ECs的甲基轉(zhuǎn)移酶DNMT1通過抑制ALDH2、ALDH3A1和ALDH6A1的表達來介導(dǎo)血流動力學調(diào)節(jié)的內(nèi)皮間質(zhì)轉(zhuǎn)化，而補充肌肽等可能在預(yù)防和治療動脈粥樣硬化方面有很大的潛力。
圖2 核/細胞質(zhì)剛度比控制傳遞到核的剪切應(yīng)力大?。?6］
關(guān)于ECs對剪切應(yīng)力的感知，Walther等［16］使用原子力顯微鏡和數(shù)學建模發(fā)現(xiàn)，控制剪切力傳遞的關(guān)鍵參數(shù)不是亞細胞區(qū)室的單獨力學參數(shù)，而是它們之間的剛度比（見圖2）。Yamamoto等［17］研究認為，ECs通過改變其細胞膜和線粒體膜的脂質(zhì)順序，進而差異性地感知層流和紊流，層流條件下ATP產(chǎn)生增加，紊流條件下H2O2釋放增加。在剪切應(yīng)力對ECs活化和血管生成的影響方面，Bosseboeuf等［18］研究發(fā)現(xiàn)，Neuropilin-1與VE-cadherin和TGFBR2相互作用，穩(wěn)定黏著連接，阻止血液流動情況下ECs活化，該結(jié)果揭示了Neuropilin-1在ECs中的減少可能會通過調(diào)節(jié)黏著連接信號、促進TGF-β信號和炎癥反應(yīng)而導(dǎo)致血管疾病。Kim等［19］研究發(fā)現(xiàn)，Sox17介導(dǎo)的ECs基因表達和表型變化，在生物力學刺激情況下被高度調(diào)節(jié)，表明Sox17在調(diào)節(jié)動脈血流動力學下的動脈ECs適應(yīng)性以及血管發(fā)生和血管生成期間的細胞行為中起重要作用。Fujimoto等［20］通過計算流體力學求解器（COMSOL）模擬揭示了在剪切應(yīng)力相對較低（50~150 mPa）的位置血管更容易生成。
1.2 周期性張應(yīng)變
脈動的血流導(dǎo)致血管壁受到周期性張應(yīng)力（變）。正常生理條件下，動脈血管壁受到的周期性張應(yīng)變或循環(huán)拉伸幅度為5%~10%，對于維持血管動態(tài)生理平衡至關(guān)重要。而在高血壓等病理條件下，動脈血管壁受到的周期性張應(yīng)變幅度能達到15%左右。 Chu等［21］開發(fā)一種模擬人體動脈血管微流體系統(tǒng)的裝置，該裝置結(jié)合了流體剪切應(yīng)力和周期性張應(yīng)變，觀察到這些力學刺激使得ECs細胞骨架排列方向與液體流動方向一致。Neutel等［22］研究發(fā)現(xiàn)，血管平滑肌細胞（vascular smooth muscle cells, VSMCs）是主動脈黏彈性的重要調(diào)節(jié)器，而循環(huán)拉伸是主動脈黏彈性的調(diào)節(jié)因素，循環(huán)拉伸幅度和頻率條件的改變，如鍛煉或者高血壓，會引起主動脈黏彈性的改變。Han等［23］研究表明，生理性張應(yīng)變促使內(nèi)皮祖細胞代謝重編程，通過上調(diào)Acsl1的水平增加ATP的產(chǎn)生，進一步促進其黏附及體內(nèi)再內(nèi)皮化的能力，最終改善了血管修復(fù)并抑制了血管狹窄（見圖3）。Figueroa等［24］研究發(fā)現(xiàn)，SGK-1在主動脈VSMCs的力學激活可以促進炎癥信號的釋放和巨噬細胞的聚集，故該激酶可作為高血壓血管病變的潛在藥物治療靶點。Zhang等［25］研究顯示，主動脈壓力誘導(dǎo)VSMCs的表觀遺傳程序，促進維持主動脈穩(wěn)態(tài)的適應(yīng)性反應(yīng)，其中YAP通過感知力學信號和誘導(dǎo)適應(yīng)性基因表達，在這種適應(yīng)性反應(yīng)中發(fā)揮核心作用。Wang等［26］研究表明，Escin通過抑制力學拉伸和化學誘導(dǎo)血管ECs的Piezo1激活來改善炎癥狀況。Ferrari等［27］研究了ECM剛度對新生血管生成的影響，以及循環(huán)拉伸對ECs血管生成的影響，發(fā)現(xiàn)ECM水凝膠硬度控制著血管的大小和新生血管的密度，而RNA測序顯示循環(huán)拉伸促使了ANGPTL4+5、PDE1A和PLEC等基因的上調(diào)。此外，Chandra Sekar等［28］建立了一種通用模型來研究基質(zhì)剛度和循環(huán)拉伸對人主動脈ECs的協(xié)同作用，發(fā)現(xiàn)NF-κB在細胞核內(nèi)的積累、ECs的增殖以及IL-1β的表達均依賴于循環(huán)拉伸水平和基底剛度（見圖4）。
圖3 過表達內(nèi)皮祖細胞的Acsl1改善血管修復(fù)并抑制血管狹窄［23］
圖4 可控基底硬度的循環(huán)拉伸系統(tǒng)原理［28］
1.3 ECM剛度
細胞的力感受器也能夠響應(yīng)ECM的剛度變化。Biber等［29］通過分析全轉(zhuǎn)錄組微陣列數(shù)據(jù)，揭示了Survivin作為細胞周期和增殖的上游調(diào)節(jié)因子通過FAK-E2F1信號軸響應(yīng)ECM剛度。Yu等［30］研究發(fā)現(xiàn)，ECM剛度和TGF-β信號共同調(diào)控微血管穩(wěn)定性和周細胞肌成纖維細胞分化。較硬的ECM可促進ECs的ITGB1的Y783磷酸化和CTGF分泌，從而誘導(dǎo)周細胞分化為肌成纖維細胞。Zhang等［31］研究認為，成纖維細胞MRC-5在改變ECM微環(huán)境中發(fā)揮作用，通過動態(tài)ECM重塑促進血管形成。Zhang等［32］研究表明，聚集在甘草根莖中的一種查爾酮Echinatin可以降低VSMCs周圍ECM的剛度，也可維持ECs中谷胱甘肽代謝的平衡，進而抑制導(dǎo)致動脈粥樣硬化的鐵死亡和基質(zhì)重塑。此外，VSMCs的衰老和ECM硬化增加會促進Sox9表達，而Sox9高表達反過來又驅(qū)動ECM進一步修飾，從而加速血管硬化和衰老［33］。 ECM變化還對ECs和血管生成具有較大影響。Subramanian等［34］通過改變ECM的組成成分，如I型膠原蛋白和纖連蛋白的組成比例，發(fā)現(xiàn)不同比例下的細胞面積和細胞圓度呈現(xiàn)不同的關(guān)系，證明了不同膠原和纖連蛋白比率對ECs生物力學和形態(tài)學反應(yīng)的影響。Carrasco-Mantis等［35］開發(fā)了一種基于3D主體的血管生成力學生物學模型，從計算機生物學層面揭示并部分解釋了ECM力學因素對血管生成的作用，發(fā)現(xiàn)ECM剛度增加會加速血管網(wǎng)絡(luò)增殖，血管網(wǎng)絡(luò)傾向于向硬度更高的區(qū)域生長；此外，ECM黏彈性增加會減緩血管網(wǎng)絡(luò)增殖。Wei等［36］利用動態(tài)和共價網(wǎng)絡(luò)的合成策略，開發(fā)了一種基于膠原蛋白-透明質(zhì)酸的水凝膠平臺，通過數(shù)學模擬和體內(nèi)血管生成實驗證明了基質(zhì)可塑性的平衡有利于細胞與基質(zhì)的結(jié)合和細胞間的黏附，進而促進血管的組裝和侵襲（見圖5）。Chang等［37］利用3D微流體組織模擬血管新生發(fā)芽，在具有良好物理特性的ECM上疊加確定的間隙流，發(fā)現(xiàn)與純膠原蛋白的水凝膠相比，在基于膠原蛋白的基質(zhì)中添加透明質(zhì)酸可顯著增強間隙流誘導(dǎo)的血管新生出芽，揭示了透明質(zhì)酸通過改變膠原ECM的剛度和孔隙來增強間質(zhì)流介導(dǎo)的血管新生出芽。
圖5 可塑性水凝膠中ECs生長的分子信號途徑［36］
2 關(guān)鍵力學響應(yīng)分子
除了以上力學因素的影響之外，Piezo1和YAP作為關(guān)鍵的力學響應(yīng)分子在血管力學生物學中同樣發(fā)揮著重要作用。已知Piezo1通道是力敏感的陽離子通道，可被力學拉伸或剪切應(yīng)力激活。Jiang等［38］研究發(fā)現(xiàn)，Piezo1通道激活可通過增強ECs的線粒體呼吸和糖酵解來刺激ATP的產(chǎn)生，提示Piezo1通道在ECs能量代謝中發(fā)揮著作用。Chuntharpursat-Bon等［39］揭示了Piezo1和PECAM1在細胞-細胞連接處相互作用，并在ECs的力傳導(dǎo)中共同發(fā)揮作用。Tian等［40］揭示了血管龕中血流產(chǎn)生的力學刺激對果蠅造血過程的影響。在血管龕細胞中，力敏感通道Piezo通過細胞內(nèi)鈣離子的上調(diào)來傳遞力，從而導(dǎo)致Notch激活和FGF配體轉(zhuǎn)錄的抑制，而FGF配體已知可調(diào)控造血祖細胞的維持。Xie等［41］揭示了微環(huán)境硬化在加劇巨噬細胞依賴性血管生成反應(yīng)缺陷中的關(guān)鍵作用，敲除巨噬細胞Piezo1通過CaMKⅡ/ETS1介導(dǎo)的FGF2轉(zhuǎn)錄激活促進后肢缺血后的灌注恢復(fù)。該研究結(jié)果為增強缺血性疾病的血管生成提供了一種很有前景的治療策略。Luu等［42］基于超聲鑷子的微機械系統(tǒng)、力瞬時頻譜和轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)了老化VSMCs的力學響應(yīng)存在異常，并確定Piezo1是緩解血管老化的潛在治療性力學生物學靶點。 YAP也是血管生物學的關(guān)鍵力學響應(yīng)分子之一。研究表明，力通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子YAP的核-胞漿轉(zhuǎn)運來控制基本的細胞過程。Ma等［43］研究發(fā)現(xiàn)，單向剪切應(yīng)力誘導(dǎo)雙相YAP轉(zhuǎn)運，該過程最初是入核，隨后隨著肌動蛋白帽的形成和核硬化而發(fā)生出核。相反，病理性的振蕩剪切力會誘導(dǎo)輕微的肌動蛋白帽形成、核軟化和持續(xù)的YAP核定位，并通過建立三維力學化學模型揭示了切應(yīng)力誘導(dǎo)核細胞質(zhì)運輸?shù)慕y(tǒng)一機制，提供了轉(zhuǎn)錄因子定位與力學刺激之間的聯(lián)系（見圖6）。在血管形態(tài)發(fā)生過程中，ECs、成纖維細胞和ECM之間的相互作用導(dǎo)致組織硬度增加，并與血管功能增強相關(guān)。Whisler等［44］研究認為，新生組織硬化和血管功能依賴于成纖維細胞中由YAP介導(dǎo)的力學傳導(dǎo)信號。成纖維細胞中缺乏YAP1的小鼠胚胎既表現(xiàn)出組織硬度降低，又出現(xiàn)致死的血管缺陷。Liu等［45］揭示了DDR1是力學和化學刺激激活YAP的介質(zhì)，并證明了DDR1以液-液相分離依賴的方式調(diào)節(jié)LATS1磷酸化（見圖7）。YAP和TAZ在VSMCs中具有力學保護作用，Arevalo Martínez等［46］研究顯示，YAP1在人類主動脈瘤中表達減少，且VSMCs特異性YAP/TAZ缺失會引發(fā)小鼠主動脈動脈瘤的形成，表明高血壓下YAP/TAZ依賴性的血管適應(yīng)對血管通暢極為重要。
圖6 振蕩剪切力導(dǎo)致肌動蛋白帽的輕微形成并伴隨著核剛度降低進而調(diào)控YAP運輸［43］
圖7 DDR1作為YAP激活的介質(zhì)以液-液相分離依賴的方式調(diào)節(jié)LATS1磷酸化［45］
3 總結(jié)和展望
本文主要介紹了2023年至今血管力學生物學相關(guān)領(lǐng)域的研究進展，從剪切應(yīng)力、周期性張應(yīng)力、細胞外基質(zhì)應(yīng)力及關(guān)鍵力學響應(yīng)分子等方面，總結(jié)了其在血管新生及血管疾病發(fā)生發(fā)展中的重要作用。隨著技術(shù)手段和力學模型的創(chuàng)新與發(fā)展，血管系統(tǒng)所受到的應(yīng)力能夠更好地被模擬，這將促使越來越多的力學信號通路和調(diào)控機制被發(fā)現(xiàn)，從而有助于進一步闡明心血管疾病的病理機制。然而，目前該領(lǐng)域仍存在許多問題待解決。例如，一些體內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力在體外很難被模擬，應(yīng)力條件下實時成像的技術(shù)尚不完善；同時，生理系統(tǒng)的復(fù)雜性需要更多新的實驗工具和概念，以促進人們對力學因素如何保護生理穩(wěn)態(tài)或誘導(dǎo)病理進程的理解。綜上所述，血管力學生物學在血管新生和心血管疾病的防治中有著廣泛的轉(zhuǎn)化應(yīng)用前景，亟待所有力學生物學的研究者們?nèi)ド钊胩剿?，從而為心血管疾病的預(yù)防、診斷和治療提供更多有力證據(jù)和治療方案。
