血流动力学与血管功能调节
力学生物学研究力学环境(刺激)对生物体健康、疾病或损伤的影响以及生物体的力学信号感受和响应机制，阐明机体的力学过程与生物学过程，如生长、重建、适应性变化和修复等之间的相互关系，从而发展有疗效的或有诊断意义的新技术，促进生物医学基础与临床研究的发展。心血管系统可以视为是一个以心(机械泵)为中心的力学系统。血液循环过程包含着血液流动、血细胞和血管的变形、血液和血管的相互作用等，其中均蕴藏着丰富的力学规律。探讨力学因素对血管内皮细胞和血管平滑肌细胞生物学行为的影响及其机制是血管细胞力学生物学需要深入探讨的重要科学问题。
一、血管内皮细胞的力学生物学
血管内皮细胞(endothelial cell，EC )衬于心血管的内壁，作为血液与血管壁的可通透性屏障，除了保证血液平滑顺畅地流动外，还具有细胞迁移、增殖和凋亡以及十分活跃的代谢与内分泌功能，产生、分泌和代谢血管活性物质，以维持正常血管结构和功能的稳定。EC的管腔面与血流直接接触，受到血流切应力和周期性张应变的直接作用。EC除了感受化学配体的作用以外，对力学刺激也做出敏感响应。EC可感受血流切应力和周期性张应变刺激，将力学信号转导为生物化学信号(mechanotransduction) , 激活细胞内的信号通路，从而改变基因和蛋白质表达，进而调控细胞的形态与功能。
（一）内皮细胞的力学感受器
细胞要对力的作用做出响应，必须表达特异的力学传感器，感受力学信号并将它转换成生物化学信号。研究细胞力学信号的感受和响应机制，阐明力学因素如何产生生物学效应而导致细胞形态和功能变化，正是血管细胞力学生物学研究的主要内容和目的。以研究较多的血管EC为例，EC有许多特异的力学传感器，具有感受应力刺激的功能，包括离子通道、整合素 ( integrin )、 受体酪氨酸激酶、原始纤毛(primary cilia )、G蛋白异源三聚体( heterotrimeric G protein )、血小板/内皮 细胞黏附分子1 (platelet/endothelial cell adhesion molecule, PECAM1 )和血管内皮钙黏着蛋白[vascular endothelial ( VE ) -cadherin]等。
（二）切应力对内皮细胞形态的影响
对细胞骨架肌动蛋白(actin)、微管蛋白(tubulin)和波形蛋白(vimentin)进行三重染色结果表明，静止状态下，EC和细胞骨架纤维呈随机定向排列。当具有明确方向的切应力持续作用于EC，细胞骨架纤维经过重建变得有序，与流体切应力的方向致，细胞的排列也与流体切应力的方向一致。持续的切应力对细胞骨架纤维和细胞排列的影响伴随着应力纤维 (stress fiber )变厚和细胞力学刚性增加。然而，这种细胞骨架有序重建在扰动流作用中未见到。在扰动流作用下细胞骨架纤维和细胞排列均表现出与静止状态下类似的随机定向排列。在具有不同梯度的切应力作用下，EC排列紊乱，无规律可循。但是，在相对较小的切应力梯度作用下，细胞容易被拉伸，细胞形状趋向于伸长，而较大切应力梯度作用下，细胞形状则趋向于圆形。
（三）切应力对内皮细胞增殖的影响
应用平行平板流动腔系统对EC施加正常切应力( 15dyn/cm2 )和低切应力( 5dyn/cm2 )分别作用12h后，应用BrdU ELISA和流式细胞仪计算增殖指数检测细胞增殖功能。结果显示，与正常切应力相比，低切应力加载显著下调EC增殖能力。进一步机制研究发现，切应力调控的EC增殖能力变化与多种细胞内信号传导通路有关， 如低切应力上调EC活化激酶C受体1表达，进而调控PKCa/βII、PKD和Akt等细胞内信号分子磷酸化，促进细胞的增殖。此外，切应力还可作用于EC细胞核，通过调控细胞核纤层蛋白 LaminA、 Nesprin2 和SUN1 表达，引起TFIID、Stat1、 Stat3、 Stat5 和Stat6等转录调控因子活性变化，参与切应力调控的EC增殖变化。
(四)切应力对内皮细胞迁移的影响
体内与体外的研究都表明，切应力能调节EC的迁移。流体切应力能够调节迁移的各个步骤，包括前端的延伸，片状伪足与基质的黏附和尾部黏附点的释放。在大血管处，血流切应力对EC迁移的影响可能比化学趋化因子的作用更明显。在微循环系统中，切应力能够使血管形成过程中的EC定向迁移。
EC的管腔面与血流直接接触，受到血流切应力的作用，其基底面又与VSMC相邻，VSMC与EC的功能相互影响。因此，研究EC的迁移行为，应该考虑相关的力学因素及VSMC的协同影响。研究提示，EC与VSMC联合培养同时承受正常水平切应力是一种接近体内生理状态的模式。在这种状态下，正常生理水平的切应力和VSMC协同调控EC迁移能力，使之保持在一个合适的水平，以维持血管结构和功能的稳定，这对于血管壁也是一种保护作用。
（五）周期性张应变对内皮细胞应力纤维重建的影响
单轴张应变和双轴张应变均可导致牛主动脉EC应力纤维的量增加，但是它们对应力纤维排列方向的影响不同。单轴牵拉6h导致应力纤维的排列方向垂直于牵拉的方向，而双轴牵拉未能使应力纤维的排列具有特殊的方向性。
周期性张应变的幅度与应力纤维排列方向的变化有关。单轴张应变幅度小于3%对其无显著作用，单轴张应变幅度进一步增加， 应力纤维排列方向与加载方向垂直的一致 性也增加，单轴张应变幅度增加至10%时，应力纤维排列的方向几乎完全与加载方向垂直。EC在周于EC对流体切应力的响应研究尚属薄弱。
二、血管平滑肌细胞的力学生物学
血管平滑肌细胞（vascular smooth muscle cell；VSMC）位于血管中膜，是决定血管结构和功能的重要细胞成分。VSMC具有收缩、舒张及分泌ECM的功能，作为主要参与者在血管重建中起重要作用，如高血压和动脉粥样硬化的血管壁增厚、管腔变窄、ECM如胶原沉积增加、管壁顺应性下降以及血管硬化均与VSMC的形态和功能变化有关。
VSMC主要承受周期性张应变作用。周期性张应变加载由频率、幅度和时间3个参数构成。研究机械张应变对VSMC功能的影响，应该考虑这3个参数的重要作用。
（一）周期性张应变对平滑肌细胞分化的影响
VSMC表型具有多样性和可变性的特点，其分化呈可逆状态。根据VSMC结构和功能的不同，可以人为地将其分为收缩型(分化型， differentiated VSMC )和合成型(未分化或去分 化型，dedifferentiated VSMC )两种表型。正常成人动脉的VSMC以收缩表型为主，主要功能是维持血管的弹性和收缩血管，增殖、迁移能力差或无。合成表型属于不成熟类型，分化程度低或未分化，增殖、迁移、合成和分泌基质蛋白能力强。当血管受到损伤或体外培养的VSMC受包括力学刺激在内的各种因子刺激时，VSMC能从收缩型转化为合成型并获得增殖能力，这个 过程称为表型转化( phenotypic transformation )由VSMC表型转化所引发的细胞增殖、迁移与ECM异常增加，导致血管重建，是血管病变发 生发展的根本原因之一 。
血管生理范围的周期性张应变是维持VSMC处于分化状态的重要调控因素。当VSMC的受力发生改变，如高血压、动脉粥样硬化、静脉旁路移植或血管内放置支架等情况下，VSMC去分化转变为合成表型，VSMC增殖、凋亡、迁移导致了内膜新生和血管壁肥厚，同样的现象也见于体外培养的血管。应用Flexcell细胞应变系统，对培养的VSMC施加生理范围的周期性张应变能够抑制细胞的增殖，诱导分化，使细胞呈收缩表型，表现为VSMC分化标志，如 h-caldesmon、a-actin、 calponin、 SM22、a和β tropmyosins以及VSMC肌球蛋白重链( myosin heavy chain, MHC )的表达增高。由此可见，周期性张应变在促进VSMC分化、维持血管形态结构和功能的稳定方面起重要作用。
对体外培养VSMC施加不同频率相同幅度的周期性张应变，观察不同频率的周期性张应变对VSMC排列和表型转化的影响及其机制。结果表明，不同频率的周期性张应变可以诱导体外培养的合成表型的VSMC转化为收缩表型，其中以1Hz的机械张应变作用最强。研究显示，周期性张应变可激活细胞膜上的整合素、受体酪氨酸激酶、离子通道、蛋白多糖等机械感受器，进而活化细胞内的MAPK、PI3K/Akt、Notch、 Rho家族相关激酶、STAT 等多种信号通路，影响不同的下游基因表达和蛋白的合成，调控VSMC的分化。这个过程与P38信号通路和RhoGDP解离抑制因子a调节因子密切相关。这些研究结果提示，在体情况下血管应有其最适张应变频率，防止VSMC由收缩表型向合成表型过度转化，以维持血管结构和功能的稳定。此外，在血管组织工程的种子细胞种植过程，可以通过对其施加一定频率的周期性张应变，以调节VSMC的表型转化，提高种植效果。
（二）周期性张应变对平滑肌细胞迁移的影响
VSMC从血管中膜迁移到内膜下层是动脉粥样硬化、血管成形术和支架内再狭窄( in-stent restenosis )以及静脉旁路移植后阻塞等临床常见血管病变的共同病理表现之一。对VSMC施加1Hz频率不同幅度的周期性张应变，观察周期性张应变幅度变化对VSMC迁移影响。实验结果显示，5%幅度的低张应变(近生理状态)刺激下，VSMC迁移能力接近于其静止状态，而15%幅度高张应变(近病理状态)则显著促进了VSMC迁移。结果表明，近病理条件的高张应变具有与某些强力的趋化因子相似的作用，增强了VSMC的迁移能力。
Akt (又称蛋白激酶B )是细胞内重要信号分子，在VSMC的增殖、凋亡和迁移等方面起着重要作用。培养的大鼠主动脉VSMC分别施加5%和15%的张应变(1Hz频率)。在周期性张应变刺激下，细胞的Akt瞬时激活，受力10min时其磷酸化水平达到峰值，且Akt的活化是张应变作用时间和幅度依赖的。与低张应变比较，高张应变条件下VSMC的Akt活化程度更高。可见，VSMC的迁移能力与细胞的Akt磷酸化水平均受机械张应变的调控，高张应变诱导 VSMC迁移，促进Akt的磷酸化。PI3K 的抑制剂wortmannin可阻断Akt磷酸化并一定程度上抑制了高张应变诱导的VSMC迁移。这一结果有力地证明了在机械张应变条件下，VSMC迁移与细胞的Akt活化存在密切的相关性。
细胞迁移与细胞骨架相关，细胞骨架除提供维持细胞形状和细胞极性所需的结构网架外，其具有的动力学特征还可以提供细胞移动所需的趋动力。VSMC的细胞骨架主要是由肌动蛋白和少量波形蛋白聚集形成的蛋白纤维交织而成的立体网格结构，其中肌动蛋白在细胞迁移中起 关键作用。为了进一步研究机械张应变、Akt 活化和VSMC迁移之间的关系，采用免疫荧光技术检测VSMC在不同幅度机械张应变条件下肌动蛋白F-actin的排列变化，并使用wortmannin验证Akt的磷酸化是否影响F-actin的重组。结 果表明，Akt 的磷酸化参与了不同幅度机械张应变条件下VSMC肌动蛋白骨架重组的调控。
Rab蛋白是小GTP结合蛋白，为Ras超家族成员。它最早在芽殖酵母中被发现，与细胞分泌有关。后来，在大鼠大脑中发现基因同 源的类似物，即被命名为Rab ( Ras-like in rat brain )。最新的研究表明，15%高张应变(病理性张应变)条件下，VSMC旁分泌血管紧张素( angiotensinII, AngII )上调EC的Rab28表达；而抑制EC的Rab28表达将导致其增殖下调，凋亡上调，迁移能力增强;抑制VSMC的Rab28表达则仅导致其迁移能力减弱，对其增殖和凋亡无明显影响，其机制可能与Rab28参与NF-KB进人细胞核有关(图36-9)。AngII刺激将导致EC的Rab28和NF-KB转运人核，且Rab28和NF-KB在细胞浆和细胞核均存在共定位。抑制Rab28表达引起NF-KB活化降低;而抑制NF-KB活化则导致Rab28表达下调，两者之间可能存在正反馈作用。
正常条件的血流动力学因素可维持血管EC和VSMC结构和功能的稳态，使血管功能最优化，以适应血压和血流的变化。异常血流切应力或周期性张应变刺激导致细胞适应性响应，引起细胞结构重建，使细胞压力或张力变化最小化，改变细胞信号通路和基因表达，进而调控细胞功能，以维持血管的稳态。然而，在血管分叉或弯曲等几何结构复杂的区域，持续存在的异常力学因素作用下，这种细胞稳态的力学反馈调控机制未能起有效作用。因此，这些区域处于病理条件之下，如与吸烟、肥胖、高血糖症等其他危险因子叠加，即易患动脉粥样硬化等血管疾病。因此，深人开展心血管疾病血管重建的细胞力学生物学机制研究，将为有效防治心血管疾病提供新的力学生物学理论和实验依据。
（摘自《血管生物学》第2版）
