干細(xì)胞對血管修復(fù)的機械反應(yīng)

用于血管修復(fù)的干細(xì)胞

在胚胎發(fā)育，成血管細(xì)胞的血管形成過程中，外周內(nèi)皮祖細(xì)胞（EPCs）和內(nèi)部造血干細(xì)胞（HSCs）形成血島并參與血管修復(fù)。在血管修復(fù)過程中，HSCs 和間充質(zhì)干細(xì)胞（MSCs）等靜止干細(xì)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(xì)胞增殖、遷移和重塑的結(jié)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(xì)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(fù)初期，一部分EPCs直接進(jìn)入血管內(nèi)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(fù)可能是由干細(xì)胞與受損血管的某些微環(huán)境（如生物力學(xué)應(yīng)力）之間的相互作用引起的。最近，干細(xì)胞結(jié)合機械力已被用于研究和臨床。例如，用支架和干細(xì)胞構(gòu)建的功能性血管在血管移植或損傷過程中具有促進(jìn)干細(xì)胞分化為 ECs 的潛力。體外實驗發(fā)現(xiàn)，內(nèi)表面和外膜側(cè)均被干細(xì)胞包圍的脫細(xì)胞血管支架在壓力驅(qū)動的培養(yǎng)基灌注下可以感知生物力學(xué)力。然后這些細(xì)胞在生物工程血管中分別由剪切應(yīng)力和應(yīng)變應(yīng)力誘導(dǎo)分化為 ECs 和 SMCs 。

造血干細(xì)胞、MSCs、循環(huán) EPCs（源自骨髓）和駐留 EPCs 等干細(xì)胞能夠感知激活信號（如剪切應(yīng)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(chǎn)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(zhuǎn)率的增殖類型。

HSCs：造血干細(xì)胞；MSCs：間充質(zhì)干細(xì)胞；EPCs：內(nèi)皮干細(xì)胞；ECs：內(nèi)皮細(xì)胞；VEGF：血管內(nèi)皮生長因子；PDGF：血小板衍生生長因子；SCDF：基質(zhì)細(xì)胞衍生因子。

生物力學(xué)應(yīng)力在血管損傷和修復(fù)中的應(yīng)用

生物力學(xué)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(fù)密切相關(guān)。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(yīng)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(yīng)力，很容易發(fā)展為動脈粥樣硬化。在生理條件下，血管內(nèi)膜受到血液流動引起的流體剪切應(yīng)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(jīng)研究了生物力學(xué)應(yīng)力對 EPCs、MSCs 和其他類型干細(xì)胞的影響。機械應(yīng)力已被證明可在血管修復(fù)過程中增加 EPCs 的增殖、分化、動力和募集（圖3）。此外，細(xì)胞功能受生物力學(xué)應(yīng)力的影響，包括激活流動敏感離子通道、增加細(xì)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(xì)胞內(nèi)鈣（Ca2+）的動員，來維持血管系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)。同時，機械應(yīng)力調(diào)節(jié)關(guān)鍵的血管活性和生長因子如內(nèi)皮素-1、一氧化氮合酶、PDGF-A、PDGF-B以及轉(zhuǎn)化生長因子 β1 的表達(dá)，這些因子對動脈粥樣硬化具有保護(hù)作用。

干細(xì)胞對剪切應(yīng)力的反應(yīng)

在各種機械刺激中，剪切應(yīng)力是刺激干細(xì)胞和激活下游信號的關(guān)鍵因素。作為一種物理刺激，在細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)接觸的粘著斑處起著至關(guān)重要的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)作用。一旦細(xì)胞受到剪切應(yīng)力的刺激，在對剪切應(yīng)力作出反應(yīng)的初期，幾種細(xì)胞就會將其轉(zhuǎn)化為生化信號，并傳遞到細(xì)胞核中以調(diào)節(jié)其生理反應(yīng)。幾個機械敏感分子和/或化合物在整個過程中充當(dāng)“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(yīng)力、誘導(dǎo)細(xì)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(dá)，最終調(diào)節(jié)血管的維持和重建。

VEGFR：血管內(nèi)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(xì)胞外信號調(diào)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(guān)的 RhoA 小 GTPase 已被證實參與感知剪切應(yīng)力并將其轉(zhuǎn)化為調(diào)節(jié)基因表達(dá)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(fù)中的作用。

VEGF 受體2（VEGFR-2）是激活大多數(shù)生物力學(xué)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(yīng)力誘導(dǎo)的 VEGFR2 磷酸化，可消除EPC向血管ECs 分化的誘導(dǎo)；抑制劑 SU1498 阻斷 EPCs 中剪切應(yīng)力誘導(dǎo)的 Notch 切割，抑制 ephrinB2 的表達(dá)，在血管修復(fù)中發(fā)揮功能性作用。

PKC-MAPK-ERK 受糖萼的調(diào)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(yīng)力的能力，其機械轉(zhuǎn)導(dǎo)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(xué)中用作機械傳感器。

除了EPCs，還有其他類型的干細(xì)胞參與血管修復(fù)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(dāng)暴露于 0.5 dynes/cm2的層流剪切應(yīng)力 30 分鐘時，MSCs 會導(dǎo)致極性缺失和β-catenin 下游蛋白的上調(diào)，這些蛋白與心血管發(fā)育、EC 保護(hù)和血管生成有關(guān)。當(dāng)血管損傷發(fā)生時，位于健康血管內(nèi)膜的 MSCs 可以遷移到受損區(qū)域并分化為 SMCs。
 

干細(xì)胞對應(yīng)變應(yīng)力的反應(yīng)

血管壁受到約 100-150 kPa 的循環(huán)拉伸，這是由脈動血壓產(chǎn)生的。循環(huán)應(yīng)變是由流動血液在一個心動周期中的脈動產(chǎn)生的，以確保壁內(nèi)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(yīng)變應(yīng)力并觸發(fā)下游信號級聯(lián)反應(yīng)，然后在血管修復(fù)過程中啟動細(xì)胞事件的各種基因的轉(zhuǎn)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(xì)胞外信號調(diào)節(jié)激酶。

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

G 蛋白是響應(yīng)生物力學(xué)應(yīng)力的另一種重要的機械傳感器。細(xì)胞上的應(yīng)變壓力允許 G 蛋白受體的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，將機械信號轉(zhuǎn)變成化學(xué)信號并激活進(jìn)一步的信號級聯(lián)反應(yīng)。這些變化可能與離子通道和 RTKs 有關(guān)，它們被認(rèn)為是干細(xì)胞發(fā)育的調(diào)節(jié)因子。

離子通道還調(diào)節(jié)循環(huán)機械應(yīng)變的傳導(dǎo)。作為無處不在的次級信使，Ca2+ 連接細(xì)胞內(nèi)外，維持細(xì)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(dǎo) VSMCs 內(nèi) Ca2+ 內(nèi)流，激活 PKC 信號通路，促進(jìn) 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(yīng)變應(yīng)力對激活干細(xì)胞的影響。

許多研究人員提出，增加干細(xì)胞的數(shù)量對于實現(xiàn)充分的血管恢復(fù)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(xì)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(xì)胞是一種很有前途的血管系統(tǒng)機械應(yīng)力傳感工具，但激活駐留的干細(xì)胞和循環(huán)干細(xì)胞的方法以及血管修復(fù)的潛在機制仍不清楚。對干細(xì)胞如何響應(yīng)機械力的更深入了解應(yīng)該為血管疾病的治療開辟一個新的維度，并增強基于干細(xì)胞策略的臨床轉(zhuǎn)化。

參考文獻(xiàn)：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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