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流体剪切力对血管内皮细胞的影响

更新时间:2023-12-28      点击次数:206

内皮细胞(EC)排列在血管腔表面,在健康和疾病中调节血管功能方面发挥着显着作用。研究表明,EC控制血管张力、通透性、炎症,甚至血管的生长和消退。由于EC对血管系统内血流和血压产生的剪切应力和周向应变均具有机械敏感性,因此对血管稳态至关重要。具体来说,EC在糖尿病和动脉粥样硬化等病理条件下会出现功能障碍。内皮功能障碍通常是血管形态改变的结果,并且是许多病理和疾病状态的标志,例如动脉粥样硬化、糖尿病、高血压和炎症。

内皮细胞持续暴露于剪切应力,这是由血管腔表面上的血流产生的。剪切应力可以通过激活机械传感器、细胞内信号、基因表达、细胞形态和结构重塑来调节EC功能。

一般来说,血流可分为层流或振荡剪切流。前者的特点是平滑的流线型流动,后者的特点是流动逆转区域。脉管系统内不同区域的剪切应力类型有所不同。例如层流剪应力通常出现在直动脉区域,例如胸主动脉和腹主动脉区域。然而振荡剪切应力存在于动脉粥样硬化频繁发生的分支或弯曲区域,例如主动脉区域。

剪切应力可以通过调节血管内皮细胞的基因表达和表型来调节内皮细胞的功能。层流剪切应力激活EC中的信号转导途径和基因表达,从而抑制细胞增殖、炎症和动脉粥样硬化。相反,振荡剪切应力促进内皮细胞易发生动脉粥样硬化的表型,并增加内皮细胞增殖、炎症、白细胞粘附,从而促进动脉粥样硬化形成。

基因表达

内皮细胞暴露于血管内皮层上的血流引起的剪切应力,这是其正常生理状态的一部分。在具有层流剪切应力流的直动脉区域,各种动脉粥样硬化保护基因表达。然而一些促动脉粥样硬化基因减少,从而导致EC的稳定性和静止。相反,在血流低且振荡的区域,动脉粥样硬化保护基因受到抑制,而促动脉粥样硬化基因则高度表达。结果内皮细胞形成不同的表型,从而为动脉粥样硬化的发生和进展提供位点特异性易感性。剪切应力还被证明可以通过改变内皮基因表达来调节炎症过程。许多研究分析表明,振荡剪切应力可导致血管壁促炎基因表达。然而,层流剪切应力促进抗炎基因表达。

一氧化氮合酶(eNOS)活性

一氧化氮(NO)在内皮功能和血管稳态中发挥关键作用。

增殖

保持EC处于静止状态是血管健康和稳态所必需的。来自体内动物模型的证据表明,EC增殖增加是动脉粥样硬化形成的早期事件。

迁移

EC迁移在许多生物过程中很重要,包括血管生成和血管疾病的发展。EC的迁移是伤口愈合和动脉粥样硬化发展的重要组成部分。剪切诱导的板状伪足突出和粘着斑重塑可能在EC迁移中起关键作用。

骨架重组

当观察细胞形态时,可以发现内皮细胞被拉长,在高层流剪切应力区域对齐。然而EC随机定向在低层流或振荡剪切应力的区域。丝状作用在内皮细胞的中央和外周排列,形成应力纤维。在正常细胞中,EC的形态是随机排列且均匀的多边形,而在层流剪切应力条件下EC从典型的鹅卵石图案拉长为均匀的纺锤形,其排列方向与层流剪切应力下生长的细胞相似。在这种情况下,应力纤维变得更粗更长,并且主要沿细胞的纵向延伸。

应力纤维锚定质膜

应力纤维与细胞前缘的质膜相关联,这种关联在细胞-细胞连接形成和细胞移动性中发挥重要作用。例如发现应力纤维在细胞连接处或粘附斑位点与质膜连接,在这些位置它们起到促进与基质的牢固附着的作用。应力纤维和粘着斑的定位和分布受到局部流体剪切应力力的影响。