干細胞對血管修復的機械反應

用于血管修復的干細胞

在胚胎發(fā)育，成血管細胞的血管形成過程中，外周內皮祖細胞（EPCs）和內部造血干細胞（HSCs）形成血島并參與血管修復。在血管修復過程中，HSCs 和間充質干細胞（MSCs）等靜止干細胞從骨髓動員到循環(huán)系統(tǒng)中，分化為 EPCs（作為循環(huán) EPCs），并且是病變區(qū)域（它們可以接觸并感知血流）參與新血管形成（圖1）。這一現(xiàn)象表明，成人新生血管的形成可能是干細胞增殖、遷移和重塑的結果。

多項研究表明，CD34+ CD133+ EPCs 可以分化為 ECs 并增強損傷血管以及移植血管中的血管生成。此外，骨髓來源的MSCs 可以分化成多種細胞類型，有助于血管重建。除此之外，來自臍帶、脂肪組織、牙髓和毛囊的 MSCs 在損傷條件下也有可能分化為 EPCs。在血管修復初期，一部分EPCs直接進入血管內膜，分化為血管生成活躍的ECs，而另一部分EPCs則表現(xiàn)出增殖潛能。

這些發(fā)現(xiàn)表明，血管修復可能是由干細胞與受損血管的某些微環(huán)境（如生物力學應力）之間的相互作用引起的。最近，干細胞結合機械力已被用于研究和臨床。例如，用支架和干細胞構建的功能性血管在血管移植或損傷過程中具有促進干細胞分化為 ECs 的潛力。體外實驗發(fā)現(xiàn)，內表面和外膜側均被干細胞包圍的脫細胞血管支架在壓力驅動的培養(yǎng)基灌注下可以感知生物力學力。然后這些細胞在生物工程血管中分別由剪切應力和應變應力誘導分化為 ECs 和 SMCs 。

造血干細胞、MSCs、循環(huán) EPCs（源自骨髓）和駐留 EPCs 等干細胞能夠感知激活信號（如剪切應力改變、急性缺血和缺氧損傷）。然后它們移動到病變部位，分化成ECs，產生VEGF、PDGF、SCDF等旁分泌信號，這些行動參與了血管再生。重要的是，駐留的 ECs 可以被激活為具有高周轉率的增殖類型。

HSCs：造血干細胞；MSCs：間充質干細胞；EPCs：內皮干細胞；ECs：內皮細胞；VEGF：血管內皮生長因子；PDGF：血小板衍生生長因子；SCDF：基質細胞衍生因子。

生物力學應力在血管損傷和修復中的應用

生物力學的研究主要集中在平衡血管微環(huán)境中的作用，這與血管損傷和修復密切相關。血流包括兩種類型：層流和湍流。層流分為三種類型，即穩(wěn)定流、脈動流和振蕩流。在直動脈區(qū)域，ECs 承受的脈動剪切應力通常在 10-20 dynes/cm2 之間，最大值為 40 dynes/cm2。在分支點、分叉處和曲率處，ECs 受到 ± 4 dynes/cm2 的振蕩剪切應力，很容易發(fā)展為動脈粥樣硬化。在生理條件下，血管內膜受到血液流動引起的流體剪切應力（平均 10-20 dynes/cm2）。

動脈血流模式對血管幾何形狀非常敏感，包括分支、分叉和彎曲率。ECs 在容易發(fā)展動脈粥樣硬化的分支點處暴露于湍流或擾流。

最近，已經研究了生物力學應力對 EPCs、MSCs 和其他類型干細胞的影響。機械應力已被證明可在血管修復過程中增加 EPCs 的增殖、分化、動力和募集（圖3）。此外，細胞功能受生物力學應力的影響，包括激活流動敏感離子通道、增加細胞膜通透性、釋放幾種類型的激動劑（三磷酸腺苷、乙酰膽堿和一氧化二氮），以及細胞內鈣（Ca2+）的動員，來維持血管系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)。同時，機械應力調節(jié)關鍵的血管活性和生長因子如內皮素-1、一氧化氮合酶、PDGF-A、PDGF-B以及轉化生長因子 β1 的表達，這些因子對動脈粥樣硬化具有保護作用。

干細胞對剪切應力的反應

在各種機械刺激中，剪切應力是刺激干細胞和激活下游信號的關鍵因素。作為一種物理刺激，在細胞與細胞外基質接觸的粘著斑處起著至關重要的信號轉導作用。一旦細胞受到剪切應力的刺激，在對剪切應力作出反應的初期，幾種細胞就會將其轉化為生化信號，并傳遞到細胞核中以調節(jié)其生理反應。幾個機械敏感分子和/或化合物在整個過程中充當“看門人”。

該圖描述了整合素、VEGFR、RTKs 和 GPCRs 等機械敏感分子如何感知剪切應力、誘導細胞骨架重組并激活各種信號通路，包括 Ras-PI3K-Akt、Ras-JNK 和 PKC/PKA-MAPK-Akt。這些信號級聯(lián)影響 EPC 的基因表達，最終調節(jié)血管的維持和重建。

VEGFR：血管內皮生長因子受體；GPCR：G蛋白偶聯(lián)受體；RTKs：受體酪氨酸激酶；PKC：蛋白激酶C；MAPK：絲裂原活化蛋白激酶；ERK：細胞外信號調節(jié)激酶。

整合素已被證實可用作機械傳感器。整合素和相關的 RhoA 小 GTPase 已被證實參與感知剪切應力并將其轉化為調節(jié)基因表達的分子信號級聯(lián)的過程。抑制整合素 β1 可抑制粘著斑的形成，從而反向驗證其在血管修復中的作用。

VEGF 受體2（VEGFR-2）是激活大多數(shù)生物力學壓力依賴性信號通路所必需的。VEGFR 激酶抑制劑 SU1498 抑制剪切應力誘導的 VEGFR2 磷酸化，可消除EPC向血管ECs 分化的誘導；抑制劑 SU1498 阻斷 EPCs 中剪切應力誘導的 Notch 切割，抑制 ephrinB2 的表達，在血管修復中發(fā)揮功能性作用。

PKC-MAPK-ERK 受糖萼的調節(jié)，一旦血流開始，糖萼就會起作用，這種信號激活是正常血管發(fā)育所必需的。

G 蛋白偶聯(lián)受體（GPCRs）顯示出感知流體剪切應力的能力，其機械轉導的精確分子機制已被廣泛研究。血管緊張素II 受體1 型和緩激肽受體B2 等幾種 GPCRs 在血管生理學中用作機械傳感器。

除了EPCs，還有其他類型的干細胞參與血管修復過程，例如來源于脂肪、肝臟和肌肉的MSCs和EPCs。研究發(fā)現(xiàn)，當暴露于 0.5 dynes/cm2的層流剪切應力 30 分鐘時，MSCs 會導致極性缺失和β-catenin 下游蛋白的上調，這些蛋白與心血管發(fā)育、EC 保護和血管生成有關。當血管損傷發(fā)生時，位于健康血管內膜的 MSCs 可以遷移到受損區(qū)域并分化為 SMCs。
 

干細胞對應變應力的反應

血管壁受到約 100-150 kPa 的循環(huán)拉伸，這是由脈動血壓產生的。循環(huán)應變是由流動血液在一個心動周期中的脈動產生的，以確保壁內的 SMCs 保持活躍和收縮狀態(tài)。已發(fā)現(xiàn)幾種膜蛋白或化合物對拉伸具有機械敏感性，包括整合素、G 蛋白、受體酪氨酸激酶（RTKs）和離子通道。

該圖描述了整合素、GPCRs 和離子通道等機械敏感分子如何感知應變應力并觸發(fā)下游信號級聯(lián)反應，然后在血管修復過程中啟動細胞事件的各種基因的轉錄和翻譯。

GPCR：G蛋白偶聯(lián)受體；RTKs：受體酪氨酸激酶；PKC：蛋白激酶C；MAPK：絲裂原活化蛋白激酶；ERK：細胞外信號調節(jié)激酶。

通常，施加在粘著斑上的應變應力會激活整合素及其下游級聯(lián)反應，包括粘著斑激酶、G 蛋白、Rho 以及與干細胞分化相關的各種信號通路。

G 蛋白是響應生物力學應力的另一種重要的機械傳感器。細胞上的應變壓力允許 G 蛋白受體的結構發(fā)生變化，將機械信號轉變成化學信號并激活進一步的信號級聯(lián)反應。這些變化可能與離子通道和 RTKs 有關，它們被認為是干細胞發(fā)育的調節(jié)因子。

離子通道還調節(jié)循環(huán)機械應變的傳導。作為無處不在的次級信使，Ca2+ 連接細胞內外，維持細胞微環(huán)境的穩(wěn)態(tài)。研究表明，拉伸刺激的離子通道誘導 VSMCs 內 Ca2+ 內流，激活 PKC 信號通路，促進 VSMC 向病灶遷移，加速傷口閉合。這些機械傳感器之間存在相互作用，以加強應變應力對激活干細胞的影響。

許多研究人員提出，增加干細胞的數(shù)量對于實現(xiàn)充分的血管恢復和再生是必要的。因此，如何安全有效地獲得足夠數(shù)量的干細胞，同時又能保持其機械傳感潛能，仍然是面臨的主要挑戰(zhàn)。干細胞是一種很有前途的血管系統(tǒng)機械應力傳感工具，但激活駐留的干細胞和循環(huán)干細胞的方法以及血管修復的潛在機制仍不清楚。對干細胞如何響應機械力的更深入了解應該為血管疾病的治療開辟一個新的維度，并增強基于干細胞策略的臨床轉化。

參考文獻：Tian GE, Zhou JT, Liu XJ, Huang YC. Mechanoresponse of stem cells for vascular repair. World J Stem Cells. 2019 Dec 26;11(12):1104-1114. doi: 10.4252/wjsc.v11.i12.1104. PMID: 31875871; PMCID: PMC6904862.

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