在動脈粥樣硬化和其他心血管疾病的發展過程中，位于血管中膜的血管平滑肌細胞（SMCs）不斷從收縮狀態轉變為與分化的 SMCs 有很大差異的其他表型。該過程的特征是收縮性相關蛋白的表達減少或丟失，與其他細胞類型（包括基質重塑酶）相關的標記基因的表達增加，以及細胞外基質（ECM）蛋白的分泌增加。因此，被調控的SMCs通常會經歷增殖和遷移，導致SMC克隆性擴增在更多病變中形成。目前，已經努力確定維持血管 SMCs 在其收縮表型中的環境線索、信號通路和機制，以及這些表型在疾病狀態下如何被破壞，但這些過程仍遠未被理解。

在生命過程中，血管系統中的細胞不斷暴露于不同的機械力下以調節體內功能和穩態，包括流體剪切應力、循環拉伸應力和靜水壓力。擾動剪切應力會影響動脈粥樣硬化斑塊形成的區域和血管壁重塑。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歷大約10% 的循環拉伸伸長。然而，在包括動脈粥樣硬化和急性高血壓在內的病理條件下，血管會經歷 20% 及以上的高幅度拉伸。除了剪切應力和循環拉伸外，血管壁中的所有細胞層在體內都受到壓縮力。然而，壓縮力影響血管細胞表型的機制尚未闡明。

鑒于SMC表型調控在血管疾病發病機制中的關鍵作用，了解SMCs如何感知機械力并將其轉化為生化信號及其與周圍ECM蛋白的相互作用對于預防血管疾病的發展和發展至關重要。因此，在丹麥奧胡斯大學臨床醫學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（循環拉伸）對血管SMCs的影響，并特別關注了這些力對它們與 ECM 蛋白的相互作用、平滑肌（SM）收縮和合成標記基因的表達以及對 SMC 功能的其他關鍵方面（如遷移和增殖）的影響。研究成果發表在 CELLS 期刊題為“The Phenotypic Responses of Vascular Smooth Muscle Cells Exposed to Mechanical Cues”。

循環機械拉伸和SMCs

在正常生理條件下，SMCs 和周圍的 ECM 感知并將機械拉伸轉化為生化信號，最終控制其功能。當這些機械信號發生改變時，例如，由于動脈疾病的發展，SMCs的結構和功能特性就會改變。在實際的細胞培養研究中，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的拉伸效應。

循環拉伸對SMC標記基因表達的影響

先前的多項研究使用基因表達作為讀數已經評估了循環拉伸對SMC調控的影響，如表1和圖1 所示。

表1   最近體外2D研究的代表性概述，概括了循環拉伸對人和大鼠SMC標記基因表達的影響。

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天的生理循環拉伸（7%，1 Hz）未引起人臍動脈SMCs在I型膠原膜上的SM標志物表達水平的顯著變化。

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，與靜態對照組相比，SM收縮標志物ACTA2、MYH11和CNN1蛋白水平顯著降低。收縮標志物水平降低還伴隨著一些炎癥基因，如IL-8、IL-6、IL1β、血管細胞粘附蛋白1（VCAM-1）和細胞間粘附分子1（ICAM-1）的上調。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的收縮標志物Cnn1、Acta2和Tagln下調。此外，一項研究報告稱，當以 10% 拉伸刺激大鼠主動脈 SMCs 30 小時時，心肌蛋白（Myocd）的蛋白質水平沒有變化。然而，當細胞接受 20% 的循環拉伸6 小時后，Myocd 表達上調。這一結果證實了高拉伸強度調節SMCs中的基因表達。盡管有研究結果未達成一致，但可公認的是，較低的拉伸水平使SMCs保持其收縮狀態，而較高的拉伸水平（尤其是>15%）可以誘導SM表型調節。

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

其他對 SMCs 進行拉伸的體外研究側重于探索炎癥基因作為去分化標志物的替代品。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，結果表明，與靜態細胞相比，拉伸細胞上涉及炎癥的基因上調，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的lncRNA表達上，發現除了一些SM收縮標志物下調外，還有幾種與腫瘤壞死因子和炎癥信號通路相關的lncRNA 受到調控。

總之，這些發現提供了非生理機械力與小鼠、大鼠和人類 SMCs 引發的炎癥反應之間的聯系，并可能突出有助于動脈粥樣硬化啟動的生物力學應力的分子機制。

圖1   循環拉伸對SMC表型的影響。

SMC表型調控的其他方面

在正常、健康的血管中，大多數 SMCs 處于分化或收縮狀態，處于靜止狀態，不會遷移。然而，在血管疾病的發展過程中，遷移和增殖的增加是 SMC 表型轉換的重要標志，通常伴隨著收縮性 SM 標記基因表達的降低。

循環拉伸對SMC遷移的影響

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

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

最近的研究通過細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，與靜態對照組相比，拉伸組的細胞遷移增加。這種效應可能部分是通過向培養基中釋放拉伸依賴性遷移介質來介導的。此外，一項獨立研究使用了大鼠胸主動脈SMCs的條件培養基，并將其接種在Matrigel 基質膜，暴露于拉伸（20%，1Hz）24小時。他們觀察到，與用標準培養基喂養的對照細胞相比，條件培養基細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基質上的遷移能力。

循環拉伸對SMC增殖的影響

在不同的研究中，與靜態對照相比，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，當小鼠SMCs經受10% 的生理拉伸1小時時，增殖增加。這項研究的一個區別是SMCs是在明膠包被的膜上培養的。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，據報道，與靜態相比，人或大鼠主動脈 SMCs 的非生理性拉伸刺激（> 10%）可增加細胞增殖。

總體而言，綜合結果表明，在SMCs中，生理性拉伸力是靜態的，而高強度或病理性拉伸會誘導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。

循環拉伸對SMC凋亡的影響

研究發現，SMC凋亡促進小鼠新生內膜形成，部分原因是通過增加細胞增殖、遷移和細胞基質的形成。研究表明，將明膠培養的小鼠SMCs暴露于生理拉伸（<10%）不到24小時，與靜態對照相比，細胞凋亡增加。在這些研究中細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果。與靜態培養相比，細胞凋亡和增殖增加。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現，細胞凋亡增加。這些研究的一個共同特征是，SMCs是在涂有I型膠原的培養板上培養的。一般而言，對人、豬、大鼠或小鼠SMCs的研究得出結論，機械拉伸會增加細胞凋亡水平，而與SMCs的拉伸強度、持續時間、ECM涂層和來源無關。

流體剪切應力和SMCs

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

剪切應力和SMCs的表型調控

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

然而，并非所有觀測數據都呈現一致。一項研究發現，暴露于層流剪切應力（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，都沒有關于剪切應力前后SMC標記基因的信息。

總體而言，SMCs對層流剪切應力的體外反應的生理相關性尚不清楚。體內內皮細胞損傷部位的剪切應力模式并不一定反映幾項研究所涉及的連續層流剪切應力，而且擾動或湍流剪切應力對SMC表型的體外影響尚未得到很好的表征。以往研究表明，當暴露于振蕩剪切應力（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表型標記變化的程度。因此，還需要對暴露于更大范圍的剪切應力和相關基質上圖案的SMCs的表型和功能進行更系統的表征（表3）。

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

SMCs中的機械轉導信號通路

不同的研究已經探討了機械拉伸對 SMCs 誘導的潛在細胞內通路。例如，轉化生長因子-b（TGF-β）信號就與此有關。與靜態對照相比，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，導致SIRT6的增加，隨后細胞核中高水平的 SIRT6 介導 SM 標記物的上調，因此在拉伸后產生更強的收縮表型。機械力誘導的表觀遺傳修飾在血管基因表達中的作用在內皮細胞中已被廣泛研究，而在SMCs中研究較少。在大鼠平滑肌細胞中，與靜態培養細胞相比，生理拉伸48小時（10%，1Hz）顯著調節組蛋白去乙酰化酶的表達，特別是HDAC3，4和7（圖2 A）。與靜態對照相比，拉伸細胞表達的這些變化伴隨著遷移的減少。

Hippo 通路效應子、YES 相關蛋白（YAP）和具有 PDZ 結合基序（TAZ）的轉錄共激活因子也參與拉伸誘導的 SMC 表型調節。循環拉伸（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（TNF-α、IL-6、IL-8 和 IL-1B）增加有關。在大鼠SMCs中，承受15% 循環拉伸（3至24小時）的細胞中促炎細胞因子IL-6的釋放增加。該研究認為這種效應是由涉及 Ras/Rac/p38 和 NFKB 信號通路的機制介導的（圖2 B）。

這些數據例證了拉伸誘導的細胞內通路之間的高度復雜性，并強調了需要更多的研究來識別新的機械感受器和調節因子（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胞內通路，但這方面仍不清楚。

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

盡管有明確證據表明機械力可以調節SMC表型，但不同體外研究的結果仍存在許多差異。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條件，包括 ECM 蛋白包被，以及與所研究細胞相關的變量，包括其分離和繁殖程序。因此，迫切需要最能概括體內情況的條件，并且可能需要更復雜的體外培養系統（例如3D培養）來實現這一目標。由于許多SMCs與ECs共生，因此在機械刺激和ECM基質存在下，SMCs和ECs的共培養系統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針對以存在高度調節的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，需要在這一領域進行更多的研究。

參考文獻：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
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