血流機械力和動脈粥樣硬化

1、    血流機械力和動脈粥樣硬化        中分類號：R363.1+1;R543.5文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1004-3934（2000）04-0240-03Mechanical Force of Blood Flow and AtherosclerosisYANG Xian（The Affiliated Hospital of Xi'an Armed Police Engineering College,ShanxiXi'an710086）HU Xiao

2、-dong（Department of Pharmacology of Tongji Medical University,HubeiWuhan430030）高血壓是動脈粥樣硬化（AS）的危險因素之一。高血壓如何引起AS的發(fā)生和發(fā)展，一直是人們關(guān)注的焦點。血流對血管的機械性作用分為兩種：一種是血流和血管壁（內(nèi)皮細(xì)胞）相互摩擦產(chǎn)生的剪切應(yīng)力（shear stress;SS）；另一種是血壓作用于血管壁形成的環(huán)形張力（cyclic stretch;CS）。在生理條件下，血流對血管壁經(jīng)常性的機械性刺激對維持血管壁的結(jié)構(gòu)與功能至關(guān)重要1，近年來，一系列實驗表明：當(dāng)其超出生理作用范圍后，血流的機械作用易引

3、起內(nèi)皮損傷、單核/巨噬細(xì)胞趨化、血小板激活聚集、各種細(xì)胞因子的釋放和血管重構(gòu)等，導(dǎo)致AS的發(fā)生。因此推測血流機械力可能是高血壓引起AS的直接原因，現(xiàn)就這一方面的最新進(jìn)展綜合如下：1單核細(xì)胞和T淋巴細(xì)胞的趨化與粘附單核細(xì)胞和T淋巴細(xì)胞向血管壁的遷移以及與內(nèi)皮細(xì)胞（EC）的粘附是AS形成的早期反應(yīng)，這一過程受多種因素的影響，其中最重要的是單核細(xì)胞趨化蛋白-1（MCP-1）和白介素-8（IL-8），它們分別對單核細(xì)胞和T淋巴細(xì)胞有很強的趨化活性。血流機械力能誘導(dǎo)血管壁MCP-1和IL-8的表達(dá)與釋放。例如，CS可增強人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞、大鼠主動脈平滑肌細(xì)胞IL-8和/或MCP-1 mRNA的轉(zhuǎn)錄2，3

4、。在去甲腎上腺素（NA）和血管緊張素（Ang）制造的高血壓大鼠模型中，主動脈平滑肌細(xì)胞MCP-1 mRNA水平明顯升高，口服肼苯噠嗪降壓后，主動脈MCP-1 mRNA的表達(dá)則顯著抑制。SS可激活EC表面的酪氨酸蛋白激酶受體（RTK），整合素受體（integrin）和G蛋白耦聯(lián)受體，經(jīng)P60src。Ras的依次介導(dǎo)，通過兩條途徑：Ras。ERK。ELK-1和Ras。JNK。c-Jun，分別激活血清反應(yīng)元件（SRE）和TPA反應(yīng)元件（TRE），誘導(dǎo)MCP-1的表達(dá)4。內(nèi)皮細(xì)胞可合成與分泌粘附分子，如細(xì)胞間粘附分子-1（ICAM-1）和血管粘附分子-1（VCAM-1）。ICAM-1和白細(xì)胞表面2整合

5、素結(jié)合，主要促進(jìn)白細(xì)胞和EC間的粘連，而VCAM-1主要介導(dǎo)單核細(xì)胞和EC間的粘連。正常血壓大鼠的頸動脈EC不表達(dá)ICAM-1，也無白細(xì)胞的粘附和內(nèi)皮下的聚積現(xiàn)象，而自發(fā)性高血壓大鼠微血管EC表達(dá)ICAM-1增加。實驗表明血流機械力可誘導(dǎo)ICAM-1的表達(dá)5-7，并且在ICAM-1 mRNA水平上調(diào)的同時，過氧化物濃度也顯著增加，抗氧劑N-acetylcysteine(NAC）或過氧化氫酶則可抑制SS誘導(dǎo)ICAM-1的表達(dá)，過氧化物可能是機械作用在EC中的第二信使，它激活多種轉(zhuǎn)錄因子（如NFKB、AP-1等），調(diào)節(jié)基因的表達(dá)（如MCP-1、ICAM-1基因等），在ICAM-1基因上游啟動子序列

6、中插入報告基因Laciterase后，SS可激活I(lǐng)CAM-1啟動子，相反NAC和過氧化氫酶則抑制轉(zhuǎn)錄。但SS能否誘導(dǎo)VCAM-1的表達(dá)目前尚無定論8。2超氧化物的生成和低密度脂蛋白（LDL）的氧化修飾近年來，人們對氧化修飾的低密度脂蛋白（ox-LDL）在AS形成中的作用非常重視，ox-LDL可誘導(dǎo)中膜平滑肌細(xì)胞（SMC）的增生與遷移、單核細(xì)胞的趨化與粘附以及釋放多種生長因子；ox-LDL亦可被內(nèi)皮下巨噬細(xì)胞和SMC攝取，使細(xì)胞內(nèi)堆積大量脂質(zhì)，轉(zhuǎn)成泡沫細(xì)胞；此外ox-LDL的細(xì)胞毒作用能引起粥樣斑塊內(nèi)細(xì)胞的損傷及壞死等。血流機械力能促進(jìn)血管EC產(chǎn)生過氧化物。CS通過NADPH氧化酶和一氧化氮合酶

7、（NOS）增加人主動脈內(nèi)皮細(xì)胞（HAECs）中超氧化物（O-2）濃度9。在持續(xù)性、搏動性壓力作用下，HAECs中NOS的表達(dá)增強；NADPH氧化酶抑制劑DPI和NOS抑制劑均顯著抑制O-2生成，搏動性壓力也可時間依賴性和壓力依賴性增加人冠脈平滑肌細(xì)胞中O-210，并被NADPH氧化酶和NADH氧化酶抑制劑所拮抗。由于蛋白激酶C（PKC）可激活NADPH氧化酶，且磷脂酶C（PLC）位于細(xì)胞膜表面，易受CS的影響，推測PLC。PKC途徑可能參與了O-2的生成；也有實驗證實，PLC抑制劑NCDC和選擇性PKC抑制劑Chelerythrine chloride顯著減少CS誘導(dǎo)的O-2的生成。動脈SMC

8、和EC產(chǎn)生的超氧化物（O-2）氧化LDL，使ox-LDL生成增多。將大鼠主動脈平滑肌細(xì)胞和LDL共同培養(yǎng)11，在CS作用下，超氧化物和ox-LDL明顯增加，超氧化物歧化酶（SOD）或去除培養(yǎng)液中的金屬離子，則抑制LDL的氧化。LDL氧化成ox-LDL的過程依賴金屬離子，并由超氧化物介導(dǎo)。超氧化物除氧化修飾LDL外，還具有其他多種作用，如滅活NO，造成內(nèi)皮損傷，激活與炎癥有關(guān)的基因，參與AS形成；促進(jìn)SMC增生，引起血管重構(gòu)等。3細(xì)胞因子的合成與釋放：在AS形成過程中，EC、SMC、巨噬細(xì)胞和T淋巴細(xì)胞可合成、釋放PDGF、FGF、CSF、EF-1和Ang等多種細(xì)胞因子，參與細(xì)胞粘附、遷移、分泌

9、、增殖等過程。SS和CS能促進(jìn)細(xì)胞因子的表達(dá)。如血流機械力可使人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞（HUVECs）和牛主動脈內(nèi)皮細(xì)胞（BAECs）中PDGF-A和PDGF-B mRNA表達(dá)增加。例如先將一段PDGF-B基因上游啟動子元件插到報告基因（CAT）中12，然后用CS處理EC，48h后，啟動子被激活。另有實驗發(fā)現(xiàn)在PDGF-B基因上游-125bp處，存在剪切應(yīng)力反應(yīng)元件（SSRE），此元件是SS誘導(dǎo)PDGF-B表達(dá)所必需的，在用CS處理的BAECs中觀察到和SSRE結(jié)合的核蛋白數(shù)目增加?，F(xiàn)在認(rèn)為SSRE存在于許多基因（如PDGF-B、TGF-、ICAM-1、MCP-1等）的啟動子中。血流機械力還能促進(jìn)其他

10、細(xì)胞因子的釋放，如單核細(xì)胞、巨噬細(xì)胞、纖維母細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞等均可合成與釋放粒細(xì)胞/巨噬細(xì)胞集落刺激因子（GM-CSF），它有促EC增殖、粘附分子表達(dá)等多種功能。血流機械力能增強GM-CSF的合成與釋放，如1.5Pa（15dyne/cm2）和2.5Pa(25dyne/cm2）的SS可使HUVECs中釋放的GM-CSF分別增加到5倍和9倍13，但對粒細(xì)胞集落刺激因子（G-CSF）和巨噬細(xì)胞集落刺激因子（M-CSF）沒有影響。GM-CSF之所以增加，不是因為其轉(zhuǎn)錄加強，而是由于GM-CSF mRNA穩(wěn)定性增加。另外，成纖維細(xì)胞生長因子（FGF）與SMC的遷移和增生密切相關(guān)。機械力通過調(diào)節(jié)FGF-2的

11、合成與釋放，影響SMC的遷移與增殖。在正常情況下，沒有FGF-2的釋放14，但超出生理條件，在一定范圍內(nèi)，隨著機械刺激強度和頻率的增加，SMC釋放FGF-2增加。此外，AS斑塊區(qū)域，SS的搏動性大，和血壓共同作用于EC后，可顯著誘導(dǎo)內(nèi)皮素-1（ET-1）mRNA的表達(dá)15，同時抑制ecNOS基因的表達(dá)。ET-1激活SMC上的ETa受體，促進(jìn)DNA合成，加速mRNA轉(zhuǎn)錄，有很強的促VSMC增殖作用。此外，Ang也是血流機械力誘導(dǎo)合成與釋放的重要的細(xì)胞因子，其促血管重構(gòu)作用將在后面詳述。4血小板激活和血栓形成血小板的激活、聚集和釋放在AS形成中亦發(fā)揮重要作用。內(nèi)膜損傷使血小板易于粘附聚集，隨后纖維

12、蛋白沉積，形成微血栓，并可被增生的EC覆蓋而并入動脈壁。在正常生理條件下，SS對血小板的激活和聚集沒有作用，即使SS增加到8Pa(80dyne/cm2）也不能促進(jìn)血栓形成16。但在病理條件下，SS對血小板的作用不可忽視，例如，當(dāng)SS增至31.5Pa(315dyne/cm2）（如血管狹窄處），流經(jīng)的血小板大量激活，糖蛋白GPb/a活性明顯增高，血小板微粒和血栓形成。如果血管表面有暴露的膠原纖維，血栓會進(jìn)一步增大。SS的作用還與其持續(xù)時間有關(guān)。現(xiàn)在認(rèn)為AS斑塊破裂，導(dǎo)致血小板大量激活和形成血栓，導(dǎo)致冠脈阻塞是發(fā)生急性心肌梗塞的主要原因。5血管重構(gòu)和信號傳導(dǎo)通路：超出生理范圍的過高的血壓和剪切應(yīng)力長

13、期作用于血管壁，會引起血管重構(gòu)，包括管壁增厚，胞外基質(zhì)增多，VSMC肥大增生17。血管壁含有幾種可能的受體接受血流動力學(xué)信號，如整合素、G蛋白、酪氨酸蛋白激酶、離子通道等。整合素（integrins）貫穿細(xì)胞膜，其胞內(nèi)部分是細(xì)胞骨架分子的結(jié)合區(qū)，胞外基質(zhì)中的某些蛋白質(zhì)則是整合素配體。在血流機械力作用下，整合素和胞外基質(zhì)蛋白相互粘連，將機械信號轉(zhuǎn)化為細(xì)胞內(nèi)的化學(xué)信號，通過MAPK途徑，引起血管重構(gòu)。這一信號傳導(dǎo)通路中有細(xì)胞骨架分子、Src、Ras等參與。用cytochalasin D降解肌動蛋白后，血流機械力就不能再誘導(dǎo)IL-8和MCP-1的表達(dá)；血壓在一定范圍內(nèi)，可壓力依賴性地提高兔主動脈平滑

14、肌細(xì)胞中ERK1/2活性，而Src激酶抑制劑Herbimycin A則抑制ERK1/2活性，說明Src蛋白參與絲裂原激活蛋白激酶（MAPK）的活化18。PKC是否也參與MAPK的激活，尚無定論18，19。ERK1（extra cellular signal-regulated kinase）和ERK2是分子量分別為42KD（4.2×104u)和46KD（4.6×104u）的MAPK。ERK1/2可被包括血壓在內(nèi)的多種因素激活，是許多信號傳導(dǎo)中的共同途徑18，20。ERK1/2的底物有多種，包括蛋白激酶（如raf-1），轉(zhuǎn)錄因子（如c-myc,c-jun,c-fos,Elk-

15、1等），調(diào)節(jié)著基因的表達(dá)，促進(jìn)蛋白質(zhì)的合成和細(xì)胞增殖，引起血管重構(gòu)，例如ERK1/2促進(jìn)c-jun,c-fos的表達(dá)，活化的FOS和JUN聚合成雜二聚體即AP-1，AP-1與DNA中的TPA反應(yīng)元件（TRE）結(jié)合，促進(jìn)轉(zhuǎn)錄，使SMC增殖和蛋白合成增加。血流機械力除通過上述信號途徑直接引起血管重構(gòu)外，還可促進(jìn)細(xì)胞合成一系列細(xì)胞因子（如PDEF，EF-1，Ang等），間接引起血管重構(gòu)。例如許多實驗已證實Ang的促血管重構(gòu)作用。Ang作用于AT1受體，激活G蛋白耦聯(lián)的PLA2、PLC和PLD，使胞漿內(nèi)第二信使DG和Ca2+濃度增加，共同激活PKC，后者的底物有多種，在細(xì)胞增殖、生長、分化的信號傳導(dǎo)中

16、處于中心位置。此外Ang還可時間依賴性地激活ERK1/2，這一過程依賴于胞內(nèi)Ca2+的增加。Ang促進(jìn)DNA合成的信號通路尚不清楚，因為盡管Ang可使SMC中DNA合成增加數(shù)倍，但用螯合劑MAPTAM去除胞內(nèi)增加的Ca2+以后，DNA合成仍然不減少；MAPKK抑制劑PD98059盡管抑制了Ang誘導(dǎo)的MAPK活性增加，但不抑制Ang誘導(dǎo)的DNA合成21，因此不能排除Ang還通過其它途徑促進(jìn)SMC增殖的可能。綜上可述，血流機械力是AS形成中的一個重要因素，參與AS形成中的各個環(huán)節(jié)。在高血壓條件下，血流剪切應(yīng)力和環(huán)形張力均異常升高，因此推測高血壓可能是通過血流機械力對血管內(nèi)皮細(xì)胞，血管平滑肌細(xì)胞等

17、的直接作用，引起AS的發(fā)生和發(fā)展。楊嫻（西安武警工程學(xué)院醫(yī)院，陜西西安710086）胡曉東（同濟(jì)醫(yī)科大學(xué)藥理教研室，湖北武漢430030） 參 考 文 獻(xiàn) 1Biirukov KG,Bardy N,Lehoux S.Intraluminal pressure is essential for the maintenance of smooth muscle caldesmon and filamin content in aortic organ cultureJ.Arterioscler Thromb Vasc Biol,1998,18(6):922-9272Okada M,Matsumor

18、i A,Ono K.Cyclic stretch upregulates production of interleukin-8 and monocyte chemotactic and activating factor monocyte chemoattractant protein-1 in human endothelial cellsJ.Arterioscler Thromb Vasc Biol,1998,18(6):894-9013Capers QR,Alexander W,Lae PP:Monocyte chemoattractant protein-1 expression i

19、n aortic tissue of hypertensive ratsJ.Hypertension,1997,30(6):1397-14024Jalali S,Li YS,Sotoudeh M.Shear stress activates p60src-ras-MAPK signaling pathway in vascular endothelial cellsJ.Arterioscler Thromb Vasc Biol,1998,18(2):227-2345Chiu TJ.Reactive oxygen species are involved in shear stress-indu

20、ced intercellular adhesion molecule-1 expression in endothelial cellsJ.Arterioscler Thromb Vasc Biol,1997,17(12);3570-35776Wang DL.Hemodynamic force-induced redox changes modelate endothelialreponseJ.Atherosclerosis,1998(Siraim-induced），(suppl):S597Cheng JJ,Wung BS,Chav YJ.Cyclic straininduced react

21、ive oxygen species involoved in ICAM-1 gene induction in endothelial cellsJ.Hypertension,1998,31(1 part 1):125-1308Walpola PL,Gotlieb AI,Cybalsky MI.Expression of ICAM-1 and VCAAM-1 and monocyte adherence in arteries exposed to altered shear stressJ.Arterioscler Thromb Vasc Biol,1995,15;2-109Hishika

22、wa K,Luscher TF.Pulsatile stretch stimulats superoxide productionin human aortic endothelial cellsJ.Circulation,1997,(10):3610-361610Hishikawa K.Pulsatile stretch stimulates superoxide production and activates nuclear factor-kB in human coronary smooth muscleJ.Circ Res,1997,81(5):797-80311Inoue N,Ka

23、washima S,Hirata KI.Stretch force on vascular smooth muscle cells enhances oxidation of LDL via superoxide productionJ.Am J Physiol,1998,43(6):H1928-H193212Sumpio BE,Weidu,Galagher G.Regulation of PDGF-B in endothelial cells exposed to cyclic strain.Arterosder Throrub Vasc Biol,1998,18(30):349-35513

24、Kosaki k,Ando I,Korenage R.Fluid Sheer Stress increases the production of granulocyte-macrophage colony-stimulating factor by endothelial cells via mRNA stabilizationJ.Circ Res,1998,82(7):794-80214Cheng GC,Briggs WH,Gerson DS.Machanical strain tightly controls fi-broblast growth factor-2 release fro

25、m cultured human vascular smoothmuscle cellsJ.Circ Res,1997,80(11):28-3615Ziegler T,Bouzourene K,Harrison VJ.Infiuence of oscillatory and unidirectional flow environments on the expression of endothelin and nitric oxide synthase in cultured endothelial cellsJ.Artheroscher Thromb Vasc Boal,1998,18(5):656-69216Holme PA,Rvim U.Shear induced platelet activation and platelet microparticle formation at blood flow condition as in arteries with a severe stenosisJ.Arterioscier Thromb Vasc Biol,1997,17(4):646-65317Tulis DA,Unthank IL,Prewitt RL:Flow induced arterial remode