血管由單層內皮細胞排列，血管內皮細胞界于血液和間質組織之間發揮其屏障作用。內皮細胞的通透性受到嚴格調控，通透性增加與包括動脈粥樣硬化在內的許多疾病有關。內皮細胞持續暴露于流動血液施加的機械力，尤其對剪切應力特別敏感，這是內皮功能的關鍵決定因素。不受干擾的血流可促進內皮彈性并降低對大分子的滲透性，而受干擾的血流會導致內皮功能障礙和屏障破壞。最近，來自英國huang家獸醫學院對比生物醫療科學系的 Anna McQueen 和 Christina M Warboys 研究員在Current Opinion in Cell Biology 期刊發表了題為“Mechanosignalling pathways that regulate endothelial barrier function”的一項研究綜述，概述了其對受干擾和未受干擾的血流如何調控細胞旁通透性和跨細胞通透性的理解的最新進展，并強調了可能構成限制心血管疾病治療基礎的潛在細胞靶點。

動脈粥樣硬化斑塊的形成是一個漫長的過程，斑塊形成在暴露于不均勻（紊亂）血流的動脈區域，揭示了血流動力學應力在動脈粥樣硬化中的重要性。剪切應力是內皮功能的關鍵決定因素，剪切應力的大小和方向都很重要。

雖然人們普遍認為單向、高幅度的剪切應力（10-40 dyn/cm2）與細胞保護機制的激活和防止內皮功能障礙和動脈粥樣硬化有關，關于低幅度（< 5 dyn/cm2）、振蕩（雙向）和多向流動剪切應力對動脈粥樣硬化的貢獻仍然存在爭議。最近的研究強調了多向流動在促進內皮功能障礙和動脈粥樣硬化中的重要性，然而，低時間-平均壁面剪切應力（WSS）的作用尚不清楚，關于其在斑塊形成中的作用的證據相互矛盾。

同樣重要的是要考慮用于研究剪切應力對內皮細胞影響的不同體外方法，因為所產生的血流動力學曲線可能會有很大差異，并且取決于所使用系統的配置。平行板流動室、錐形和平板粘度計以及微流體裝置通常用于使細胞暴露于單向或振蕩血流，而多向血流可以使用旋流井（軌道振動器）方法或通過改裝平行板流動室來實現，但大多數常用的體外系統還不能在不產生低時間平均壁面剪切應力的情況下誘導多向流動。

擾動血流和未擾動血流對內皮細胞的不同影響可能歸因于不同機械敏感轉錄因子的激活。轉錄因子Krüppel樣因子4（KLF4）、Krüppel樣因子2（KLF-2）和核因子-紅細胞2相關因子2（Nrf-2）在暴露于血流的內皮細胞中優先被激活，而暴露于血流紊亂的內皮細胞表現出活化B細胞核因子κ輕鏈增強子（NF-κB）、激活蛋白-1 （AP-1）、YAP/TAZ/TEAD 和缺氧誘導因子1α（HIF-1α）的富集，導致內皮功能障礙。血流紊亂會促進炎癥信號傳導、細胞凋亡、氧化應激、內皮間充質轉化和衰老。剪切應力還調節內皮屏障功能，體內和體外研究均表明，暴露于血流紊亂的內皮細胞對白蛋白和低密度脂蛋白（LDL）的通透性增加。

物質可以通過細胞旁途徑或跨細胞途徑在內皮細胞間轉運。內皮細胞旁通透性主要受兩種類型的細胞間連接調節：緊密連接和黏附連接（圖1）。內皮細胞的通透性隨著連接完整性的喪失和內皮細胞間局灶間隙的形成而增加。內皮通透性在連接完整性喪失和內皮細胞之間縫隙形成后增加。

圖1 細胞旁通透性受黏附連接和緊密連接的調節。黏附連接是由相鄰內皮細胞上跨膜的VE-鈣粘蛋白之間的相互作用形成的。緊密連接是由相鄰內皮細胞上跨膜的閉合蛋白（occludin）、密封蛋白（claudin）、連接粘附分子（JAM）之間的相互作用形成的。黏附連接和緊密連接之間的串擾使屏障功能以協調的方式調節。

長期以來，關于大分子在內皮細胞中的主要轉運途徑以及剪切應力如何影響這些途徑一直存在爭議。長期以來，人們普遍認為，大分子通過細胞有絲分裂或細胞凋亡時產生的 “leaky junctions” 穿過內皮屏障。一種直接可視化培養內皮細胞運輸途徑的方法的發展澄清了其中的許多問題，并觀察到存在三種轉運途徑：白蛋白大小的示蹤劑通過雙細胞和三細胞連接通過細胞旁途徑穿過內皮細胞，高密度脂蛋白大小的示蹤劑僅發生在三細胞連接處，LDL大小的示蹤劑通過胞吞作用跨內皮細胞轉運。研究還顯示，在暴露于擾動血流的內皮細胞中，與未擾動流相比，滲漏的三細胞連接數量增加，通透性也增加。迄今為止，三細胞連接在內皮功能障礙和動脈粥樣硬化中的作用很少受到關注，因此是進一步研究的重要領域。

最近的研究確定了新的滲透性調節途徑，或對先前描述的途徑提供了額外的見解（圖2）。例如，p21活化激酶（PAK）長期以來一直被認為可以增加內皮細胞在血流受到干擾時的細胞旁通透性，然而，機制尚不清楚。最近研究表明，含有 SH2/SH3結構域的銜接蛋白，酪氨酸激酶-1（Nck1）的非催化區，在響應紊亂的血流時被激活，這介導了紊動流依賴性的 PAK 激活。Nck1 的缺失可阻止 PAK 募集到細胞連接處，并顯著抑制擾動流誘導的細胞旁通透性。此外，最近的研究發現，在擾動流下，TWIST1 增加 EVA1A（Eva-1 同源物A）的表達，從而促進屏障破壞；擾動流通過 Frizzled-4-β-連環蛋白依賴性機制增加細胞旁通透性；在暴露于擾動流的內皮細胞中，G蛋白偶聯受體激酶2（GRK2）增加了黏著斑蛋白在 Ser721 上的磷酸化，這導致黏著斑蛋白失活，黏附連接被破壞，細胞旁通透性增加；還表明轉化生長因子-β（TGF-β）I型受體，也稱為ALK5，有助于干擾流動依賴性屏障破壞。

圖2 破壞內皮屏障功能穩定的機械信號通路。擾動血通過破壞黏附連接和緊密連接的穩定性來誘導內皮屏障破壞。Nck1 被擾動流激活，從而促進 PAK 與 VE-鈣粘蛋白的結合。PAK會破壞黏附連接并增加滲透性。擾動流也會增加EVA1A的表達，從而促進屏障破壞。流動紊亂還通過增加β-連環蛋白信號傳導來增加通透性，從而降低 ZO-1 的表達并減少黏著斑蛋白對細胞連接的定位。當血流受到干擾時，GRK2被激活，從而促進了血管蛋白在遠離細胞連接處的重新分布。在擾動流介導的 ALK5 激活后，通透性也增加。

雖然人們普遍認為動脈粥樣硬化保護性剪切應力會降低對大分子的滲透性并穩定內皮屏障功能，但對所涉及的精確機械信號通路的研究很少。一項新的研究強調了長鏈非編碼RNA轉移相關肺腺癌轉錄本1（lnc-RNA MALAT1）在維持屏障完整性方面的作用。急性暴露于未受干擾的血流導致 MALAT1 上調，從而增加 ZO-1 和閉合蛋白的表達。據推測，這會改善屏障功能，盡管這僅在靜態條件下進行了研究。其他研究強調了內皮細胞TEK酪氨酸激酶（Tie2）和激肽釋放酶10（KLK10）在內皮細胞暴露于擾動流時增強屏障功能的重要作用。（圖3 總結了這些途徑）

圖3 穩定內皮屏障功能的機械信號通路。不受干擾的血流通過增加 lnc-RNA MALAT-1 的表達來促進內皮細胞連接的穩定，從而增加 ZO-1 和閉合蛋白的表達。通過增加VE-PTP的內化，KLK10對未受干擾的血流的上調也降低了滲透率。這導致 Tie2 的激活增強，從而穩定VE-鈣粘蛋白。不受干擾的血流還通過增加卵泡抑素樣蛋白1（FSTL-1）的表達來降低跨細胞通透性。FSTL-1 部分通過抑制骨形態發生蛋白4（BMP4）信號傳導來降低通透性。

最近的研究揭示了通過剪切應力調節內皮細胞通透性的重要新見解（圖2、圖3），并強調了許多信號分子，這些信號分子可以靶向穩定連接，從而降低細胞旁通透性和內皮功能障礙。這些可以作為預防策略的一部分，與他汀類藥物和抗炎療法一起，進一步限制動脈粥樣硬化的發展和進展。低密度脂蛋白轉運的改變也可能提供另一個重要靶點，以限制膽固醇在血管壁內的沉積并預防心血管疾病。迄今為止，這是一個研究不足的領域，特別是考慮到它在動脈粥樣硬化中的重要性，最近對其在內皮細胞生理流動條件下主要轉運途徑的發現，有望為進一步研究其調控提供平臺。

參考文獻：McQueen A, Warboys CM. Mechanosignalling pathways that regulate endothelial barrier function. Curr Opin Cell Biol. 2023 Oct;84:102213. doi: 10.1016/j.ceb.2023.102213. Epub 2023 Jul 31. PMID: 37531894.
原文鏈接：pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37531894/

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