在动脉粥样硬化和其他心血管疾病的发展过程中，位于血管中膜的血管平滑肌细胞（SMCs）不断从收缩状态转变为与分化的 SMCs 有很大差异的其他表型。该过程的特征是收缩性相关蛋白的表达减少或丢失，与其他细胞类型（包括基质重塑酶）相关的标记基因的表达增加，以及细胞外基质（ECM）蛋白的分泌增加。因此，被调控的SMCs通常会经历增殖和迁移，导致SMC克隆性扩增在更多病变中形成。目前，已经努力确定维持血管 SMCs 在其收缩表型中的环境线索、信号通路和机制，以及这些表型在疾病状态下如何被破坏，但这些过程仍远未被理解。
在生命过程中，血管系统中的细胞不断暴露于不同的机械力下以调节体内功能和稳态，包括流体剪切应力、循环拉伸应力和静水压力。扰动剪切应力会影响动脉粥样硬化斑块形成的区域和血管壁重塑。此外，研究表明，在生理条件下，每次心跳时人主动脉的外径都会经历大约10% 的循环拉伸伸长。然而，在包括动脉粥样硬化和急性高血压在内的病理条件下，血管会经历 20% 及以上的高幅度拉伸。除了剪切应力和循环拉伸外，血管壁中的所有细胞层在体内都受到压缩力。然而，压缩力影响血管细胞表型的机制尚未阐明。
鉴于SMC表型调控在血管疾病发病机制中的关键作用，了解SMCs如何感知机械力并将其转化为生化信号及其与周围ECM蛋白的相互作用对于预防血管疾病的发展和发展至关重要。因此，在丹麦奥胡斯大学临床医学系动脉粥样硬化研究部门的一项综述中，讨论了最近的2D体外研究，评估了机械力（循环拉伸）对血管SMCs的影响，并特别关注了这些力对它们与 ECM 蛋白的相互作用、平滑肌（SM）收缩和合成标记基因的表达以及对 SMC 功能的其他关键方面（如迁移和增殖）的影响。研究成果发表在 CELLS 期刊题为“The Phenotypic Responses of Vascular Smooth Muscle Cells Exposed to Mechanical Cues”。
循环机械拉伸和SMCs
在正常生理条件下，SMCs 和周围的 ECM 感知并将机械拉伸转化为生化信号，最终控制其功能。当这些机械信号发生改变时，例如，由于动脉疾病的发展，SMCs的结构和功能特性就会改变。在实际的细胞培养研究中，研究人员通常采用振幅为 10% 和 20% 的周期性拉伸，以分别模拟生理和高压诱导的拉伸效应。
循环拉伸对SMC标记基因表达的影响
先前的多项研究使用基因表达作为读数已经评估了循环拉伸对SMC调控的影响，如表1和图1 所示。
表1 最近体外2D研究的代表性概述，概括了循环拉伸对人和大鼠SMC标记基因表达的影响。
然而，很少有研究检查拉伸的生理水平对人类SMCs的影响，如有研究表明，2-5天的生理循环拉伸（7%，1 Hz）未引起人脐动脉SMCs在I型胶原膜上的SM标志物表达水平的显著变化。
其他研究主要着眼于人类 SMCs 的高拉伸刺激（>10%），这些刺激通常被证明会诱导去分化表型。例如，人脐动脉SMCs暴露于13% 的拉伸24小时，与静态对照组相比，SM收缩标志物ACTA2、MYH11和CNN1蛋白水平显著降低。收缩标志物水平降低还伴随着一些炎症基因，如IL-8、IL-6、IL1β、血管细胞粘附蛋白1（VCAM-1）和细胞间粘附分子1（ICAM-1）的上调。目前对人SMCs进行拉伸的体外研究不仅在拉伸强度上有所不同，而且在刺激的持续时间上也有所不同。
与人SMCs的研究一致，与接受5% 拉伸的大鼠胸主动脉SMCs相比，15% 拉伸24小时的大鼠SMC的收缩标志物Cnn1、Acta2和Tagln下调。此外，一项研究报告称，当以 10% 拉伸刺激大鼠主动脉 SMCs 30 小时时，心肌蛋白（Myocd）的蛋白质水平没有变化。然而，当细胞接受 20% 的循环拉伸6 小时后，Myocd 表达上调。这一结果证实了高拉伸强度调节SMCs中的基因表达。尽管有研究结果未达成一致，但较低的拉伸水平使SMCs保持其收缩状态，而较高的拉伸水平（尤其是>15%）可以诱导SM表型调节。
目前，对于通过不同血管床和疾病期间发生的不同局部扩张模式如何影响 SMC 功能的理解有限。有研究认为，波形类型可以调节人类SMC表型状态。例如，与设置简单且广泛使用的正弦波形拉伸的细胞相比，振幅为7.5% 的24小时循环拉伸和模拟心脏产生压力的波形可以诱导CNN1和TAGLN的上调。
其他对 SMCs 进行拉伸的体外研究侧重于探索炎症基因作为去分化标志物的替代品。通过15% 拉伸刺激3小时的小鼠主动脉原代SMCs显示IL-6表达水平升高。另一项研究将其暴露于15% 拉伸4小时或保持静态，结果表明，与静态细胞相比，拉伸细胞上涉及炎症的基因上调，例如Cxcl1和Cx3cl1。同样，另一项研究对暴露于20% 超生理拉伸24小时的人主动脉SMCs进行了微阵列分析，旨在鉴定由非生理性拉伸诱导的lncRNA表达上，发现除了一些SM收缩标志物下调外，还有几种与肿瘤坏死因子和炎症信号通路相关的lncRNA 受到调控。
总之，这些发现提供了非生理机械力与小鼠、大鼠和人类 SMCs 引发的炎症反应之间的联系，并可能突出有助于动脉粥样硬化启动的生物力学应力的分子机制。
图1 循环拉伸对SMC表型的影响。
SMC表型调控的其他方面
在正常、健康的血管中，大多数 SMCs 处于分化或收缩状态，处于静止状态，不会迁移。然而，在血管疾病的发展过程中，迁移和增殖的增加是 SMC 表型转换的重要标志，通常伴随着收缩性 SM 标记基因表达的降低。
循环拉伸对SMC迁移的影响
生理或超生理拉伸对SMC迁移的影响已经在一些研究中进行了探索，但结果并不一致（表2、图1）。
表2 体外 2D 研究的代表性概述，这些研究调查了循环拉伸对人类和啮齿动物 SMC 迁移的影响。
最近的研究通过细胞划痕实验探索了暴露于拉伸的人主动脉 SMCs 的迁移能力。报告称，与静态对照相比，拉伸（10%，1 Hz）刺激12小时后人SMC的迁移减少。相反，培养的大鼠SMCs进行生理拉伸（10%，1Hz，24小时），却观察到拉伸增加了大鼠SMCs的迁移能力。这些研究结果之间的差异可能是由于所使用的 SMC 的类型和来源、拉伸条件（持续时间和波形）以及评估迁移能力的方式（拉伸期间或之后的时间）的微小差异。
在接种于包被有I型胶原的小鼠原代主动脉SMCs中检测了超生理拉伸（20%，1Hz）刺激的影响，3小时后，与静态对照组相比，拉伸组的细胞迁移增加。这种效应可能部分是通过向培养基中释放拉伸依赖性迁移介质来介导的。此外，一项独立研究使用了大鼠胸主动脉SMCs的条件培养基，并将其接种在Matrigel 基质膜，暴露于拉伸（20%，1Hz）24小时。他们观察到，与用标准培养基喂养的对照细胞相比，条件培养基细胞的迁移能力有所增加。因此，未来需要进一步的研究来确定SMCs在长时间刺激拉伸期（天）和其他类型的ECM基质上的迁移能力。
循环拉伸对SMC增殖的影响
在不同的研究中，与静态对照相比，生理拉伸的（<10%）可以减少人和大鼠主动脉SMCs的增殖。人SMCs至少需要12小时的生理拉伸才能减少其增殖。有趣的是，大鼠主动脉SMCs似乎需要更长时间的生理拉伸（48小时至4天）来减少其增殖。然而，另一项研究报告称，当小鼠SMCs经受10% 的生理拉伸1小时时，增殖增加。这项研究的一个区别是SMCs是在明胶包被的膜上培养的。因此，与其他研究相比，这些研究的潜在差异在于使用的 ECM 蛋白的类型、拉伸暴露时间和使用的 SMC 来源。另一方面，据报道，与静态相比，人或大鼠主动脉 SMCs 的非生理性拉伸刺激（> 10%）可增加细胞增殖。
总体而言，综合结果表明，在SMCs中，生理性拉伸力是静态的，而高强度或病理性拉伸会诱导SMC增殖（图1）。需要进一步的研究来了解不同类型的拉伸（包括波形）和不同 ECM 蛋白对 SMC 增殖的潜在相互作用。
循环拉伸对SMC凋亡的影响
研究发现，SMC凋亡促进小鼠新生内膜形成，部分原因是通过增加细胞增殖、迁移和细胞基质的形成。研究表明，将明胶培养的小鼠SMCs暴露于生理拉伸（<10%）不到24小时，与静态对照相比，细胞凋亡增加。在这些研究中细胞凋亡的增加伴随着增殖的增加。
人主动脉 SMCs 暴露于高强度拉伸（>15%）12 小时，显示出与暴露于低拉伸水平相似的结果。与静态培养相比，细胞凋亡和增殖增加。在人、大鼠和小鼠SMCs中进行高强度拉伸4-36小时的其他研究均发现，细胞凋亡增加。这些研究的一个共同特征是，SMCs是在涂有I型胶原的培养板上培养的。一般而言，对人、猪、大鼠或小鼠SMCs的研究得出结论，机械拉伸会增加细胞凋亡水平，而与SMCs的拉伸强度、持续时间、ECM涂层和来源无关。
流体剪切应力和SMCs
在血管疾病或手术干预（如血管成形术或动脉内膜切除术）中，可能会发生血管内皮损伤，直接使SMCs暴露于不同模式和强度的剪切应力。体外研究表明，SMCs直接对流体剪切应力产生反应。因此，更深入地理解流体剪切应力调节SMC表型的机制是一个重要的科学问题。
剪切应力和SMCs的表型调控
早期的研究已经使用DNA微阵列来确定人主动脉SMCs在流体剪切应力下的全局表达谱。暴露于层流剪切应力（12 dynes/cm2）24小时的SMCs 与静态条件下的细胞相比，受调控最多的是参与细胞周期和死亡、细胞粘附和ECM的基因。同时，与静态对照相比，层流剪切应力可促进人SMCs 增殖。然而，其他多项研究表明，大鼠主动脉 SMCs 暴露于层流剪切应力（8 或14 dynes/cm2）长时间（15-24小时），与静态对照相比，一些经典SM标志物的表达降低。在其中一项研究中，大鼠脑动脉SMCs暴露于层流（15 dynes/cm2）持续6、12和24 h导致Acta2和Tagln时间依赖性下调，而基质金属蛋白酶2（Mmp-2）和肿瘤坏死因子-α（Tnf-α）上调。在这项研究中，表型转换还伴随着剪切应力后SMCs的增殖和迁移增强。因此，这项研究和其他研究表明，与静态条件下的细胞相比，层流剪切应力诱导了SMCs的去分化。
然而，并非所有观测数据都呈现一致。一项研究发现，暴露于层流剪切应力（14 dynes/cm2）24小时的大鼠主动脉 SMCs 增殖减少而不是增加。同样，在涂有I 型胶原的玻片上，暴露于层流剪切应力（11 dynes/cm2）下24小时，也观察到牛主动脉SMCs的增殖减少。遗憾的是，在所有这些研究中，都没有关于剪切应力前后SMC标记基因的信息。
总体而言，SMCs对层流剪切应力的体外反应的生理相关性尚不清楚。体内内皮细胞损伤部位的剪切应力模式并不一定反映几项研究所涉及的连续层流剪切应力，而且扰动或湍流剪切应力对SMC表型的体外影响尚未得到很好的表征。以往研究表明，当暴露于振荡剪切应力（14 dynes/cm2）3或5天时，牛主动脉SMC增加了其DNA合成和增殖能力，但未分析其伴随SMC表型标记变化的程度。因此，还需要对暴露于更大范围的剪切应力和相关基质上图案的SMCs的表型和功能进行更系统的表征（表3）。
表3 体外2D研究的代表性概述，研究了剪切应力对人、大鼠和牛SMC表型的影响。
SMCs中的机械转导信号通路
不同的研究已经探讨了机械拉伸对 SMCs 诱导的潜在细胞内通路。例如，转化生长因子-b（TGF-β）信号就与此有关。与静态对照相比，暴露于10% 拉伸24小时的大鼠SMCs上清液中的TGF-β1水平增加。该研究还表明，TGF-β1可以激活Smad2/5，导致SIRT6的增加，随后细胞核中高水平的 SIRT6 介导 SM 标记物的上调，因此在拉伸后产生更强的收缩表型。机械力诱导的表观遗传修饰在血管基因表达中的作用在内皮细胞中已被广泛研究，而在SMCs中研究较少。在大鼠平滑肌细胞中，与静态培养细胞相比，生理拉伸48小时（10%，1Hz）显著调节组蛋白去乙酰化酶的表达，特别是HDAC3，4和7（图2 A）。与静态对照相比，拉伸细胞表达的这些变化伴随着迁移的减少。
Hippo 通路效应子、YES 相关蛋白（YAP）和具有 PDZ 结合基序（TAZ）的转录共激活因子也参与拉伸诱导的 SMC 表型调节。循环拉伸（13%）24 小时后 YAP/TAZ 活化，与人脐动脉 SMCs 中增殖和促炎基因表达（TNF-α、IL-6、IL-8 和 IL-1B）增加有关。在大鼠SMCs中，承受15% 循环拉伸（3至24小时）的细胞中促炎细胞因子IL-6的释放增加。该研究认为这种效应是由涉及 Ras/Rac/p38 和 NFKB 信号通路的机制介导的（图2 B）。
这些数据例证了拉伸诱导的细胞内通路之间的高度复杂性，并强调了需要更多的研究来识别新的机械感受器和调节因子（图2）。尽管有几项研究试图表征 SMCs 中潜在的机械感受器和细胞内通路，但这方面仍不清楚。
图2 SMCs中机械拉伸诱导的通路。（A）由生理循环拉伸激活的通路（< 10% 的伸长率）使 SMC 保持分化状态，其特征是增殖、迁移和炎症减少，并伴有高水平的收缩标记基因。（B）另一方面，SMC 暴露于超生理循环拉伸（> 15% 的伸长率）诱导从收缩状态到合成状态的表型调节。这种高强度拉伸激活的通路诱导细胞增殖、迁移和炎症增加，收缩标记物表达减少。
尽管有明确证据表明机械力可以调节SMC表型，但不同体外研究的结果仍存在许多差异。其中一些差异可以通过拉伸条件的变化来解释，例如强度、波形、持续时间和频率。其他可能的影响因素可能是拉伸前和拉伸期间的培养条件，包括 ECM 蛋白包被，以及与所研究细胞相关的变量，包括其分离和繁殖程序。因此，迫切需要最能概括体内情况的条件，并且可能需要更复杂的体外培养系统（例如3D培养）来实现这一目标。由于许多SMCs与ECs共生，因此在机械刺激和ECM基质存在下，SMCs和ECs的共培养系统也可能具有新的潜力。
总之，确定控制SMC表型的机制对于开发针对以存在高度调节的SMC为特征的血管疾病的新药以及改善血管组织组织工程至关重要。更好地了解机械力和ECM蛋白如何控制SMC表型是未来工作一个特别重要的部分，需要在这一领域进行更多的研究。
参考文献：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.
Impact Factor: 5.1 (2023); 5-Year Impact Factor: 6.0 (2023)
ISSN: 2073-4409
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