Vascular Inflammatory Diseases and Endothelial Phenotypes

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

內(nèi)皮細(xì)胞排列在管腔表面，充當(dāng)分隔血液和周圍組織的屏障。其動(dòng)態(tài)和異質(zhì)結(jié)構(gòu)影響各種重要過(guò)程，如血管通透性、體內(nèi)穩(wěn)態(tài)、血管生成、代謝、炎癥細(xì)胞運(yùn)輸、血管舒縮張力和免疫。一氧化氮（NO）是健康血管內(nèi)皮的關(guān)鍵組成部分，通過(guò)防止血栓形成、細(xì)胞增殖和炎癥來(lái)幫助血管壁維持靜息狀態(tài)。這種靜息的、以 NO 為主的內(nèi)皮表型很可能是由層狀剪切應(yīng)力維持的。

血管疾病是內(nèi)皮功能障礙的結(jié)果，在病理情況下通常被稱為內(nèi)皮活化。從靜息表型到參與宿主防御反應(yīng)的表型的變化由內(nèi)皮激活表示。事實(shí)上，大多數(shù)心血管危險(xiǎn)因素會(huì)觸發(fā)基于內(nèi)皮的分子機(jī)制，導(dǎo)致趨化因子、細(xì)胞因子和粘附分子的表達(dá)，這些分子旨在與白細(xì)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(jù)促炎刺激的類型、嚴(yán)重程度、持續(xù)時(shí)間和組合，內(nèi)皮活化和氧化還原信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)可能會(huì)促進(jìn)宿主防御或引發(fā)血管炎性疾病。越來(lái)越多的證據(jù)表明，內(nèi)皮功能障礙是與病理狀態(tài)相關(guān)的多種心血管疾病的標(biāo)志，包括血管收縮、白細(xì)胞粘附、血栓形成和炎癥狀態(tài)。多項(xiàng)研究正專注于尋找其中涉及的途徑和機(jī)制。

鑒于此，韓國(guó)仁濟(jì)大學(xué)生物工程系課題組就 ECs 對(duì)血管炎癥性疾病影響的最新研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，討論了 EC 特異性剪切應(yīng)力信號(hào)傳導(dǎo)的內(nèi)皮表型和刺激以及與 EC 炎癥表型相關(guān)的幾種重要血管疾病。研究?jī)?nèi)容發(fā)表于 CELLS 期刊題為“Vascular Inflammatory Diseases and Endothelial Phenotypes”。

剪切應(yīng)力對(duì)血管內(nèi)皮的影響

內(nèi)皮細(xì)胞在心血管穩(wěn)態(tài)中起著至關(guān)重要的作用。血流特性的改變通過(guò)血流動(dòng)力學(xué)力量控制健康和疾病條件下的血管生理學(xué)和病理學(xué)。血流動(dòng)力學(xué)力的血流相關(guān)變化影響內(nèi)皮表型并控制各種血管過(guò)程，包括維持急性血管張力、血管通透性、白細(xì)胞粘附、血管發(fā)育以及促血栓和抗血栓信號(hào)分子的分泌。在直段動(dòng)脈處，血流是層狀的，壁剪切應(yīng)力很高，產(chǎn)生動(dòng)脈粥樣硬化保護(hù)作用并促進(jìn)健康的內(nèi)皮細(xì)胞。相反，在分支和彎曲處，血流受到低壁剪切應(yīng)力分布不均勻和不規(guī)則的干擾，會(huì)促進(jìn)動(dòng)脈粥樣硬化，并導(dǎo)致外周動(dòng)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(yīng)力對(duì)白細(xì)胞粘附的影響

在振蕩剪切應(yīng)力期間，血流中滾動(dòng)的白細(xì)胞被募集到炎癥部位，并通過(guò)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(jī)制。層流剪切應(yīng)力通過(guò) eNOS 激活或 KLF2 表達(dá)等多種途徑限制促炎基因表達(dá)并促進(jìn)內(nèi)皮細(xì)胞靜息。Kruppel樣因子-2（KLF2）的抗炎特性通過(guò)降低VCAM-1和ICAM-1的表達(dá)來(lái)防止白細(xì)胞粘附。相反，振蕩剪切通過(guò)多種促炎途徑促進(jìn)白細(xì)胞粘附，最終導(dǎo)致 NF-κB 或 Yap 激活。除了CAMs家族外，細(xì)胞間膜蛋白PECAM-1和JAM-A還充當(dāng)細(xì)胞表面受體，并通過(guò)LFA-1結(jié)合促進(jìn)白細(xì)胞粘附和遷移。動(dòng)脈壁中細(xì)胞粘附受體數(shù)量的這種血流依賴性增加促進(jìn)了白細(xì)胞粘附和炎癥過(guò)程的發(fā)生，這加劇動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的進(jìn)展和EC功能障礙。

剪切應(yīng)力對(duì)血管通透性的影響

為了維持組織穩(wěn)態(tài)，內(nèi)皮的通透性和結(jié)構(gòu)完整性受許多膜相關(guān)蛋白的控制，包括 JAMs、Claudins、PECAM-1 和 VE-cadherin 。內(nèi)皮連接及其分子組織根據(jù)生物體在健康和疾病狀態(tài)下的需求控制通透性。根據(jù)流動(dòng)模式，內(nèi)皮細(xì)胞可在細(xì)胞骨架上排列，并借助細(xì)胞間連接處的幾種蛋白質(zhì)（包括 JAM、PECAM-1 和 VE-鈣粘蛋白）誘導(dǎo)牽引力以維持細(xì)胞間連接的連接完整性。層流通過(guò)肌動(dòng)蛋白聚合和肌球蛋白磷酸化影響 Rho-A 活性、細(xì)胞骨架張力和細(xì)胞排列。相反，血流紊亂會(huì)誘導(dǎo) Rho 激酶活性的過(guò)度激活，通過(guò)肌球蛋白磷酸酶失活導(dǎo)致細(xì)胞骨架重排和內(nèi)皮屏障功能障礙。此外，擾動(dòng)的血流誘導(dǎo) PECAM-1-VE-cadherin-VEGFR2 復(fù)合物信號(hào)傳導(dǎo)，以驅(qū)動(dòng) ECM 重塑并增加纖連蛋白表達(dá)，這在炎癥激活中起關(guān)鍵作用。這種膜蛋白依賴性機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)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(xì)胞旁通透性，從而誘導(dǎo)更大的屏障滲漏。

擾動(dòng)流對(duì) EndMT 的影響

EndMT 對(duì)于胚胎發(fā)育、正常毛細(xì)血管形成、平滑肌細(xì)胞分化和血管生成至關(guān)重要。然而，它在許多病理中也起著關(guān)鍵作用，包括動(dòng)脈粥樣硬化、纖維化、癌癥進(jìn)展和慢性炎癥。內(nèi)皮細(xì)胞向間充質(zhì)細(xì)胞的轉(zhuǎn)變通過(guò)控制炎癥、斑塊的結(jié)構(gòu)完整性以及細(xì)胞外基質(zhì)和膠原蛋白的合成，在動(dòng)脈粥樣硬化的進(jìn)展中發(fā)揮了重要作用。研究表明，在暴露于振蕩剪切應(yīng)力的 ECs 中，FN 和整合素 β1 信號(hào)誘導(dǎo) TGF-β 受體上調(diào)并激活多個(gè)信號(hào)通路，主要是 Smad 2/3 通路。此外，紊亂血流誘導(dǎo)磷酸化的 Smad 2/3，其核定位增加了炎癥基因標(biāo)志物，如 SNAI1 、NOTCH3 和 FN 并促進(jìn)了血管重塑。在體內(nèi)研究中，阻斷該通路減緩了動(dòng)脈粥樣硬化。炎癥介質(zhì)還通過(guò)刺激 NF-κB 來(lái)促進(jìn) EndMT 的發(fā)展。層流通過(guò) KLF4 靶基因誘導(dǎo)促進(jìn)內(nèi)皮表型。Tenascin-x（TN-X）已被證明是血流誘導(dǎo)的EndMT 抑制、內(nèi)皮炎癥和層流下 KLF2 依賴性誘導(dǎo)的動(dòng)脈粥樣硬化形成的關(guān)鍵調(diào)節(jié)劑。

擾動(dòng)流對(duì)葡萄糖代謝的影響

近年來(lái)，細(xì)胞代謝已被證明可調(diào)節(jié) EC 表型。在炎癥條件下，EC 激活和功能障礙驅(qū)動(dòng)的代謝重編程是許多疾病病理生理學(xué)的關(guān)鍵因素，例如動(dòng)脈粥樣硬化、糖尿病視網(wǎng)膜病變、肺動(dòng)脈高壓和癌癥。如上所述，層流剪切應(yīng)力通過(guò)表達(dá)一系列轉(zhuǎn)錄因子，包括促進(jìn)抗炎和抗血栓形成特性的KLF2，促進(jìn)靜息的 EC。同樣，層流誘導(dǎo)的KLF2 通過(guò)抑制糖酵解調(diào)節(jié)因子磷酸果糖激酶-2/果糖-2,6-二磷酸酶-3（PFKFB3）的表達(dá)來(lái)調(diào)節(jié)細(xì)胞代謝以維持靜息的 EC。在血流擾動(dòng)的情況下，KLF2 功能的喪失會(huì)抑制 PFKFB3，從而增強(qiáng)糖酵解、炎癥反應(yīng)和胰島素抵抗。此外，振蕩剪切應(yīng)力促進(jìn) ROS 誘導(dǎo)的缺氧誘導(dǎo)因子（hif-1 alpha）的穩(wěn)定，該因子是刺激 NF-κB 通路的主要轉(zhuǎn)錄因子，并隨后增加葡萄糖調(diào)節(jié)因子，如 PFKFB3、HK2 和 GLUT1。研究表明，炎癥介質(zhì)通過(guò) NF-κB-PFKFB3 信號(hào)通路重新編程細(xì)胞代謝并增強(qiáng)糖酵解、線粒體氧化磷酸化（OXPHOS）和磷酸戊糖途徑，從而促進(jìn)進(jìn)一步的炎癥。通過(guò)沉默 PFKFB3 阻斷該通路可在體內(nèi)模型中減輕炎癥。在缺氧和血管生成過(guò)程中，為了維持細(xì)胞能量需求，ECs 可以通過(guò) PFKFB3 激活來(lái)調(diào)節(jié)葡萄糖利用。然而，PFKFB3 和 NF-κB 信號(hào)的過(guò)度激活導(dǎo)致單核細(xì)胞粘附、通透性和 EndMT 轉(zhuǎn)換增加而導(dǎo)致炎癥進(jìn)展，這可能產(chǎn)生各種血管炎性疾病。

圖 1 顯示了內(nèi)皮細(xì)胞在暴露于振蕩剪切應(yīng)力時(shí)發(fā)生的變化。由血流紊亂導(dǎo)致纖連蛋白表達(dá)的增加介導(dǎo)整合素信號(hào)并激活 NF-κB、PAK 和 JNK 通路以及 YAP 激活，從而通過(guò)上調(diào)細(xì)胞粘附分子和白細(xì)胞粘附來(lái)增加炎癥。PECAM-1、VE-Cadherin和 VEGF 復(fù)合物驅(qū)動(dòng)這種細(xì)胞外基質(zhì)重塑并增加纖連蛋白表達(dá)。由于血流紊亂，PAK 的激活和 Rho 激酶活性的增加誘導(dǎo) VE-Cadherin、Occludin 內(nèi)化、細(xì)胞骨架重塑和肌球蛋白輕鏈?zhǔn)湛s，從而在連接處形成間隙并促進(jìn)白細(xì)胞遷移。血流誘導(dǎo)的多個(gè)信號(hào)通路激活促進(jìn) Smad 1/5 磷酸化并誘導(dǎo) EndMT。KLF2 促進(jìn)層流中所有這些作用的抑制，但在擾動(dòng)流中KLF2 減少，PFKFB3 上調(diào)所有這些不利影響。

圖1    振蕩剪切應(yīng)力對(duì)血管內(nèi)皮的影響。

血管炎癥性疾病

動(dòng)脈粥樣硬化

動(dòng)脈粥樣硬化是一種慢性炎癥疾病。內(nèi)皮功能障礙和炎癥是導(dǎo)致動(dòng)脈粥樣硬化所涉及的各種病理的原因。

臨床數(shù)據(jù)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(guān)。有證據(jù)表明斑塊不穩(wěn)定是由動(dòng)脈粥樣硬化病變中免疫細(xì)胞浸潤(rùn)引起的炎癥引起的。基質(zhì)降解和細(xì)胞凋亡是斑塊穩(wěn)定性的兩個(gè)關(guān)鍵因素，其受巨噬細(xì)胞和 T 細(xì)胞的炎癥介質(zhì)控制。研究發(fā)現(xiàn)，ACTA2+ 肌成纖維細(xì)胞樣細(xì)胞不僅來(lái)源于平滑肌細(xì)胞，還分別通過(guò) EndMT 和巨噬細(xì)胞間充質(zhì)轉(zhuǎn)化（MMT）來(lái)源于內(nèi)皮細(xì)胞和巨噬細(xì)胞。OCT4 是一種 Yamanaka 因子，被發(fā)現(xiàn)在動(dòng)脈粥樣硬化形成過(guò)程中在 ECs 中被激活，并在斑塊穩(wěn)定性中起重要作用。據(jù)觀察，振蕩剪切應(yīng)力除了在基質(zhì)降解的血管重塑中的作用外，還增強(qiáng)了金屬蛋白酶（MMP）的活性，促進(jìn)了膠原蛋白的降解，并削弱了纖維帽。體內(nèi)研究清楚地表明，低剪切應(yīng)力區(qū)域與巨噬細(xì)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(guān)。促炎信號(hào)和厭氧代謝通過(guò) HIF-1 和 PFKFB3 的參與與動(dòng)脈粥樣硬化巨噬細(xì)胞密切相關(guān)。許多研究證明，流體動(dòng)力學(xué)和內(nèi)皮剪切應(yīng)力是導(dǎo)致脆弱斑塊的主要病理因素。

內(nèi)膜鈣化與動(dòng)脈粥樣硬化有關(guān)。不穩(wěn)定的斑塊由于炎癥和微鈣化的參與而有破裂的風(fēng)險(xiǎn)，而這些都由壁剪切應(yīng)力控制。巨噬細(xì)胞的早期促炎和成骨細(xì)胞因子（包括TNF-α、IGF-1、TGF-β、IL-1β、IL-6和IL-8）誘導(dǎo)血管平滑肌細(xì)胞分化為成骨細(xì)胞樣細(xì)胞，從而引發(fā)微鈣化。TNF-α誘導(dǎo)BMPR2降低，增強(qiáng)ECs中成骨分化的BMP-9，并誘導(dǎo)鈣化、薄纖維帽形成和斑塊破裂。層流下KLF2 介導(dǎo)的內(nèi)皮 BMP/SMAD1/5 信號(hào)抑制會(huì)降低血管鈣化。

肺動(dòng)脈高壓（PAH）

肺動(dòng)脈高壓（PAH）的病理性特征是新內(nèi)膜病變、小血管收縮和大血管僵硬。內(nèi)皮功能障礙是 PAH 發(fā)生、發(fā)展以及疾病進(jìn)展的關(guān)鍵因素。EC 功能障礙可由多種因素引起，包括炎性細(xì)胞因子、缺氧、毒素和外部刺激，如剪切應(yīng)力。其中，振蕩剪切應(yīng)力導(dǎo)致血流紊亂、流體動(dòng)力學(xué)和持續(xù)的致病機(jī)制，對(duì) PAH 患者新內(nèi)膜病變形成有重大影響，導(dǎo)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(xì)胞增殖增加和細(xì)胞凋亡減少而進(jìn)展，最后隨著衰老而成熟，這使得 PAH 難以逆轉(zhuǎn)。對(duì) PAH 小鼠模型內(nèi)皮細(xì)胞的單細(xì)胞 RNA 測(cè)序顯示，ECs 上調(diào) MHC II 類通路中的基因，支持 ECs 在 PAH 炎癥反應(yīng)中的作用。研究表明，內(nèi)皮細(xì)胞衰老是驅(qū)動(dòng) PAH 的另一個(gè)因素。通過(guò)阻斷FXN 蛋白和線粒體鐵硫（Fe-S）簇組裝蛋白誘導(dǎo)內(nèi)皮衰老，PAH 患者表現(xiàn)出 FXN 表達(dá)降低和 EC 衰老。幾項(xiàng)研究表明，血流紊亂通過(guò)下調(diào) eNOS/AKT 通路引發(fā) PAH 伴 EC 炎癥、屏障功能障礙和平滑肌細(xì)胞遷移。

膿毒癥

膿毒癥是由對(duì)細(xì)菌或病毒感染的不受控制的免疫反應(yīng)引起的，會(huì)損害宿主組織。內(nèi)皮促炎表型改變是膿毒癥誘導(dǎo)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(fā)的血管滲漏導(dǎo)致液體蓄積和多器官衰竭。膿毒癥幸存者的內(nèi)皮通透性標(biāo)志物（sFLT-1、Ang-2 和 VEGF）的數(shù)量顯著降低。內(nèi)毒素或病毒病原體通過(guò) EC 連接處的分解或細(xì)胞死亡導(dǎo)致血管滲漏。有證據(jù)表明，阻斷內(nèi)皮通透性可能是降低膿毒癥死亡率的有效策略。內(nèi)皮 TGF-β-ALK5-Smad2/3 信號(hào)通路導(dǎo)致 ROBO4 表達(dá)，而 BMP9-ALK1-Smad1/5 信號(hào)阻斷其表達(dá)，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(biāo)志物，其新發(fā)現(xiàn)的對(duì)內(nèi)皮屏障的影響已有報(bào)道。乳酸通過(guò)鈣蛋白酶和 Erk2 活化裂解及內(nèi)化 VE-鈣粘蛋白以破壞 VE-鈣粘蛋白復(fù)合物。

膿毒癥通常與亞臨床高凝狀態(tài)或急性彌散性血管內(nèi)凝血（DIC）有關(guān)，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(dǎo)致出血。膿毒癥誘導(dǎo) EC 表型向促凝血和抗纖維蛋白溶解狀態(tài)轉(zhuǎn)變。在促炎分子存在下，活化的 ECs 表達(dá)組織因子（TF），它與凝血系統(tǒng)外源性途徑中的循環(huán)凝血因子 VII 結(jié)合?；罨?ECs 通過(guò)上調(diào)各種細(xì)胞表面粘附分子來(lái)促進(jìn)血小板粘附和聚集。在膿毒癥期間，內(nèi)皮細(xì)胞釋放 PAI-1（纖溶酶原激活物抑制劑-1），導(dǎo)致纖維蛋白溶解和高凝血的抑制。

膿毒癥由于血管擴(kuò)張和低血壓導(dǎo)致高心輸出量和外周阻力降低。炎癥配體導(dǎo)致 ECs 合成的 NO 增加和平滑肌細(xì)胞松弛。NO 還與 ROS 反應(yīng)形成硝酸鹽和硝酸鹽誘導(dǎo)的細(xì)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(xì)胞因子）通過(guò)上調(diào)炎癥蛋白和激活幾種信號(hào)通路來(lái)誘導(dǎo) ECs 的激活和表型的修飾。這種促炎表型導(dǎo)致 EC 功能障礙，導(dǎo)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(shù)心血管疾病發(fā)展的主要原因。

圖2     EC 功能障礙和血管疾病的進(jìn)展。

總之，考慮到內(nèi)皮細(xì)胞在許多血管炎癥性疾病中的積極作用，內(nèi)皮細(xì)胞值得更多關(guān)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(fā)的先進(jìn) NGS 技術(shù)增強(qiáng)對(duì) EC 表型的理解將使我們能夠研發(fā)副作用較少的內(nèi)皮疾病治療策略。

參考文獻(xiàn)：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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