血管炎性疾病和內皮表型

Vascular Inflammatory Diseases and Endothelial Phenotypes

Keywords: EC phenotypes; endothelial cell; inflammation; vascular diseases.

內皮細胞排列在管腔表面，充當分隔血液和周圍組織的屏障。其動態和異質結構影響各種重要過程，如血管通透性、體內穩態、血管生成、代謝、炎癥細胞運輸、血管舒縮張力和免疫。一氧化氮（NO）是健康血管內皮的關鍵組成部分，通過防止血栓形成、細胞增殖和炎癥來幫助血管壁維持靜息狀態。這種靜息的、以 NO 為主的內皮表型很可能是由層狀剪切應力維持的。

血管疾病是內皮功能障礙的結果，在病理情況下通常被稱為內皮活化。從靜息表型到參與宿主防御反應的表型的變化由內皮激活表示。事實上，大多數心血管危險因素會觸發基于內皮的分子機制，導致趨化因子、細胞因子和粘附分子的表達，這些分子旨在與白細胞和血小板相互作用，并靶向特定部位的炎癥以消除病原體。根據促炎刺激的類型、嚴重程度、持續時間和組合，內皮活化和氧化還原信號轉導可能會促進宿主防御或引發血管炎性疾病。越來越多的證據表明，內皮功能障礙是與病理狀態相關的多種心血管疾病的標志，包括血管收縮、白細胞粘附、血栓形成和炎癥狀態。多項研究正專注于尋找其中涉及的途徑和機制。

鑒于此，韓國仁濟大學生物工程系課題組就 ECs 對血管炎癥性疾病影響的最新研究進展進行了綜述，討論了 EC 特異性剪切應力信號傳導的內皮表型和刺激以及與 EC 炎癥表型相關的幾種重要血管疾病。研究內容發表于 CELLS 期刊題為“Vascular Inflammatory Diseases and Endothelial Phenotypes”。

剪切應力對血管內皮的影響

內皮細胞在心血管穩態中起著至關重要的作用。血流特性的改變通過血流動力學力量控制健康和疾病條件下的血管生理學和病理學。血流動力學力的血流相關變化影響內皮表型并控制各種血管過程，包括維持急性血管張力、血管通透性、白細胞粘附、血管發育以及促血栓和抗血栓信號分子的分泌。在直段動脈處，血流是層狀的，壁剪切應力很高，產生動脈粥樣硬化保護作用并促進健康的內皮細胞。相反，在分支和彎曲處，血流受到低壁剪切應力分布不均勻和不規則的干擾，會促進動脈粥樣硬化，并導致外周動脈疾病、腦海綿狀血管畸形（CCMs）以及支架再狹窄和血栓形成。

剪切應力對白細胞粘附的影響

在振蕩剪切應力期間，血流中滾動的白細胞被募集到炎癥部位，并通過與免疫球蛋白樣粘附分子（如 VCAM-1、ICAM-1 和 E-Selectin）的分子相互作用粘附在血管壁上作為一種防御機制。層流剪切應力通過 eNOS 激活或 KLF2 表達等多種途徑限制促炎基因表達并促進內皮細胞靜息。Kruppel樣因子-2（KLF2）的抗炎特性通過降低VCAM-1和ICAM-1的表達來防止白細胞粘附。相反，振蕩剪切通過多種促炎途徑促進白細胞粘附，最終導致 NF-κB 或 Yap 激活。除了CAMs家族外，細胞間膜蛋白PECAM-1和JAM-A還充當細胞表面受體，并通過LFA-1結合促進白細胞粘附和遷移。動脈壁中細胞粘附受體數量的這種血流依賴性增加促進了白細胞粘附和炎癥過程的發生，這加劇動脈粥樣硬化斑塊的進展和EC功能障礙。

剪切應力對血管通透性的影響

為了維持組織穩態，內皮的通透性和結構完整性受許多膜相關蛋白的控制，包括 JAMs、Claudins、PECAM-1 和 VE-cadherin 。內皮連接及其分子組織根據生物體在健康和疾病狀態下的需求控制通透性。根據流動模式，內皮細胞可在細胞骨架上排列，并借助細胞間連接處的幾種蛋白質（包括 JAM、PECAM-1 和 VE-鈣粘蛋白）誘導牽引力以維持細胞間連接的連接完整性。層流通過肌動蛋白聚合和肌球蛋白磷酸化影響 Rho-A 活性、細胞骨架張力和細胞排列。相反，血流紊亂會誘導 Rho 激酶活性的過度激活，通過肌球蛋白磷酸酶失活導致細胞骨架重排和內皮屏障功能障礙。此外，擾動的血流誘導 PECAM-1-VE-cadherin-VEGFR2 復合物信號傳導，以驅動 ECM 重塑并增加纖連蛋白表達，這在炎癥激活中起關鍵作用。這種膜蛋白依賴性機械轉導通路激活 p21 活化激酶（PAK）、NF-κB、JNK 等，降解連接完整性并增加細胞旁通透性，從而誘導更大的屏障滲漏。

擾動流對 EndMT 的影響

EndMT 對于胚胎發育、正常毛細血管形成、平滑肌細胞分化和血管生成至關重要。然而，它在許多病理中也起著關鍵作用，包括動脈粥樣硬化、纖維化、癌癥進展和慢性炎癥。內皮細胞向間充質細胞的轉變通過控制炎癥、斑塊的結構完整性以及細胞外基質和膠原蛋白的合成，在動脈粥樣硬化的進展中發揮了重要作用。研究表明，在暴露于振蕩剪切應力的 ECs 中，FN 和整合素 β1 信號誘導 TGF-β 受體上調并激活多個信號通路，主要是 Smad 2/3 通路。此外，紊亂血流誘導磷酸化的 Smad 2/3，其核定位增加了炎癥基因標志物，如 SNAI1 、NOTCH3 和 FN 并促進了血管重塑。在體內研究中，阻斷該通路減緩了動脈粥樣硬化。炎癥介質還通過刺激 NF-κB 來促進 EndMT 的發展。層流通過 KLF4 靶基因誘導促進內皮表型。Tenascin-x（TN-X）已被證明是血流誘導的EndMT 抑制、內皮炎癥和層流下 KLF2 依賴性誘導的動脈粥樣硬化形成的關鍵調節劑。

擾動流對葡萄糖代謝的影響

近年來，細胞代謝已被證明可調節 EC 表型。在炎癥條件下，EC 激活和功能障礙驅動的代謝重編程是許多疾病病理生理學的關鍵因素，例如動脈粥樣硬化、糖尿病視網膜病變、肺動脈高壓和癌癥。如上所述，層流剪切應力通過表達一系列轉錄因子，包括促進抗炎和抗血栓形成特性的KLF2，促進靜息的 EC。同樣，層流誘導的KLF2 通過抑制糖酵解調節因子磷酸果糖激酶-2/果糖-2,6-二磷酸酶-3（PFKFB3）的表達來調節細胞代謝以維持靜息的 EC。在血流擾動的情況下，KLF2 功能的喪失會抑制 PFKFB3，從而增強糖酵解、炎癥反應和胰島素抵抗。此外，振蕩剪切應力促進 ROS 誘導的缺氧誘導因子（hif-1 alpha）的穩定，該因子是刺激 NF-κB 通路的主要轉錄因子，并隨后增加葡萄糖調節因子，如 PFKFB3、HK2 和 GLUT1。研究表明，炎癥介質通過 NF-κB-PFKFB3 信號通路重新編程細胞代謝并增強糖酵解、線粒體氧化磷酸化（OXPHOS）和磷酸戊糖途徑，從而促進進一步的炎癥。通過沉默 PFKFB3 阻斷該通路可在體內模型中減輕炎癥。在缺氧和血管生成過程中，為了維持細胞能量需求，ECs 可以通過 PFKFB3 激活來調節葡萄糖利用。然而，PFKFB3 和 NF-κB 信號的過度激活導致單核細胞粘附、通透性和 EndMT 轉換增加而導致炎癥進展，這可能產生各種血管炎性疾病。

圖 1 顯示了內皮細胞在暴露于振蕩剪切應力時發生的變化。由血流紊亂導致纖連蛋白表達的增加介導整合素信號并激活 NF-κB、PAK 和 JNK 通路以及 YAP 激活，從而通過上調細胞粘附分子和白細胞粘附來增加炎癥。PECAM-1、VE-Cadherin和 VEGF 復合物驅動這種細胞外基質重塑并增加纖連蛋白表達。由于血流紊亂，PAK 的激活和 Rho 激酶活性的增加誘導 VE-Cadherin、Occludin 內化、細胞骨架重塑和肌球蛋白輕鏈收縮，從而在連接處形成間隙并促進白細胞遷移。血流誘導的多個信號通路激活促進 Smad 1/5 磷酸化并誘導 EndMT。KLF2 促進層流中所有這些作用的抑制，但在擾動流中KLF2 減少，PFKFB3 上調所有這些不利影響。

圖1    振蕩剪切應力對血管內皮的影響。

血管炎癥性疾病

動脈粥樣硬化

動脈粥樣硬化是一種慢性炎癥疾病。內皮功能障礙和炎癥是導致動脈粥樣硬化所涉及的各種病理的原因。

臨床數據表明，斑塊破裂而不是斑塊狹窄與患者的心血管事件和死亡率有關。有證據表明斑塊不穩定是由動脈粥樣硬化病變中免疫細胞浸潤引起的炎癥引起的。基質降解和細胞凋亡是斑塊穩定性的兩個關鍵因素，其受巨噬細胞和 T 細胞的炎癥介質控制。研究發現，ACTA2+ 肌成纖維細胞樣細胞不僅來源于平滑肌細胞，還分別通過 EndMT 和巨噬細胞間充質轉化（MMT）來源于內皮細胞和巨噬細胞。OCT4 是一種 Yamanaka 因子，被發現在動脈粥樣硬化形成過程中在 ECs 中被激活，并在斑塊穩定性中起重要作用。據觀察，振蕩剪切應力除了在基質降解的血管重塑中的作用外，還增強了金屬蛋白酶（MMP）的活性，促進了膠原蛋白的降解，并削弱了纖維帽。體內研究清楚地表明，低剪切應力區域與巨噬細胞、膽固醇晶體、18F-NaF 活性、活躍的微鈣化和薄帽纖維粥樣硬化（TCFA）變薄高度相關。促炎信號和厭氧代謝通過 HIF-1 和 PFKFB3 的參與與動脈粥樣硬化巨噬細胞密切相關。許多研究證明，流體動力學和內皮剪切應力是導致脆弱斑塊的主要病理因素。

內膜鈣化與動脈粥樣硬化有關。不穩定的斑塊由于炎癥和微鈣化的參與而有破裂的風險，而這些都由壁剪切應力控制。巨噬細胞的早期促炎和成骨細胞因子（包括TNF-α、IGF-1、TGF-β、IL-1β、IL-6和IL-8）誘導血管平滑肌細胞分化為成骨細胞樣細胞，從而引發微鈣化。TNF-α誘導BMPR2降低，增強ECs中成骨分化的BMP-9，并誘導鈣化、薄纖維帽形成和斑塊破裂。層流下KLF2 介導的內皮 BMP/SMAD1/5 信號抑制會降低血管鈣化。

肺動脈高壓（PAH）

肺動脈高壓（PAH）的病理性特征是新內膜病變、小血管收縮和大血管僵硬。內皮功能障礙是 PAH 發生、發展以及疾病進展的關鍵因素。EC 功能障礙可由多種因素引起，包括炎性細胞因子、缺氧、毒素和外部刺激，如剪切應力。其中，振蕩剪切應力導致血流紊亂、流體動力學和持續的致病機制，對 PAH 患者新內膜病變形成有重大影響，導致血管重塑，從而增加血流壓力。PAH 從 EC 功能障礙開始，隨著細胞增殖增加和細胞凋亡減少而進展，最后隨著衰老而成熟，這使得 PAH 難以逆轉。對 PAH 小鼠模型內皮細胞的單細胞 RNA 測序顯示，ECs 上調 MHC II 類通路中的基因，支持 ECs 在 PAH 炎癥反應中的作用。研究表明，內皮細胞衰老是驅動 PAH 的另一個因素。通過阻斷FXN 蛋白和線粒體鐵硫（Fe-S）簇組裝蛋白誘導內皮衰老，PAH 患者表現出 FXN 表達降低和 EC 衰老。幾項研究表明，血流紊亂通過下調 eNOS/AKT 通路引發 PAH 伴 EC 炎癥、屏障功能障礙和平滑肌細胞遷移。

膿毒癥

膿毒癥是由對細菌或病毒感染的不受控制的免疫反應引起的，會損害宿主組織。內皮促炎表型改變是膿毒癥誘導的許多病理事件的原因，包括血管通透性、凝血功能增加和灌注不足。

膿毒癥誘發的血管滲漏導致液體蓄積和多器官衰竭。膿毒癥幸存者的內皮通透性標志物（sFLT-1、Ang-2 和 VEGF）的數量顯著降低。內毒素或病毒病原體通過 EC 連接處的分解或細胞死亡導致血管滲漏。有證據表明，阻斷內皮通透性可能是降低膿毒癥死亡率的有效策略。內皮 TGF-β-ALK5-Smad2/3 信號通路導致 ROBO4 表達，而 BMP9-ALK1-Smad1/5 信號阻斷其表達，ALK1 抑制劑抑制小鼠模型中血管高通透性和死亡率。已知乳酸是膿毒癥生物標志物，其新發現的對內皮屏障的影響已有報道。乳酸通過鈣蛋白酶和 Erk2 活化裂解及內化 VE-鈣粘蛋白以破壞 VE-鈣粘蛋白復合物。

膿毒癥通常與亞臨床高凝狀態或急性彌散性血管內凝血（DIC）有關，伴有廣泛的微血管血栓形成以及血小板和凝血蛋白的消耗，從而導致出血。膿毒癥誘導 EC 表型向促凝血和抗纖維蛋白溶解狀態轉變。在促炎分子存在下，活化的 ECs 表達組織因子（TF），它與凝血系統外源性途徑中的循環凝血因子 VII 結合。活化的 ECs 通過上調各種細胞表面粘附分子來促進血小板粘附和聚集。在膿毒癥期間，內皮細胞釋放 PAI-1（纖溶酶原激活物抑制劑-1），導致纖維蛋白溶解和高凝血的抑制。

膿毒癥由于血管擴張和低血壓導致高心輸出量和外周阻力降低。炎癥配體導致 ECs 合成的 NO 增加和平滑肌細胞松弛。NO 還與 ROS 反應形成硝酸鹽和硝酸鹽誘導的細胞毒性。

促炎刺激（如糖尿病、高膽固醇血癥、血流紊亂、ECM 重塑和炎性細胞因子）通過上調炎癥蛋白和激活幾種信號通路來誘導 ECs 的激活和表型的修飾。這種促炎表型導致 EC 功能障礙，導致屏障減弱、通透性增加、炎癥增加、EndoMT、衰老等，如圖2 所示。這些因素是大多數心血管疾病發展的主要原因。

圖2     EC 功能障礙和血管疾病的進展。

總之，考慮到內皮細胞在許多血管炎癥性疾病中的積極作用，內皮細胞值得更多關注，如在炎癥性疾病中靶向 ECs研究、鑒定疾病特異性 EC 表型或 EC 亞群等，使用開發的先進 NGS 技術增強對 EC 表型的理解將使我們能夠研發副作用較少的內皮疾病治療策略。

參考文獻：Immanuel J, Yun S. Vascular Inflammatory Diseases and Endothelial Phenotypes. Cells. 2023 Jun 15;12(12):1640. doi: 10.3390/cells12121640. PMID: 37371110; PMCID: PMC10297687.

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