流體力學與血管重構

1、血液動力學在血管重構中的作用王 桂 清（上海市腦血管病防治研究所，上海 201318）摘 要：血液動力學主要是應用流體力學理論和方法研究血液流動、血管生理和病理之間關系的一門邊緣性學科。近年來國內外學者都認為血液動力學因素對血管重構有著重要的影響，當血液動力學發(fā)生改變后，血管內皮細胞通過跨膜蛋白、信號傳導和基因表達等將力學信息傳遞到細胞內， 再經過效應分子將轉導信號最終作用于相應的血管，從而參與血管形態(tài)和功能的重構過程。本文旨在簡述血液在流動過程中，血液動力學因素對血管內皮細胞的形態(tài)和功能、平滑肌細胞增殖和細胞外基質的生成等的影響。關鍵詞: 血液動力學；血管重構；內皮功能；信號轉導; 基因血管

2、疾病是人類健康的頭號殺手，全世界每年死于心腦血管疾病的人數高達1500萬，我國因心腦血管疾病所致的死亡也約占病人總死因的50%左右，因此，深入探討心腦血管疾病的發(fā)病機制對防治心腦血管疾病具有十分重要的理論意義和現實意義。血管重構(Vascular remodeling)是指機體在生長、發(fā)育、衰老和疾病過程中，血管為適應體內外環(huán)境的變化而發(fā)生的形態(tài)結構和功能的改變。血管重構包括組份不變的重排（Vascular rearrangement）和結構、功能變化的重建( Vascular reconstruction)。血管重構作為心血管疾病的病理基礎，其成因一直是醫(yī)學研究領域的熱門課題之一。1 血液動

3、力學與心血管疾病血管是人體內感受血液流動變化最迅速的器官。血液在血管中流動能夠產生一系列作用于血管的應力，其大小、頻率、方向隨血流變化而變化。已知血液流動過程中對血管產生的作用力主要有：血管壓力和血管流動時產生的摩擦力，即分別為垂直作用血管的血壓和平行于血管的的剪切力（shear stress）。國內外大多數學者認為，血管壁血壓增加或血流減慢所致剪切力降低都可誘導血管重構，從而導致血管疾病的發(fā)生和發(fā)展。大量研究表明，諸如動脈粥樣硬化、高血壓、腦卒中等常見心腦血管疾病的發(fā)生機理都與血液流動時作用于血管的應力密切相關1。已知血管動脈硬化的部位并非隨機發(fā)生，而是發(fā)生在血管分叉和拐彎等血液作用經常發(fā)生

4、變化的部位，血液動力學異常是血管重構和動脈硬化發(fā)生的重要成因。Fung等2，3人研究證實,血液流動產生的剪切力及其累加效應作用于內皮細胞,可引起血管壁組織重構,從而影響動脈粥樣硬化的發(fā)生、發(fā)展和病程轉歸。動物實驗表明,急性高血壓可在數小時內引起血管壁重構,導致內皮細胞間間隙擴大，血漿蛋白（含免疫球蛋白及纖維蛋白原）滲入內皮下間隙；此外，高血壓還可引起血管纖維化，血管變硬，以致血管彈性喪失4。Ameshima研究慢性肺動脈高壓動物模型血液動力學與內皮細胞增殖的相互關系, 他們對慢性肺動脈高壓大鼠的主肺動脈進行組織檢查，觀察到肺動脈高壓大鼠肺動脈內膜明顯增厚，檢測內皮細胞中過氧化物酶體增生物激活受

5、體時，發(fā)現肺動脈高壓可誘導內皮細胞中過氧化物酶體增生物激活受體的表達，導致內皮細胞增殖5。另外，血液動力學異常也是也是血管功能損害的重要指征。臨床研究證實，血液動力學參數是篩選卒中高危人群和預測腦卒中發(fā)生的可靠指標，是人群發(fā)生卒中的重要信號，而且卒中患者發(fā)病時血液動力學明顯異常。我們通過無創(chuàng)傷方法檢測血液動力學指標，利用其在人群中篩選出卒中高危個體，發(fā)現血液動力學檢測能客觀反映腦血管功能損害和定量評估腦卒中危險度，當血液動力學明顯異常時，該患者的腦卒中患病風險大大增加，為正常人的7.3倍6。因此，開展血液動力學與血管重構關系的研究,對于闡明心血管疾病的發(fā)病機制、探索新的治療手段都具有重大的理論

6、和應用意義。2 血液動力學對血管重構的影響血管是血液流動的基礎，而血液流動產生的作用力又是血管重構的重要因素。大量研究表明，血液流動對動脈管內壁產生的作用力與血管形態(tài)和功能密切相關，是血管重構的始動環(huán)節(jié)7。血液動力學因素主要通過影響內皮細胞的形態(tài)和功能、影響血管平滑肌細胞的增殖和凋亡，調節(jié)細胞外基質(extracellular matrix, ECM)的合成及消除等方面，參與血管的結構和功能重建。 2.1 血液動力學與內皮細胞血管內皮細胞始終受到血管中流動的血液的流體力學作用。已知高血壓致使血流沖擊血管內膜，導致管壁增生、增厚，管腔狹窄。管壁內膜受損后易為膽固醇、脂質等沉積，又加重了動脈粥樣斑

7、狀形成，如遇到吸煙、飲酒、高脂血癥、糖尿病等危險因子時，動脈粥樣硬化會更加嚴重，更為廣泛。最近，Chiu等體外培養(yǎng)匯合的內皮細胞模擬內膜，觀察還發(fā)現剪切力對血管內皮細胞也有明顯影響，在12dynes/cm2作用內皮細胞24h后，內皮細胞伸長的程度較2dynes/cm2低剪切力的區(qū)域要大，內皮細胞在高剪切力作用之下呈長梭形，細胞長軸沿剪切力方向排列；而低剪切力作用下，已定向的內皮細胞發(fā)生重排,內皮細胞排列方向逐漸紊亂8。另外，還有學者報道內皮細胞對剪切力的這種適應性取向過程呈作用大小和時間的依賴性9。以上提示血液流動的作用力可改變血管內皮細胞的排列方向。血管內皮不僅是存在于血液與血管平滑肌之間的

8、屏障結構，而且還是一個重要的內分泌器官。已知在高血壓時，血管壓力可調節(jié)內皮細胞合成和分泌內皮素I、前列環(huán)素（PGI2）、纖維蛋白溶解酶原激活物抑制因子I。這些因子對血管重構都非常重要。而Nerem報道剪切力可調節(jié)內皮細胞分泌血管活性因子，動脈水平剪切力（>15dyn/cm2）下，組織纖溶酶原激活物分泌增多，靜脈水平剪切力（1-4 dyn/cm2）下分泌減少，而內皮素I在靜脈水平切變應力下分泌增加，動脈水平下分泌減少，與體內觀察到的現象一致10。許多研究指出，剪切力能調節(jié)血小板源性生長因子等目標基因的mRNA水平，從而調節(jié)基因表達11。此外，剪切力對培養(yǎng)的內皮細胞表達粘附分子如細胞間粘附分

9、子1（ICAM 1）、血管間粘附分子-1（VCAM 1）和E-選擇素（E selectin）具有調節(jié)作用,實驗顯示層流剪切力選擇性地上調腫瘤壞死因子誘導內皮細胞表達ICAM-1 12。血液動力學研究還表明13，血管通過細胞表面粘附分子，誘導循環(huán)白細胞的某一特殊亞群與內皮細胞特異部位粘附，可介導免疫應答等多種反應。充分了解模擬集體內環(huán)境條件下機械力和黏附作用調節(jié)的細胞和分子機制對探討血管重構過程內皮細胞的結構和功能改變是極其重要的。2.2 血液動力學與血管平滑肌細胞 血管平滑肌細胞(Vascular Smooth Muscle Cell, VSMC) 具有增殖、收縮和合成細胞外基質等重要生物學功

10、能, 體內平滑肌細胞也受壓力和剪切力作用，它們影響平滑肌表面大分子物質的輸送，在血管重構中起著關鍵的作用。高血壓時，因血管內流體靜壓升高，血管壁張力增加，VSMC表現出旺盛的增殖特性，此時血管最顯著的結構變化是中膜肥厚。研究發(fā)現，高血壓時血管壁張力增加，VSMC的容積增加57%,彈力層增加30%,膠原增加136%14，最近VanGieson等人也發(fā)現，體內結扎大鼠腸系膜微血管循環(huán)系統(tǒng)后，在管徑為2530微米的血管內，血管壁壓升高(42.6± 18)%(17.1±2.3)%，血管結扎5到10天后，檢測血管壁內不同表型的平滑肌細胞發(fā)現，分化的血管平滑肌細胞長度明顯增長，表明VS

11、MC增殖活躍。用溴脫氧尿苷摻入法檢測平滑肌增殖情況，同樣發(fā)現在未分化的血管平滑肌細胞中溴標記的脫氧尿苷含量明顯增多。提示血管機械性負荷增加時能可直接誘導VSMC生長15。而Ueba H等16研究發(fā)現，切應力降低可蜜柑內線誘導血管平滑肌細胞增殖，而剪切力在生理范圍內，人主動脈平滑肌細胞沒有形態(tài)學變化且沿血流方向的整齊排列。平滑肌細胞游走在多種心血管疾病的發(fā)生和發(fā)展中起著十分重要的作用。Redmond等17將培養(yǎng)的人血管平滑肌細胞分別暴露靜止力學或流量為26 mL/min、剪切力為23 dyne/cm2的流體中，利用Transwel游走檢測儀檢測平滑肌細胞發(fā)現，在23 mL/min流體中游走速度的

12、血管平滑肌細胞是靜止力學條件下的23倍。此外，血液動力學所致內皮細胞分泌的內皮素I，血小板源性生長因子A或B等代謝產物對平滑肌細胞重構也具有間接影響。2.3 血液動力學與細胞外基質ECM包括膠原、蛋白聚糖、糖胺多糖、彈力纖維和糖蛋白等五大成分,但習慣上將與基質代謝密切相關的酶如基質金屬蛋白酶(MMPs)及其特異抑制劑金屬蛋白酶組織抑制因子(TIMP)也包括在內。ECM除支持和連接組織細胞外,還有著復雜的信號轉導和功能調節(jié)作用。血液動力學可調節(jié)細胞外基質的組織和組成，這在血管疾病如動脈粥樣硬化的發(fā)病機制中起主要作用。Oliver Thoumine18等使用平行平板流動腔將培養(yǎng)的牛主動脈內皮細胞暴

13、露于30dyne/cm2穩(wěn)定的層流剪切力之下348h，然后檢測內皮細胞的纖維結合素(Fn)、層粘連蛋白(Ln)、IV型膠原(ColIV)和玻璃體結合蛋白(Vn)的組成情況和含量的變化。研究結果發(fā)現，在靜力學條件下，Fn、Ln和Col IV同時在細胞核周圍區(qū)以顆粒形式，在細胞外以纖絲的形式存在， Fn纖絲組成較粗的纖絲束，并且這些纖絲束具有沿剪切力方向排列的趨勢。除了這種組織形式的變化外，這四種酸性蛋白的水平在剪切力作用下也發(fā)生了變化。當內皮細胞暴露于流場下3-6h后，這四種酸性蛋白質都上升，12h后，Fn的水平將下降2倍，24-48h后又增加，其它幾種成分也分別有不同形式的變化。此外，流體作用

14、力還有誘導的肌動蛋白、細胞骨架的重構和影響細胞外基質金屬蛋白酶的表達。最近Korshunov VA19等結扎小鼠左側頸動脈,發(fā)現左側頸動脈血流明顯減少，而右側頸動脈血流量增加70%，一周后檢測右側頸動脈，發(fā)現細胞外基質金屬蛋白酶-9(MMP-9)表達上調，細胞外基質變化可能也與此有關。3 血液動力學影響血管重構的途徑血液流動作為外部信息, 如何影響血管的生理功能以及相關疾病的發(fā)生和發(fā)展, 也就是說, 血液動力學信息如何傳入細胞, 進而引發(fā)血管重構, 已成為近年來國內外研究的熱點問題。有研究表明，血液流動作用于相應的血管內皮細胞G-蛋白偶聯(lián)受體或酶偶聯(lián)型受體，激活由G蛋白和蛋白激酶介導的信號轉導

15、途徑，從而活化細胞內NF-kB等信號分子，信號分子進入核內可調節(jié)內皮細胞多種基因表達水平，導致血管的結構和功能的改變20，21。G蛋白是一個膜內側的異型三聚體家族,這一家族的成員均與一類7 次跨膜的受體蛋白直接作用,可以引起膜脂質分解、cGMP生成及Ca2+的變化引發(fā)細胞內的各種磷酸化過程。G蛋白的分布不是隨機的，而是有功能區(qū)域之分的。許多研究者報道，血液流動作用于內皮細胞表面G蛋白，引發(fā)內皮細胞內的各種磷酸化過程，導致血管內皮細胞沿血流方向發(fā)生重排20。在無血液流動的條件下，體外培養(yǎng)的內皮細胞呈多邊形，細胞內微絲主要分布在細胞的周邊部，并形成致密周圍帶，細胞中央微絲很少；在穩(wěn)定血流作用下，內

16、皮細胞發(fā)生重排，并有應力纖維形成，其排列方向幾乎與細胞長軸平行。在這一過程是血液流動誘導細胞內細胞骨架重組，其中最明顯的是F-肌動蛋白的重組，F-肌動蛋白可與G蛋白亞型Gq形成復合物，激活G蛋白介導的信號轉導21。在血管重構早期，血液流動作用于血管，可誘導單核細胞與血管內皮細胞粘附、遷移以及加快血小板聚集，這些作用與細胞內NF-kB活化有關22。已知NF-kB是Rel蛋白家族成員，NF-kB/Rel家族成員共有C-Rel，NF-kB1，NF-kB2，RelA和RelB。這些蛋白都有一個300個氨基酸組成的氨基末端，稱為Rel同源區(qū)，其中包括DNA結合部位、二聚體化部分、kB抑制蛋白結合區(qū)及核定

17、位序列。大量研究表明，NF-kB是免疫、炎癥和應激反應的主要調控因子，故NF-kB激活可能是血管重構的始動機制。靜息狀態(tài)下，NF-kB與其抑制亞單位（IkB）結合，以無活性的形式存在于細胞漿中，NF-kB的激活主要是通過降解IkB來實現的。血液流動作用于血管內皮細胞，可激活NF-kB信號轉導，游離于細胞漿中的NF-kB易位至細胞核與炎癥反應調節(jié)蛋白基因中的啟動子區(qū)域相結合，調控各種炎癥反應基因轉錄，形成各種信號下游產物，如細胞因子腫瘤壞死因子、干擾素、白介素、粘附分子如細胞間粘附分子、E-選擇素、趨化因子單核細胞趨化蛋白等23。最近Shyy20等報道，血液流動還可誘導內皮細胞白介素、亞基結合，

18、結合后通過蛋白激酶（PKC和/或PTK）將信號傳至胞漿內，PTK活化促進了RAS和Rap-1快速活化，促進胞漿Raf-1向胞質膜聚集，并由此誘導PKC磷酸化，通過絲氨酸磷酸化激動MAPK激酶（MEK）介導的MEK-ERK蛋白激酶的活化，或導致抑制NF-kB的IkB降解，活化的NF-kB由胞漿移位到胞核，參與轉錄調節(jié)。血液流動作用內皮細胞可引起內皮細胞基因表達的的改變。有研究提示內皮細胞將血液動力學信號傳入到核內,調控相關基因的表達，此作用與其作用大小及時間有關11。大量研究發(fā)現,流體剪切力可調節(jié)早期基因的表達，與調節(jié)血管張力、誘導血栓形成、控制細胞生命周期以及血管炎癥反應有關24，25。最近O

19、hura N26等利用DNA基因芯片技術檢測內皮細胞DNA發(fā)現，將內皮細胞暴露在15 dyne/cm2的振蕩流體和層流流體作用24小時后，內皮細胞大約有3%左右的基因表達增加一倍以上，而且在層流流體下內皮細胞中有關DNA合成及細胞生命周期的基因表達明顯降低；多因素分析研究發(fā)現，血流作用力影響在血管重構中的作用基因表達，如纖維蛋白溶酶原活化因子、纖維蛋白溶酶原抑制物、內皮素-1，TGF-b和膠原蛋白IV等。Malek等利用基因技術，在一些剪切力反應基因的啟動子上游序列中確定了一種應力響應元件(SSRE)。如在PDGF-B的啟動子上游有一個GAGACC的6bp序列,它與剪切力的誘導作用有關。當突變

20、使這一序列發(fā)生改變時，內皮細胞對應力的反應性下降或消失27。并且有研究表明SSRE與內皮細胞內DNA特異性結合，可使基因產物上調或下調，這類基因包括：一氧化氮合酶，內皮素-1，原癌基因c-Fos，c-Jun，轉化生長因子-(TGF-)和單細胞趨化蛋白-1等28。4 小結綜上所述，血液動力學可引起血管內皮細胞、平滑肌細胞和細胞外基質改變，是導致血管重構的重要因素。血液動力學異?？赏ㄟ^內皮細胞表面受體、G蛋白、細胞內轉導信號和基因表達等多環(huán)節(jié)調節(jié)血管重構的發(fā)生和發(fā)展。因此針對血液流動作用的不同環(huán)節(jié)，有效控制血管重構過程將是今后研究的重點，為有效預防和治療心血管疾病的提供新的思路。細胞膜上磷脂酶C(

21、PLC)，催化質膜磷脂酰肌醇二磷酸（PIP2）水解，生成三磷酸肌醇（IP3）和甘油二酯（DG）。IP3促進肌漿網或內質網儲存的Ca2+釋放。Ca2+與鈣調蛋白結合，激活Ca2+/鈣調蛋白依賴性蛋白激酶或磷酸酯酶，產生多種生物學效應 21。參考文獻：1. Nerem RM, Alexander RW, Chappell DC, et al. The study of the influence of flow on vascular endothelial biology. Am J Med Sci. 1998; 316(3):169-75.2. Lovett JK, Rothwell PM.

22、Site of carotid plaque ulceration in relation to direction of blood flow: an angiographic and pathological studyJ. Cerebrovasc Dis, 2003, 16(4): 369-375 .3. Fung YC, Liu SQ. Elementary mechanics of the endothelium of blood vessels. J Biomech Eng J. 1993; 115(1):1-12.4. Jalil JE, Janicki JS, Pick R,

23、et al. Coronary vascular remodeling and myocardial fibrosis in the rat with renovascular hypertension. Response to captopril. Am J Hypertens. 1991; 4(1 Pt 1):51-5.5. Ameshima S, Golpon H, Cool CD, et al. Peroxisome proliferator-activated receptor gamma (PPARgamma) expression is decreased in pulmonar

24、y hypertension and affects endothelial cell growthJ. Circ Res, 2003, 92(10): 1162-1169.6. 王桂清，錢國正，楊永舉，等. 腦血管血液動力學指標檢測參數的參考值.中華流行病學雜志，2003，24（2）：98-101.7. Malek AM, Alper SL, Izumo S. Hemodynamic shear stress and its role in atherosclerosisJ. JAMA. 1999; 282(21):2035-42.8. Chiu JJ, Chen LJ, Chen CN,

25、et al. A model for studying the effect of shear stress on interactions between vascular endothelial cells and smooth muscle cellsJ. J Biomech, 2004 ,37(4):531-539.9. Butler PJ, Norwich G, Weinbaum S, et al. Shear stress induces a time- and position-dependent increase in endothelial cell membrane flu

26、idityJ. Am J Physiol Cell Physiol, 2001 ,280(4):C962-C969.10. Qiu Y, Tarbell JM. Interaction between wall shear stress and circumferential strain affects endothelial cell biochemical productionJ. J Vasc Res, 2000, 37(3):147-157.11. Nerem RM, Harrison DG, Taylor WR, Alexander RW. Hemodynamics and vas

27、cular endothelial biology. J Cardiovasc Pharmacol. 1993; 21 Suppl 1:S6-10.12. Chiu JJ, Lee PL, Chen CN, et al. Shear stress increases ICAM-1 and decreases VCAM-1 and E-selectin expressions induced by tumor necrosis factor-alpha in endothelial cellsJ. Arterioscler Thromb Vasc Biol, 2004, 24(1):73-79.

28、13. Kato H, Uchimura I, Nawa C, et al. Fluid shear stress suppresses interleukin-8 production by vascular endothelial cellsJ. Biorheology. 2001; 38(4): 347-53.14. Barbee KA, Mundel T, Lal R, et al. Subcellular distribution of shear stress at the surface of flow-aligned and nonaligned endothelial mon

29、olayersJ. Am J Physiol. 1995; 268(4 Pt 2): H1765-72.15. Van Gieson EJ, Murfee WL, Skalak TC, et al. Enhanced smooth muscle cell coverage of microvessels exposed to increased hemodynamic stresses in vivoJ. Circ Res, 2003, 92(8): 929-936.16. Ueba H, Kawakami M, Yaginuma T. Shear stress as an inhibitor

30、 of vascular smooth muscle cell proliferation. Role of transforming growth factor-beta 1 and tissue-type plasminogen activatorJ. Arterioscler Thromb Vasc Biol. 1997; 17(8): 1512-6.17. Redmond EM, Cullen JP, Cahill PA, et al. Endothelial cells inhibit flow-induced smooth muscle cell migration: role o

31、f plasminogen activator inhibitor-1J. Circulation, 2001,103(4):597-603.18. Thoumine O, Nerem RM, Girard PR. Changes in organization and composition of the extracellular matrix underlying cultured endothelial cells exposed to laminar steady shear stressJ. Lab Invest, 1995 ,73(4):565-576.19. Korshunov

32、 VA, Berk BC. Flow-induced vascular remodeling in the mouse: a model for carotid intima-media thickeningJ. Arterioscler Thromb Vasc Biol, 2003, 23(12) :2185-2191.20. Shyy JY, Chien S. Role of integrins in endothelial mechanosensing of shear stressJ. Circ Res, 2002, 91(9):769-775.21. Frame MD, Sareli

33、us IH. Flow-induced cytoskeletal changes in endothelial cells growing on curved surfacesJ. Microcirculation, 2000, 7(6 Pt 1):419-427.22. Mohan S, Hamuro M, Koyoma K, e al. High glucose induced NF-kappaB DNA-binding activity in HAEC is maintained under low shear stress but inhibited under high shear

34、stress: role of nitric oxideJ. Atherosclerosis, 2003, 171(2): 225-234.23. Hay DC, Beers C, Cameron V, et al. Activation of NF-kappaB nuclear transcription factor by flow in human endothelial cellsJ. Biochim Biophys Acta, 2003, 1642(1-2): 33-44.24. Liu Y, Chen BP, Lu M, Shear stress activation of SRE

35、BP1 in endothelial cells is mediated by integrinsJ. Arterioscler Thromb Vasc Biol, 2002, 22(1):76-81.25. Chen BP, Li YS, Zhao Y, et al. DNA microarray analysis of gene expression in endothelial cells in response to 24-h shear stressJ. Physiol Genomics, 2001, 7(1):55-63.26. Ohura N, Yamamoto K, Ichio

36、ka S, Global analysis of shear stress-responsive genes in vascular endothelial cellsJ. J Atheroscler Thromb, 2003, 10(5): 304-313.27. Malek AM, Izumo S. Control of endothelial cell gene expression by flowJ. J Biomech, 1995, 28(12): 1515-1528.28. Fisslthaler B, Boengler K, Fleming I, et al. Identific

37、ation of a cis-element regulating transcriptional activity in response to fluid shear stress in bovine aortic endothelial cellsJ. Endothelium, 2003,10(4-5):267-275.Hemodynamics and vascular remodelingWANG Guiqing FU Si-hai(Shanghai Institute of Cerebral Vascular Disease Prevention and Cure, Shanghai 201318, China)Hemodynamic forces play an active role in many physiological and pathophysiological processes of the cardiovascular