流体剪切力调节血管内皮细胞自噬的研究进展*

张莹莹，曾烨，刘静霞，闫志平，刘肖珩

(四川大学华西基础医学与法医学院生物医学工程研究室，成都 610041)

1 引 言

血管内皮细胞是衬贴于血管内腔面的单层鳞状细胞,在整个血管系统中发挥着重要的生理功能，对维持整个血管系统的正常运转有重要作用。在血管内皮细胞中，自噬作为一种防御和应激调控机制，可以和溶酶体一起在细胞中作为“垃圾处理厂”发挥作用，降解体内衰老和受损的细胞，并将胞质内的部分蛋白质(包括受损和错误折叠的蛋白质、大分子、老化和机能障碍的细胞器以及蛋白质聚集物)消化分解为氨基酸用于供能和生物合成，为细胞的修复和再生提供原材料。自噬参与调节细胞物质的合成、降解和重新利用之间的代谢平衡，在机体的免疫、感染、炎症、肿瘤、心血管病、神经退行性疾病等生理病理过程中发挥着重要的作用。最近有研究表明,细胞自噬的抑制可能是导致内皮细胞功能紊乱的重要机制[1]。流体剪切力也是影响血管内皮细胞形态和功能的重要因素之一，其对血管内皮细胞形态和功能的影响是许多疾病研究的重要切入点。血管内皮细胞在体内时时刻刻都受到血流剪切力的作用。

最新研究表明，自噬参与了剪切力介导的血管内稳态的维持，且流体剪切力能够调节血管内皮细胞自噬的发生，有关其作用及机理的研究正在成为生命科学领域新的研究热点。

2 血管内皮细胞生理功能

血管内皮细胞是血管腔面的一薄层扁平细胞，直接接触血液，其主要的生理功能有：(1)屏障功能。血管内皮细胞是和血液直接接触的一道天然屏障，由于内皮细胞具有独特的结构和代谢特性，能选择性的调节小分子至超大分子物质通过血管壁，减少血管通透性，调节组织与血液的物质交换，防止血浆成分和血液细胞无序地侵入[2]。(2)分泌功能。血管内皮细胞可以通过膜受体感知血流动力学和血源性信号的变化,合成并分泌多种生物活性物质来调节血管张力、维持血管壁的完整性并维持血液的正常流动状态。其中有血管舒张因子，如一氧化氮、前列环素等；血管收缩因子，如内皮素-1等；促凝因子，如组织因子等；抗凝因子，如一氧化氮、肝素等；以及其他血管活性因子，如白细胞介素、硫酸乙酰肝素等。正常生理状态下，舒张血管与收缩血管作用、促凝与抗凝作用保持动态平衡，使血液不致发生凝固而形成血栓。当机体血管内有血栓(包括微血栓)形成时，其溶解纤维蛋白系统则被激活，溶解和去除血栓中的纤维蛋白。(3)参与血管生成。在血管形成因素的刺激下，内皮细胞能分泌内皮细胞生长因子(VEGF)、胰岛素生长因子-1(IGF-1)、血小板衍生生长因子(PDGF)等形成完整血管所必需的生长因子。这种参与血管生成的功能，在一些生理状态如子宫内膜增厚和病理状态如肿瘤等都有体现。

3 自噬对血管内皮细胞功能的影响

自噬是一种应激状态下大分子物质和细胞器的降解及再循环的过程[3-4]，可以在多种应激状态下被激活，比如饥饿、氧化、线粒体DNA损伤以及炎症[5-6]。虽然过度的自噬会导致细胞死亡，但在正常情况下，细胞自噬被认为是一种细胞自我保护和适应性的机制[7]。

目前研究表明，细胞自噬和血管生成之间存在着某种负反馈的关系，血管内皮细胞自噬可能是其发挥抗血管生成作用的一种机制。血管生成是指从已存在的血管床中产生出新生血管系统, 是一个包括血管内皮细胞增殖、迁移及胞外基质降解的多步骤复杂过程[8]。肿瘤血管生成是所有实体肿瘤的共同特征，是实体肿瘤生长和转移必须依赖的病理学基础，与肿瘤的生长、侵袭转移关系极为密切。抗血管生成作用在恶性肿瘤的预防和治疗方面具有重要的意义。人类纤溶酶原(Kringle 5,K5)和内皮抑素(endostatin，ES)是有效的血管生成抑制剂，这些抑制剂通过各种细胞内信号通路诱导细胞凋亡和抑制细胞增殖[9-10]。有研究表明[11]，K5和ES除了能诱导细胞凋亡外，还可以促进血管内皮细胞的自噬。Nguyen[12]等的研究也显示，K5可以诱导血管内皮细胞发生特异性自噬，并且这种自噬在没有营养应激的情况下也可以被引发。他们认为，K5与内皮细胞表面的葡萄糖调节蛋白78(glucose-regulatedprotein-78, GRP-78)结合，而GRP-78与缺氧及内质网应激反应有着密切的关系，进而影响Beclin 1表达，K5就是通过使Beclin 1表达增加来调节内皮细胞自噬，如果延长K5的处理时间，最终会通过血管内皮细胞线粒体膜去极化和胱天蛋白酶的活化而导致细胞凋亡，因此，发挥抗血管生成作用。这些结果提示，K5可以引起内皮细胞发生自噬并产生抗血管生成作用，抗血管生成作用的产生可能与细胞自噬有关。Nguyen[13]等也曾在研究中用ES成功诱导自噬。Maes等[14]在研究中表明自噬基因缺失的小鼠在做了肿瘤感染的处理后，由于血管生成,自噬基因缺失的小鼠比未做基因缺失的小鼠更能诱导一些肿瘤的发生。AKT3信号通路是血管生成过程的关键信号通路[15]，Corum等[16]在研究中发现小鼠AKT3基因敲除可以诱导发生细胞自噬。这些结果都提示，内皮细胞自噬可能参与了抗血管生成作用。

自噬与NO的调节也有很大关系。NOS/NO系统在多种心血管疾病的发生发展中发挥着重要的作用，血管内皮细胞释放的NO能抑制血小板聚集及白细胞黏附在血管壁,抑制血管平滑肌增生,抑制单核巨噬细胞浸润,从而抑制动脉粥样硬化的发生和发展[17]。Bharath等[18]的研究表明在剪切力的作用下，被敲除自噬基因的内皮细胞内皮型一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase，eNOS)的磷酸化增加，NO的产生明显被抑制，同时自噬的抑制使内皮细胞活性氧和一些细胞炎性因子的产生增加。可见，自噬参与了剪切力介导的血管内稳态的维持。细胞自噬的缺失很可能是导致内皮细胞功能紊乱的重要机制，而且自噬的发生加强了内皮细胞对其正常功能的维护[1]。此外，大多数动脉粥样硬化斑块都呈现出自噬的标志物，并且伴随着动脉粥样硬化的发展，自噬功能逐渐紊乱[19]。

4 流体剪切力对血管内皮细胞的影响

4.1 流体剪切力对血管内皮细胞功能的影响

在正常的血液系统中，血管内皮细胞无时无刻不受血流作用力的影响。血流作用力主要有三种，分别是静水压力、周向拉伸应力和流体剪切力。其中流体剪切力在调节内皮细胞功能有重要作用。有研究表明[20]，流体剪切力作用于内皮细胞表面G蛋白可触发内皮细胞内的一些磷酸化过程，导致血管内皮细胞沿血流方向发生重排，同时调控核因子kB介导的信号转导通路，进而调节内皮细胞多种基因如编码生长因子、粘附因子、血管活性物质、凝血因子和趋化因子等的基因表达。血液是一种粘性流体,由于粘性的存在,在管道中流动的流体出现了分层流动，各层流体只做相对滑动而彼此不相混合，这种现象称为层流。层流能够促进内皮细胞的存活，使内皮细胞按照血流方向排列，并促进血管舒张物质和抗凝物质的分泌[21],同时层流能够使内皮细胞自噬的表达上调[1]。

流体剪切力也能够影响血管内皮细胞迁移并刺激血管生成，在血管生成过程中发挥重要作用[22]。流体剪切力作用下，血管内皮细胞的微脉管系统生长加快[23]，这种结果可能和流体剪切力能使血管内皮细胞释放NO有关。NO是在血管内皮细胞的血管生成过程中起关键作用的一种信号分子[24]，流体剪切力能够激活一氧化氮合酶刺激血管内皮细胞产生NO,而NO的产生促进了内皮小管的形成[25]。

4.2 流体剪切力对血管内皮细胞自噬的调节

细胞自噬和流体剪切力都能够影响血管内皮细胞的功能，都是维持血管内皮细胞正常生理功能的重要因素，都是研究相关疾病的重要切入点。近年来，一些研究者开始关注这两种因素之间的相互作用。2011年King[26]等在自己的研究中提出机械应力可以诱导人乳腺癌细胞MDA-MB-231发生自噬，之后Chen等[27]在2012年提出流体剪切力的加载可以抑制人脐静脉内皮细胞上雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)的表达，而且microRNA-101(miR-101)在这个过程中发挥着重要的作用。mTOR是氨基酸、ATP和激素的感受器，它在调节细胞生长和自噬的发生过程有重要作用。mTOR可以抑制自噬上游Atg1/Ulk复合物[28]，激活mTOR可以抑制细胞自噬的发生，抑制mTOR能诱导细胞自噬的发生[29]。人脐静脉内皮细胞加载12 dyn/cm2的剪切力12 h后，miR-101的表达明显上调；miR-101模拟物(mimics)使包含mTOR质粒的荧光酶素降低，内皮细胞的mTOR表达降低,使细胞周期停滞于G1期，从而抑制了内皮细胞的增殖；miR-101抑制剂(inhibitor)则使流体剪切力对mTOR表达的抑制作用减弱。通过这项研究，研究者们认为流体剪切力和细胞自噬之间也应存在着某种关系。之后，JUAN等人[1]在研究中证实了流体剪切力与细胞自噬之间的关系。他们用体外灌流系统分别对经过自噬激动剂和抑制剂处理过的人脐静脉内皮细胞及家兔动脉进行流体剪切力的加载，检测内皮细胞自噬的表达，结果发现流体剪切力可以促进内皮细胞发生自噬。剪切力和自噬激动剂的同时作用，加强了内皮细胞自噬。

最近，Ding等人[30]在研究中发现LOX-1在流体剪切力调节内皮细胞自噬的过程中扮演者非常重要的角色，并且低剪切力相对于高剪切力来说对内皮细胞自噬的调节作用更加明显。LOX-1是内皮细胞对氧化性低密度脂蛋白的一个重要受体，LOX-1在细胞多种病理生理过程中多发挥着重要的作用，包括内皮细胞增殖、凋亡、活性氧自由基的产生以及炎症[31-35]。LOX-1的表达与内皮细胞自噬有关[36]，流体剪应力也在LOX-1的表达中发挥着重要的作用[33]。他们在实验中分别用3、15、30 dyn/cm2的流体剪切力通过体外灌流系统来诱导内皮细胞自噬，结果表明3 dyn/cm2大小的低剪切力可以明显诱导内皮细胞自噬的发生，而随着流体剪切力的变大，对内皮细胞自噬的诱导逐渐被抑制。他们还分别检测了小鼠主动脉分叉处、主动脉弓处、胸动脉和髂动脉处的内皮细胞自噬的发生及LOX-1的表达，结果表明主动脉分叉处的内皮细胞自噬和LOX-1的表达明显高于主动脉弓处、胸动脉和髂动脉处，造成这种变化的原因也是主动脉分叉处血液的流体剪切力较低。他们还用炎性因子LPS刺激内皮细胞后检测自噬的表达，结果表明炎症状态下内皮细胞自噬和LOX-1的表达明显增强，其中LOX-1基因敲除的小鼠自噬表达降低，而LOX-1超表达的小鼠的内皮细胞自噬的表达明显升高。以上结果表明，低剪切力对内皮细胞自噬有非常重要的调节作用，而且与炎症环境下的血管内皮细胞功能变化密切相关。

目前，对于流体剪切力是否通过mTOR调节细胞自噬，有研究者提出了不同看法。Liu等[37]利用12或20 dyn/cm2的层流剪切力(Flexcell streamer平行平板流动腔)作用人脐静脉内皮细胞，并没有发现mTOR的磷酸化水平有显著性变化，但是他们发现组蛋白脱乙酰酶Sirt1(Sirtuin type 1)参与剪切力对细胞自噬的调控，Sirt1基因的抑制使剪切力介导的自噬发生减少，而超表达则促进了这种自噬的发生。已有研究表明，Sirt1可直接通过调控自噬相关基因(autophagy-related gene，ATG)如ATG5、ATG7、ATG8的表达参与细胞自噬的调节[38]。可见，流体剪切力对细胞自噬的调节机制较为复杂，目前并不完全清楚。

5 展望

综上所述，流体剪切力可调节血管内皮细胞的功能，如受体基因表达、细胞因子分泌、迁移等促进血管生成。而内皮细胞自噬则参与了抗血管生成的过程。可见，流体剪切力和内皮细胞自噬对血管生成的调节作用存在一个有效平衡。而研究又表明流体剪切力对内皮细胞自噬存在调节作用，那么，研究者推测流体剪切力是调控上述平衡的关键因素。对于流体剪切力的具体调节作用及相关分子机制的研究仍处于起步阶段，深入地进行这些研究可以为我们研究血管生成机制提供新的切入点，而相关成果也将有助于我们好的预防和治疗相关癌症以及心血管疾病。