肺動脈高壓中血流剪切力對內(nèi)皮細胞的作用

崔彩冰，羅鵬，黃石安（廣東醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院心血管內(nèi)科，廣東湛江525400）

肺動脈高壓(PAH)是一種慢性進行性疾病，具有高發(fā)病率和高死亡率，PAH 患者約占人口總數(shù)的1%，且老年人占比增加[1-3]。目前主流的觀點是將靜息時通過右心導(dǎo)管檢查測得的靜止?fàn)顟B(tài)下平均肺動脈壓≥20 mmHg 定義為PAH[4]。正常生理狀態(tài)下，肺動脈內(nèi)皮細胞間共同構(gòu)成一層內(nèi)皮細胞屏障，從而對血管的穩(wěn)定進行調(diào)節(jié)。血流剪切力直接作用于肺動脈內(nèi)皮細胞，導(dǎo)致其功能及表型改變。在PAH 的發(fā)病機制中，動脈內(nèi)皮細胞功能障礙扮演了至關(guān)重要的角色[5]。本文就PAH 中血流剪切力對內(nèi)皮細胞的作用機制作一綜述。

1 肺動脈內(nèi)皮細胞

動脈內(nèi)皮細胞是指動脈血管腔最表層的細胞。作為血管屏障，內(nèi)皮細胞直接接受來自血液的機械(壓力、切應(yīng)力)、生物化學(xué)(激素、細胞因子)和免疫(活化的白細胞、內(nèi)毒素)等刺激，能夠起到保護作用[6]。內(nèi)皮細胞具有多種受體，能夠感知血液流動，并通過機械敏感性信號通路向受體分子傳遞機械信號，從而引起表型和功能的改變[7-8]。內(nèi)皮細胞介導(dǎo)的一系列的信號傳導(dǎo)途徑是PAH 患者發(fā)生肺血管異常收縮、肺血管重建及肺血栓形成的主要原因。血液的理化因素在誘導(dǎo)內(nèi)皮細胞最初死亡后，隨著時間的流逝導(dǎo)致細胞過度增殖，使血管重塑和PAH 發(fā)展成為可能[9]。此外，機械張力和許多調(diào)節(jié)因子也能改變細胞形態(tài)，使細胞間隙擴大，損毀內(nèi)皮細胞層的完整性，血管內(nèi)的機械力作用可以影響內(nèi)皮細胞的增殖、分化、凋亡、信號傳導(dǎo)、基因表達等一系列的生理功能[10]。研究表明，從細胞微環(huán)境發(fā)出的機械信號是細胞行為的基本調(diào)節(jié)器，在宏觀尺度上，機械作用力的影響，即由血液流動所產(chǎn)生的力，是我們理解生理學(xué)和疾病發(fā)病機理的核心，但是機械作用力是如何被內(nèi)皮細胞感知并被轉(zhuǎn)化成生物信號傳導(dǎo)仍是目前待攻克的科學(xué)問題[11]。

2 血流剪切力

與血流動力學(xué)和血壓一樣，剪切力也是內(nèi)皮細胞穩(wěn)態(tài)的重要決定因素[12]。作用于內(nèi)皮細胞的剪切力主要分為兩種:(1)在大血管中，血流沖擊內(nèi)皮細胞時摩擦而產(chǎn)生的血流剪切力；(2)在小血管中，由于血流較少，血細胞比容增加，剪切力主要是血細胞滾動時與內(nèi)皮細胞摩擦產(chǎn)生。PAH 患者中這兩種剪切力均能產(chǎn)生作用。研究表明，內(nèi)皮細胞含有機械感受器，能夠?qū)C械負荷的變化迅速作出反應(yīng)，處理信號，并產(chǎn)生針對特定環(huán)境的適應(yīng)性反應(yīng)，重新平衡細胞及血管的穩(wěn)態(tài)[13]。與生理狀態(tài)相比，PAH 患者動脈內(nèi)皮細胞的血流剪切力顯著增加，進而觸發(fā)下游信號通路，引起一系列細胞生理功能改變[14]。PAH 是早期診斷困難的一類隱匿性疾病。Pektas 等[15]對兒童繼發(fā)性PAH 的橫斷面研究中發(fā)現(xiàn)，PAH 患兒肺動脈的血流剪切力顯著降低，并且在疾病診斷方面，＜2.5 dyn/cm2的血流剪切力具有84.8%的敏感性和92.9%的特異性。血流剪切力在PAH 的早期診斷中展露出巨大潛能。目前普遍認為血流剪切力作用于內(nèi)皮細胞產(chǎn)生的表型改變對于PAH 的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)[16]。

3 血流剪切力對內(nèi)皮細胞的影響

3.1 血流剪切力對內(nèi)皮細胞增殖和凋亡的影響

剪切力對動脈生長發(fā)育以及調(diào)控內(nèi)皮細胞增殖起重要作用，Chang 等[17]在小鼠模型中發(fā)現(xiàn)動脈血流剪切力能夠通過抑制CXCL12/CXCR4 信號通路逆轉(zhuǎn)DACH1 的過表達而起到抑制內(nèi)皮細胞遷移和冠狀動脈生長的效果，實現(xiàn)抑制內(nèi)皮細胞的增殖和生長、減少內(nèi)皮細胞極化、不利于動脈發(fā)育，從而傾向于形成小的動脈。成熟的動脈血流剪切力(高，均勻的層流)能夠下調(diào)DACH1 的表達，而重塑的動脈型血流(低，可變)維持了DACH1 的表達。這表明當(dāng)血流狀態(tài)處于穩(wěn)態(tài)的層流時，血流剪切力的作用趨向于抑制內(nèi)皮細胞的增殖功能；反之，血流狀態(tài)處于紊亂的湍流狀態(tài)時，血流剪切力趨向于抑制內(nèi)皮細胞的凋亡功能。與靜息狀態(tài)下的內(nèi)皮細胞相比，內(nèi)皮細胞受持續(xù)血流剪切力作用時DNA 合成速率相對下降，血流剪切力可以通過過表達細胞周期依賴性蛋白激酶抑制劑p21，從而使內(nèi)皮細胞的細胞周期停止在G0/G1 期，達到抑制細胞增殖的效果；相反，在受湍流作用時，內(nèi)皮細胞高速增殖，DNA 合成速率明顯增加。Ohura 等[18]對內(nèi)皮細胞分別施加湍流和層流的流體剪切力，隨后對內(nèi)皮細胞進行轉(zhuǎn)錄組測序，發(fā)現(xiàn)湍流組超過3%內(nèi)皮細胞基因表達是原先的2 倍以上。施加層流剪切力處理的內(nèi)皮細胞的基因表達則出現(xiàn)明顯下降，其中與細胞增殖生長信號通路相關(guān)的基因尤為顯著。同樣，Brooks 等[19]發(fā)現(xiàn)在湍流狀態(tài)下，內(nèi)皮細胞TSP-1mRNA 呈現(xiàn)過表達狀態(tài)，并伴隨著內(nèi)皮細胞凋亡相關(guān)的表型激活。由此可見，血流剪切力的模式可影響動脈內(nèi)皮細胞增殖、生長與凋亡的相關(guān)生物學(xué)功能，若能改善血流剪切力的流動模式，在一定程度上可對環(huán)境壓力作用于內(nèi)皮細胞引起的血管重塑等方面有積極意義。

3.2 血流剪切力對內(nèi)皮細胞分化作用的影響

在內(nèi)皮細胞祖細胞(EPCs)和胚胎干細胞(ESCs)中，剪切力可促進動脈內(nèi)皮細胞標(biāo)志物ephrinB2 的表達，提示剪切力對血管內(nèi)皮細胞的分化具有調(diào)節(jié)作用[20]。這一發(fā)現(xiàn)證實ESCs 在分化過程中同時受到兩種力的作用，即血液流動產(chǎn)生的剪切力可使ESCs 起源的血管內(nèi)皮細胞生長因子受體2 陽性細胞分化為胚胎細胞系；而在胚胎發(fā)育過程中，由于心臟跳動所產(chǎn)生的張力可使血管內(nèi)皮細胞生長因子受體2 分化為平滑肌細胞系[21]。PAH 在病理機制上存在一個重要的分化機制，即內(nèi)皮細胞到間充質(zhì)的過渡(EndoMT)。EndoMT 是一種分化過程，是內(nèi)皮細胞逐漸采用間充質(zhì)細胞(包括平滑肌細胞和肌成纖維細胞)的表型特征。紊亂的血流剪切力、炎癥和血管僵硬等相關(guān)的信號通路均參與EndoMT 的轉(zhuǎn)換過程。EndoMT 與慢性肺部疾病發(fā)病相關(guān)，包括PAH 和慢性肺纖維化。EndoMT 的潛在機制是由于轉(zhuǎn)化生長因子-β、骨形態(tài)發(fā)生蛋白、無翼/整合或Notch 信號通路的激活所致[22]。在EndoMT 的變化下，間充質(zhì)細胞增加，其中平滑肌細胞數(shù)量的增加使得血管管壁變厚，血管順應(yīng)性下降；肌成纖維細胞增加，細胞外基質(zhì)合成增加，血管外膜膠原蛋白和彈性蛋白異常沉積，導(dǎo)致肺血管硬化，最終演變成為PAH[23-24]。因此，有關(guān)血流剪切力與EndoMT 間共同信號通路的研究可為PAH 發(fā)病機制提供新的觀點。

3.3 血流剪切力變化引起的內(nèi)皮細胞信號傳導(dǎo)機制

血管內(nèi)皮細胞可將機械力轉(zhuǎn)換成生物化學(xué)信號，并通過調(diào)節(jié)內(nèi)皮細胞的增殖、分化、轉(zhuǎn)移和凋亡，影響器官的發(fā)育以及保持機體穩(wěn)態(tài)[25]。內(nèi)皮細胞將機械信號轉(zhuǎn)變?yōu)樯镄盘栐谠缒晡窗l(fā)現(xiàn)有明顯證據(jù)支持。近年來，Panciera 等[11]發(fā)現(xiàn)YAP 蛋白和TAZ 蛋白可以讀取從剪切應(yīng)力到細胞形狀和細胞外基質(zhì)剛性的各種機械線索，并將其轉(zhuǎn)化為細胞特異性的轉(zhuǎn)錄程序。YAP 蛋白和TAZ 蛋白的機械轉(zhuǎn)導(dǎo)對于驅(qū)動干細胞行為和再生至關(guān)重要，它的異常細胞力學(xué)有助于PAH 的發(fā)生。機械力轉(zhuǎn)換成生物化學(xué)信號過程中受多種蛋白和分子的影響，包括細胞連接受體、黏附分子、整合素等。轉(zhuǎn)換過程的理論認為，內(nèi)皮細胞的穩(wěn)態(tài)受細胞骨架元件和細胞粘附復(fù)合物之間的動態(tài)作用調(diào)節(jié)。細胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)通過細胞骨架與細胞外基質(zhì)相連接，血流剪切力刺激信號到來時，細胞骨架通過肌球蛋白肌絲的滑動產(chǎn)生張力，從而引起細胞骨架的重新排列和細胞形態(tài)的改變，從而使機械信號通過張力傳導(dǎo)到整個細胞[13，26]。Takahashi 等[25]認為，當(dāng)內(nèi)皮細胞處于穩(wěn)定的高剪切力環(huán)境時，信號蛋白MMP1、Tie2、Flk-1 可以調(diào)節(jié)多種信號通路、基因表達調(diào)控細胞骨架和細胞外基質(zhì)的進行，從而促進內(nèi)皮細胞的遷移和損傷修復(fù)。這說明了針對內(nèi)皮細胞信號傳導(dǎo)通路的作用靶點進行研究，對改善血流剪切力引起的內(nèi)皮細胞功能障礙具有指導(dǎo)意義。

4 內(nèi)皮細胞功能改變與PAH 的發(fā)生

內(nèi)皮細胞功能障礙和血管重構(gòu)是不同類型PAH的共同病理特征[27]。血管重構(gòu)是PAH 的典型病理生理改變，主要表現(xiàn)為遠端肺動脈血管重塑，以及炎癥、纖維化、血栓、新血管的形成。上述這些過程導(dǎo)致血管腔阻塞，形成復(fù)雜的血管病變，稱為叢狀病變[24]。此外，肺血管內(nèi)皮細胞還出現(xiàn)增生、肥大、腫大及EndoMT。血小板衍生生長因子(PDGF)主要是由血小板和巨噬細胞分泌而成，內(nèi)皮細胞也有少量PDGF分泌。PDGF 是一種強烈的促有絲分裂劑，屬于促進細胞增殖、分化和遷移的生長因子家族。PDGF 發(fā)揮生物功能主要通過PDGF-PDGRF(PDGF 受體)軸。研究發(fā)現(xiàn)，PAH 患者中PDGF 和PDGRF 在遠端肺小動脈均呈現(xiàn)高表達；在抑制PDGRF 后，PAH 模型鼠的肺動脈重構(gòu)得到改善，右心室肥厚也得到減輕[28]。Rieg 等[29]研究表明PDGF-PDGRF 軸可激活A(yù)KT/mTOR 信號通路，上調(diào)基質(zhì)交感分子1(STIM1)，促進細胞外鈣離子內(nèi)流以及平滑肌細胞的增殖。血流剪切力可以通過多種激酶(包括蛋白激酶A、AMP 激活蛋白激酶、AKT 和Ca2+/鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶II)刺激內(nèi)皮一氧化氮合酶(eNOS)活化和一氧化氮(NO)的生成[30]。在血流剪切力穩(wěn)定時，NO 能保護低氧引起的內(nèi)皮細胞損傷，抑制平滑肌細胞由收縮表型向合成表型的轉(zhuǎn)化以及平滑肌細胞的增殖，防止缺氧所致肺血管的結(jié)構(gòu)重建[31]。當(dāng)血流剪切力紊亂時，抗細胞增殖因子NO 水平降低，平滑肌細胞出現(xiàn)大量增殖和遷移，加重肺血管重構(gòu)[32]。此外，NO 作為舒血管物質(zhì)的一種，其表達水平的降低也有利于PAH 的發(fā)生。因此，內(nèi)皮細胞多種功能出現(xiàn)障礙與PAH 的發(fā)生、發(fā)展有密切的關(guān)系，我們需探索更多與PAH 有關(guān)的生物分子，通過研究其與剪切力間的聯(lián)系，以期使在PAH 診斷和治療中取得更大的進展。

5 小結(jié)與展望

PAH 作為一類早期診斷困難的進展型疾病，近年來，針對PAH 發(fā)生、發(fā)展過程中的作用機制研究較深入，剪切力與內(nèi)皮細胞之間的生物學(xué)聯(lián)系在其中扮演了重要角色，不斷有關(guān)于剪切力與內(nèi)皮細胞之間新的共同作用分子和信號通路被挖掘，使研究者對PAH的病理生理過程有了更系統(tǒng)的評估，但目前仍然還沒有明確的針對PAH 靶向分子的生物標(biāo)志物或治療方案。從生物學(xué)行為上看，血流剪切力可以轉(zhuǎn)換為生物電信號，通過影響內(nèi)皮細胞內(nèi)信號傳導(dǎo)調(diào)控內(nèi)皮細胞的增殖、分化、凋亡等生理功能，進而導(dǎo)致PAH 的發(fā)生，這在大部分的研究過程中都得到了較明確的結(jié)果，但仍有一部分未能得到解釋的病理生理現(xiàn)象。PAH 是一類較為復(fù)雜的病理生理狀態(tài)，關(guān)于血流剪切力與PAH 間的相互關(guān)系仍然有比較多的未知領(lǐng)域，如是否可通過已知的有關(guān)的信號傳導(dǎo)通路提取出特異性高的有診斷或治療價值的生物標(biāo)志物；是否可利用血流剪切力的信號傳導(dǎo)逆向促進血管再生等?？傊?，關(guān)于血流剪切力與內(nèi)皮細胞的相互作用的研究仍然有比較廣泛的空間。