暴露于機械線索的血管平滑肌細(xì)胞的表型狀態(tài)

在動脈粥樣硬化和其他心血管疾病的發(fā)展過程中，位于血管中膜的血管平滑肌細(xì)胞（SMCs）不斷從收縮狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榕c分化的 SMCs 有很大差異的其他表型。該過程的特征是收縮性相關(guān)蛋白的表達(dá)減少或丟失，與其他細(xì)胞類型（包括基質(zhì)重塑酶）相關(guān)的標(biāo)記基因的表達(dá)增加，以及細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）蛋白的分泌增加。因此，被調(diào)控的SMCs通常會經(jīng)歷增殖和遷移，導(dǎo)致SMC克隆性擴增在更多病變中形成。目前，已經(jīng)努力確定維持血管 SMCs 在其收縮表型中的環(huán)境線索、信號通路和機制，以及這些表型在疾病狀態(tài)下如何被破壞，但這些過程仍遠(yuǎn)未被理解。

在生命過程中，血管系統(tǒng)中的細(xì)胞不斷暴露于不同的機械力下以調(diào)節(jié)體內(nèi)功能和穩(wěn)態(tài)，包括流體剪切應(yīng)力、循環(huán)拉伸應(yīng)力和靜水壓力。擾動剪切應(yīng)力會影響動脈粥樣硬化斑塊形成的區(qū)域和血管壁重塑。此外，研究表明，在生理條件下，每次心跳時人主動脈的外徑都會經(jīng)歷大約10% 的循環(huán)拉伸伸長。然而，在包括動脈粥樣硬化和急性高血壓在內(nèi)的病理條件下，血管會經(jīng)歷 20% 及以上的高幅度拉伸。除了剪切應(yīng)力和循環(huán)拉伸外，血管壁中的所有細(xì)胞層在體內(nèi)都受到壓縮力。然而，壓縮力影響血管細(xì)胞表型的機制尚未闡明。

鑒于SMC表型調(diào)控在血管疾病發(fā)病機制中的關(guān)鍵作用，了解SMCs如何感知機械力并將其轉(zhuǎn)化為生化信號及其與周圍ECM蛋白的相互作用對于預(yù)防血管疾病的發(fā)展和發(fā)展至關(guān)重要。因此，在丹麥奧胡斯大學(xué)臨床醫(yī)學(xué)系動脈粥樣硬化研究部門的一項綜述中，討論了最近的2D體外研究，評估了機械力（循環(huán)拉伸）對血管SMCs的影響，并特別關(guān)注了這些力對它們與 ECM 蛋白的相互作用、平滑�。⊿M）收縮和合成標(biāo)記基因的表達(dá)以及對 SMC 功能的其他關(guān)鍵方面（如遷移和增殖）的影響。研究成果發(fā)表在 CELLS 期刊題為“The Phenotypic Responses of Vascular Smooth Muscle Cells Exposed to Mechanical Cues”。

循環(huán)機械拉伸和SMCs

在正常生理條件下，SMCs 和周圍的 ECM 感知并將機械拉伸轉(zhuǎn)化為生化信號，最終控制其功能。當(dāng)這些機械信號發(fā)生改變時，例如，由于動脈疾病的發(fā)展，SMCs的結(jié)構(gòu)和功能特性就會改變。在實際的細(xì)胞培養(yǎng)研究中，研究人員通常采用振幅為 10% 和 20% 的周期性拉伸，以分別模擬生理和高壓誘導(dǎo)的拉伸效應(yīng)。

循環(huán)拉伸對SMC標(biāo)記基因表達(dá)的影響

先前的多項研究使用基因表達(dá)作為讀數(shù)已經(jīng)評估了循環(huán)拉伸對SMC調(diào)控的影響，如表1和圖1 所示。

表1   最近體外2D研究的代表性概述，概括了循環(huán)拉伸對人和大鼠SMC標(biāo)記基因表達(dá)的影響。

然而，很少有研究檢查拉伸的生理水平對人類SMCs的影響，如有研究表明，2-5天的生理循環(huán)拉伸（7%，1 Hz）未引起人臍動脈SMCs在I型膠原膜上的SM標(biāo)志物表達(dá)水平的顯著變化。

其他研究主要著眼于人類 SMCs 的高拉伸刺激（>10%），這些刺激通常被證明會誘導(dǎo)去分化表型。例如，人臍動脈SMCs暴露于13% 的拉伸24小時，與靜態(tài)對照組相比，SM收縮標(biāo)志物ACTA2、MYH11和CNN1蛋白水平顯著降低。收縮標(biāo)志物水平降低還伴隨著一些炎癥基因，如IL-8、IL-6、IL1β、血管細(xì)胞粘附蛋白1（VCAM-1）和細(xì)胞間粘附分子1（ICAM-1）的上調(diào)。目前對人SMCs進行拉伸的體外研究不僅在拉伸強度上有所不同，而且在刺激的持續(xù)時間上也有所不同。

與人SMCs的研究一致，與接受5% 拉伸的大鼠胸主動脈SMCs相比，15% 拉伸24小時的大鼠SMC的收縮標(biāo)志物Cnn1、Acta2和Tagln下調(diào)。此外，一項研究報告稱，當(dāng)以 10% 拉伸刺激大鼠主動脈 SMCs 30 小時時，心肌蛋白（Myocd）的蛋白質(zhì)水平?jīng)]有變化。然而，當(dāng)細(xì)胞接受 20% 的循環(huán)拉伸6 小時后，Myocd 表達(dá)上調(diào)。這一結(jié)果證實了高拉伸強度調(diào)節(jié)SMCs中的基因表達(dá)。盡管有研究結(jié)果未達(dá)成一致，但可公認(rèn)的是，較低的拉伸水平使SMCs保持其收縮狀態(tài)，而較高的拉伸水平（尤其是>15%）可以誘導(dǎo)SM表型調(diào)節(jié)。

 目前，對于通過不同血管床和疾病期間發(fā)生的不同局部擴張模式如何影響 SMC 功能的理解有限。有研究認(rèn)為，波形類型可以調(diào)節(jié)人類SMC表型狀態(tài)。例如，與設(shè)置簡單且廣泛使用的正弦波形拉伸的細(xì)胞相比，振幅為7.5% 的24小時循環(huán)拉伸和模擬心臟產(chǎn)生壓力的波形可以誘導(dǎo)CNN1和TAGLN的上調(diào)。

其他對 SMCs 進行拉伸的體外研究側(cè)重于探索炎癥基因作為去分化標(biāo)志物的替代品。通過15% 拉伸刺激3小時的小鼠主動脈原代SMCs顯示IL-6表達(dá)水平升高。另一項研究將其暴露于15% 拉伸4小時或保持靜態(tài)，結(jié)果表明，與靜態(tài)細(xì)胞相比，拉伸細(xì)胞上涉及炎癥的基因上調(diào)，例如Cxcl1和Cx3cl1。同樣，另一項研究對暴露于20% 超生理拉伸24小時的人主動脈SMCs進行了微陣列分析，旨在鑒定由非生理性拉伸誘導(dǎo)的lncRNA表達(dá)上，發(fā)現(xiàn)除了一些SM收縮標(biāo)志物下調(diào)外，還有幾種與腫瘤壞死因子和炎癥信號通路相關(guān)的lncRNA 受到調(diào)控。

總之，這些發(fā)現(xiàn)提供了非生理機械力與小鼠、大鼠和人類 SMCs 引發(fā)的炎癥反應(yīng)之間的聯(lián)系，并可能突出有助于動脈粥樣硬化啟動的生物力學(xué)應(yīng)力的分子機制。

圖1   循環(huán)拉伸對SMC表型的影響。

SMC表型調(diào)控的其他方面

在正常、健康的血管中，大多數(shù) SMCs 處于分化或收縮狀態(tài)，處于靜止?fàn)顟B(tài)，不會遷移。然而，在血管疾病的發(fā)展過程中，遷移和增殖的增加是 SMC 表型轉(zhuǎn)換的重要標(biāo)志，通常伴隨著收縮性 SM 標(biāo)記基因表達(dá)的降低。

循環(huán)拉伸對SMC遷移的影響

生理或超生理拉伸對SMC遷移的影響已經(jīng)在一些研究中進行了探索，但結(jié)果并不一致（表2、圖1）。

表2   體外 2D 研究的代表性概述，這些研究調(diào)查了循環(huán)拉伸對人類和嚙齒動物 SMC 遷移的影響。

最近的研究通過細(xì)胞劃痕實驗探索了暴露于拉伸的人主動脈 SMCs 的遷移能力。報告稱，與靜態(tài)對照相比，拉伸（10%，1 Hz）刺激12小時后人SMC的遷移減少。相反，培養(yǎng)的大鼠SMCs進行生理拉伸（10%，1Hz，24小時），卻觀察到拉伸增加了大鼠SMCs的遷移能力。這些研究結(jié)果之間的差異可能是由于所使用的 SMC 的類型和來源、拉伸條件（持續(xù)時間和波形）以及評估遷移能力的方式（拉伸期間或之后的時間）的微小差異。

在接種于包被有I型膠原的小鼠原代主動脈SMCs中檢測了超生理拉伸（20%，1Hz）刺激的影響，3小時后，與靜態(tài)對照組相比，拉伸組的細(xì)胞遷移增加。這種效應(yīng)可能部分是通過向培養(yǎng)基中釋放拉伸依賴性遷移介質(zhì)來介導(dǎo)的。此外，一項獨立研究使用了大鼠胸主動脈SMCs的條件培養(yǎng)基，并將其接種在Matrigel 基質(zhì)膜，暴露于拉伸（20%，1Hz）24小時。他們觀察到，與用標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)基喂養(yǎng)的對照細(xì)胞相比，條件培養(yǎng)基細(xì)胞的遷移能力有所增加。因此，未來需要進一步的研究來確定SMCs在長時間刺激拉伸期（天）和其他類型的ECM基質(zhì)上的遷移能力。

循環(huán)拉伸對SMC增殖的影響

在不同的研究中，與靜態(tài)對照相比，生理拉伸的（<10%）可以減少人和大鼠主動脈SMCs的增殖。人SMCs至少需要12小時的生理拉伸才能減少其增殖。有趣的是，大鼠主動脈SMCs似乎需要更長時間的生理拉伸（48小時至4天）來減少其增殖。然而，另一項研究報告稱，當(dāng)小鼠SMCs經(jīng)受10% 的生理拉伸1小時時，增殖增加。這項研究的一個區(qū)別是SMCs是在明膠包被的膜上培養(yǎng)的。因此，與其他研究相比，這些研究的潛在差異在于使用的 ECM 蛋白的類型、拉伸暴露時間和使用的 SMC 來源。另一方面，據(jù)報道，與靜態(tài)相比，人或大鼠主動脈 SMCs 的非生理性拉伸刺激（> 10%）可增加細(xì)胞增殖。

總體而言，綜合結(jié)果表明，在SMCs中，生理性拉伸力是靜態(tài)的，而高強度或病理性拉伸會誘導(dǎo)SMC增殖（圖1）。需要進一步的研究來了解不同類型的拉伸（包括波形）和不同 ECM 蛋白對 SMC 增殖的潛在相互作用。

循環(huán)拉伸對SMC凋亡的影響

研究發(fā)現(xiàn)，SMC凋亡促進小鼠新生內(nèi)膜形成，部分原因是通過增加細(xì)胞增殖、遷移和細(xì)胞基質(zhì)的形成。研究表明，將明膠培養(yǎng)的小鼠SMCs暴露于生理拉伸（<10%）不到24小時，與靜態(tài)對照相比，細(xì)胞凋亡增加。在這些研究中細(xì)胞凋亡的增加伴隨著增殖的增加。

人主動脈 SMCs 暴露于高強度拉伸（>15%）12 小時，顯示出與暴露于低拉伸水平相似的結(jié)果。與靜態(tài)培養(yǎng)相比，細(xì)胞凋亡和增殖增加。在人、大鼠和小鼠SMCs中進行高強度拉伸4-36小時的其他研究均發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞凋亡增加。這些研究的一個共同特征是，SMCs是在涂有I型膠原的培養(yǎng)板上培養(yǎng)的。一般而言，對人、豬、大鼠或小鼠SMCs的研究得出結(jié)論，機械拉伸會增加細(xì)胞凋亡水平，而與SMCs的拉伸強度、持續(xù)時間、ECM涂層和來源無關(guān)。

流體剪切應(yīng)力和SMCs

在血管疾病或手術(shù)干預(yù)（如血管成形術(shù)或動脈內(nèi)膜切除術(shù)）中，可能會發(fā)生血管內(nèi)皮損傷，直接使SMCs暴露于不同模式和強度的剪切應(yīng)力。體外研究表明，SMCs直接對流體剪切應(yīng)力產(chǎn)生反應(yīng)。因此，更深入地理解流體剪切應(yīng)力調(diào)節(jié)SMC表型的機制是一個重要的科學(xué)問題。

剪切應(yīng)力和SMCs的表型調(diào)控

早期的研究已經(jīng)使用DNA微陣列來確定人主動脈SMCs在流體剪切應(yīng)力下的全局表達(dá)譜。暴露于層流剪切應(yīng)力（12 dynes/cm2）24小時的SMCs 與靜態(tài)條件下的細(xì)胞相比，受調(diào)控最多的是參與細(xì)胞周期和死亡、細(xì)胞粘附和ECM的基因。同時，與靜態(tài)對照相比，層流剪切應(yīng)力可促進人SMCs 增殖。然而，其他多項研究表明，大鼠主動脈 SMCs 暴露于層流剪切應(yīng)力（8 或14 dynes/cm2）長時間（15-24小時），與靜態(tài)對照相比，一些經(jīng)典SM標(biāo)志物的表達(dá)降低。在其中一項研究中，大鼠腦動脈SMCs暴露于層流（15 dynes/cm2）持續(xù)6、12和24 h導(dǎo)致Acta2和Tagln時間依賴性下調(diào)，而基質(zhì)金屬蛋白酶2（Mmp-2）和腫瘤壞死因子-α（Tnf-α）上調(diào)。在這項研究中，表型轉(zhuǎn)換還伴隨著剪切應(yīng)力后SMCs的增殖和遷移增強。因此，這項研究和其他研究表明，與靜態(tài)條件下的細(xì)胞相比，層流剪切應(yīng)力誘導(dǎo)了SMCs的去分化。

然而，并非所有觀測數(shù)據(jù)都呈現(xiàn)一致。一項研究發(fā)現(xiàn)，暴露于層流剪切應(yīng)力（14 dynes/cm2）24小時的大鼠主動脈 SMCs 增殖減少而不是增加。同樣，在涂有I 型膠原的玻片上，暴露于層流剪切應(yīng)力（11 dynes/cm2）下24小時，也觀察到牛主動脈SMCs的增殖減少。遺憾的是，在所有這些研究中，都沒有關(guān)于剪切應(yīng)力前后SMC標(biāo)記基因的信息。

總體而言，SMCs對層流剪切應(yīng)力的體外反應(yīng)的生理相關(guān)性尚不清楚。體內(nèi)內(nèi)皮細(xì)胞損傷部位的剪切應(yīng)力模式并不一定反映幾項研究所涉及的連續(xù)層流剪切應(yīng)力，而且擾動或湍流剪切應(yīng)力對SMC表型的體外影響尚未得到很好的表征。以往研究表明，當(dāng)暴露于振蕩剪切應(yīng)力（14 dynes/cm2）3或5天時，牛主動脈SMC增加了其DNA合成和增殖能力，但未分析其伴隨SMC表型標(biāo)記變化的程度。因此，還需要對暴露于更大范圍的剪切應(yīng)力和相關(guān)基質(zhì)上圖案的SMCs的表型和功能進行更系統(tǒng)的表征（表3）。

表3   體外2D研究的代表性概述，研究了剪切應(yīng)力對人、大鼠和牛SMC表型的影響。

SMCs中的機械轉(zhuǎn)導(dǎo)信號通路

不同的研究已經(jīng)探討了機械拉伸對 SMCs 誘導(dǎo)的潛在細(xì)胞內(nèi)通路。例如，轉(zhuǎn)化生長因子-b（TGF-β）信號就與此有關(guān)。與靜態(tài)對照相比，暴露于10% 拉伸24小時的大鼠SMCs上清液中的TGF-β1水平增加。該研究還表明，TGF-β1可以激活Smad2/5，導(dǎo)致SIRT6的增加，隨后細(xì)胞核中高水平的 SIRT6 介導(dǎo) SM 標(biāo)記物的上調(diào)，因此在拉伸后產(chǎn)生更強的收縮表型。機械力誘導(dǎo)的表觀遺傳修飾在血管基因表達(dá)中的作用在內(nèi)皮細(xì)胞中已被廣泛研究，而在SMCs中研究較少。在大鼠平滑肌細(xì)胞中，與靜態(tài)培養(yǎng)細(xì)胞相比，生理拉伸48小時（10%，1Hz）顯著調(diào)節(jié)組蛋白去乙�；�酶的表達(dá)，特別是HDAC3，4和7（圖2 A）。與靜態(tài)對照相比，拉伸細(xì)胞表達(dá)的這些變化伴隨著遷移的減少。

Hippo 通路效應(yīng)子、YES 相關(guān)蛋白（YAP）和具有 PDZ 結(jié)合基序（TAZ）的轉(zhuǎn)錄共激活因子也參與拉伸誘導(dǎo)的 SMC 表型調(diào)節(jié)。循環(huán)拉伸（13%）24 小時后 YAP/TAZ 活化，與人臍動脈 SMCs 中增殖和促炎基因表達(dá)（TNF-α、IL-6、IL-8 和 IL-1B）增加有關(guān)。在大鼠SMCs中，承受15% 循環(huán)拉伸（3至24小時）的細(xì)胞中促炎細(xì)胞因子IL-6的釋放增加。該研究認(rèn)為這種效應(yīng)是由涉及 Ras/Rac/p38 和 NFKB 信號通路的機制介導(dǎo)的（圖2 B）。

這些數(shù)據(jù)例證了拉伸誘導(dǎo)的細(xì)胞內(nèi)通路之間的高度復(fù)雜性，并強調(diào)了需要更多的研究來識別新的機械感受器和調(diào)節(jié)因子（圖2）。盡管有幾項研究試圖表征 SMCs 中潛在的機械感受器和細(xì)胞內(nèi)通路，但這方面仍不清楚。

圖2    SMCs中機械拉伸誘導(dǎo)的通路。（A）由生理循環(huán)拉伸激活的通路（< 10% 的伸長率）使 SMC 保持分化狀態(tài)，其特征是增殖、遷移和炎癥減少，并伴有高水平的收縮標(biāo)記基因。（B）另一方面，SMC 暴露于超生理循環(huán)拉伸（> 15% 的伸長率）誘導(dǎo)從收縮狀態(tài)到合成狀態(tài)的表型調(diào)節(jié)。這種高強度拉伸激活的通路誘導(dǎo)細(xì)胞增殖、遷移和炎癥增加，收縮標(biāo)記物表達(dá)減少。

盡管有明確證據(jù)表明機械力可以調(diào)節(jié)SMC表型，但不同體外研究的結(jié)果仍存在許多差異。其中一些差異可以通過拉伸條件的變化來解釋，例如強度、波形、持續(xù)時間和頻率。其他可能的影響因素可能是拉伸前和拉伸期間的培養(yǎng)條件，包括 ECM 蛋白包被，以及與所研究細(xì)胞相關(guān)的變量，包括其分離和繁殖程序。因此，迫切需要最能概括體內(nèi)情況的條件，并且可能需要更復(fù)雜的體外培養(yǎng)系統(tǒng)（例如3D培養(yǎng)）來實現(xiàn)這一目標(biāo)。由于許多SMCs與ECs共生，因此在機械刺激和ECM基質(zhì)存在下，SMCs和ECs的共培養(yǎng)系統(tǒng)也可能具有新的潛力。

總之，確定控制SMC表型的機制對于開發(fā)針對以存在高度調(diào)節(jié)的SMC為特征的血管疾病的新藥以及改善血管組織組織工程至關(guān)重要。更好地了解機械力和ECM蛋白如何控制SMC表型是未來工作一個特別重要的部分，需要在這一領(lǐng)域進行更多的研究。

參考文獻(xiàn)：Jensen LF, Bentzon JF, Albarrán-Juárez J. The Phenotypic Responses of Vascular Smooth Muscle Cells Exposed to Mechanical Cues. Cells. 2021 Aug 26;10(9):2209. doi: 10.3390/cells10092209. PMID: 34571858; PMCID: PMC8469800.

原文鏈接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34571858/

Impact Factor: 5.1 (2023); 5-Year Impact Factor: 6.0 (2023)

ISSN: 2073-4409

圖片來源:所有圖片均來源于參考文獻(xiàn)
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