張麗君，徐 沁，孫喜慶，石 菲，孫 靜，王永春

第四軍醫(yī)大學(xué) 航空航天醫(yī)學(xué)系，陜西西安 7100321航空航天生物動力學(xué)教研室；2學(xué)員一旅

失重或模擬失重條件下細(xì)胞骨架調(diào)控血管內(nèi)皮功能的研究進(jìn)展

張麗君2，徐 沁2，孫喜慶1，石 菲1，孫 靜1，王永春1

第四軍醫(yī)大學(xué) 航空航天醫(yī)學(xué)系，陜西西安 7100321航空航天生物動力學(xué)教研室；2學(xué)員一旅

隨著航空事業(yè)的發(fā)展，對失重環(huán)境下航天員的健康更為關(guān)注。最新研究發(fā)現(xiàn)，血管內(nèi)皮細(xì)胞對于重力高度敏感，作為血管壁的襯里細(xì)胞，具有屏障、物質(zhì)轉(zhuǎn)移、內(nèi)分泌等生理功能，在調(diào)節(jié)血管內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用，然而，失重所致的內(nèi)皮細(xì)胞功能及結(jié)構(gòu)異常的機(jī)制目前尚未完全明確。隨著對空間生物醫(yī)學(xué)研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞骨架對重力變化較為敏感，微重力條件下，血管內(nèi)皮細(xì)胞骨架會發(fā)生變化，表現(xiàn)為微絲和微管的破壞，進(jìn)而可導(dǎo)致細(xì)胞的增殖、凋亡、信號傳導(dǎo)等功能發(fā)生變化。本研究就失重或模擬失重條件下細(xì)胞骨架調(diào)控血管內(nèi)皮功能的研究進(jìn)展做一綜述。

失重；血管內(nèi)皮細(xì)胞；細(xì)胞骨架；血管內(nèi)皮功能

航天員在太空中將面臨失重環(huán)境，多次的航天飛行實(shí)踐表明，航天員失重后返回地面會出現(xiàn)心血管功能紊亂的現(xiàn)象[1]，表現(xiàn)為立位耐力降低和運(yùn)動耐力下降。研究證實(shí)，細(xì)胞骨架對重力變化高度敏感，微重力環(huán)境會引起血管內(nèi)皮細(xì)胞骨架發(fā)生變化，表現(xiàn)為微絲和微管解聚等，從而導(dǎo)致細(xì)胞的增殖、凋亡、信號傳導(dǎo)等功能發(fā)生改變，進(jìn)而影響到航天員的健康。本文就失重或模擬失重下細(xì)胞骨架調(diào)控血管內(nèi)皮細(xì)胞功能做一綜述。

1 微重力對血管內(nèi)皮細(xì)胞功能的影響

1.1 細(xì)胞增殖 研究表明，模擬失重可明顯影響血管內(nèi)皮細(xì)胞的增殖能力，但有關(guān)失重后血管內(nèi)皮細(xì)胞增殖活性的變化，各家報(bào)道并不一致。李靜等[2]通過流式細(xì)胞術(shù)和細(xì)胞計(jì)數(shù)技術(shù)分析模擬微重力下人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞(human umbilical vein endothelial cells，HUVECs)的增殖情況，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞的增殖受到抑制，細(xì)胞周期抑制于G2/M時(shí)期。Mariotti和Maier[3]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)微重力下可使大鼠微血管內(nèi)皮細(xì)胞生長抑制，并認(rèn)為其可能與IL-6的表達(dá)下調(diào)有關(guān)。Versari等[4]發(fā)現(xiàn)在微重力下P21蛋白表達(dá)增加，該物質(zhì)為細(xì)胞周期抑制因子，從而出現(xiàn)細(xì)胞增殖受抑制的現(xiàn)象。王俊鋒等[5]通過尾懸吊模擬失重大鼠，發(fā)現(xiàn)大鼠的肺組織中血管內(nèi)皮細(xì)胞生長因子表達(dá)增高，但是隨著模擬失重時(shí)間的延長，其增高程度出現(xiàn)下降趨勢。然而，Versari等研究發(fā)現(xiàn)，采用Random Positioning Machine和Rotating wall vessel兩種裝置模擬失重，均可刺激內(nèi)皮細(xì)胞生長。Carlsson等發(fā)現(xiàn)模擬失重可刺激大血管來源的內(nèi)皮細(xì)胞增殖，并認(rèn)為這種變化與模擬失重引起的熱休克蛋白-70表達(dá)上調(diào)及IL-1表達(dá)下調(diào)有關(guān)。由此可見，由于血管內(nèi)皮細(xì)胞具有高度異質(zhì)性，失重刺激所致的不同組織來源及不同種屬的內(nèi)皮細(xì)胞增殖效應(yīng)并不一致。

1.2 細(xì)胞凋亡 失重環(huán)境可誘導(dǎo)血管內(nèi)皮細(xì)胞出現(xiàn)凋亡增加。Infanger等[6]發(fā)現(xiàn)內(nèi)皮細(xì)胞在模擬失重環(huán)境下，細(xì)胞外基質(zhì)蛋白(extracellular matrix protein，ECMP)和血管內(nèi)皮生長因子的受體表達(dá)上調(diào)，Caspase-3、Bax蛋白等凋亡相關(guān)蛋白增加，提示模擬失重促進(jìn)了內(nèi)皮細(xì)胞的凋亡，且72 h后細(xì)胞凋亡更加明顯[7]。章燁等[8]發(fā)現(xiàn)肺微血管內(nèi)皮細(xì)胞(pulmonary microvascular endothelial cell，PMVEC)的核固縮個(gè)數(shù)增多，表現(xiàn)為小體積的深染核形態(tài)，且出現(xiàn)細(xì)胞核碎片，表明失重環(huán)境可誘導(dǎo)細(xì)胞出現(xiàn)凋亡增加。沈羨云等[9]通過對血管內(nèi)皮細(xì)胞的檢測來分析血管內(nèi)皮細(xì)胞損傷和脫落的情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)模擬失重組家兔血管中有細(xì)胞質(zhì)豐富，細(xì)胞核清晰可見的細(xì)胞，判定為脫落的內(nèi)皮細(xì)胞，證明失重環(huán)境促進(jìn)了內(nèi)皮細(xì)胞的損傷和脫落?？荡貉嗟萚10]通過對人肺微血管內(nèi)皮細(xì)胞(human pulmonary microvascular endothelial cell，HPMEC)在失重環(huán)境下的凋亡現(xiàn)象進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)回轉(zhuǎn)48 h后HPMEC染色質(zhì)固縮凝結(jié)，集中于核膜邊緣，核膜皺縮，破損，消失，細(xì)胞質(zhì)中出現(xiàn)凋亡小體和崩解的細(xì)胞器，細(xì)胞溶酶體大量出現(xiàn)，為典型的凋亡現(xiàn)象，提示細(xì)胞骨架的破壞有可能促進(jìn)細(xì)胞的凋亡。因此，目前觀點(diǎn)認(rèn)為失重或模擬失重可引起血管內(nèi)皮細(xì)胞凋亡增加，從而導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞的損傷。

1.3 對內(nèi)皮細(xì)胞一氧化氮合酶(eNOS)/一氧化氮(NO)系統(tǒng)影響 失重環(huán)境對eNOS/NO系統(tǒng)有顯著的影響。章燁等[8]發(fā)現(xiàn)在模擬失重環(huán)境下，肺動靜脈內(nèi)皮細(xì)胞eNOS表達(dá)增加，NO產(chǎn)生量增加，從而通過eNOS/NO信號通路的改變調(diào)節(jié)肺靜脈內(nèi)皮細(xì)胞的凋亡。Ma等[11]發(fā)現(xiàn)模擬失重可致大鼠不同部位NOS的表達(dá)出現(xiàn)差異性改變。尾懸吊模擬失重大鼠的胸主動脈eNOS和iNOS表達(dá)增加，而在腸系膜動脈表達(dá)降低，在腦動脈和股動脈無明顯變化。汪德生等[12]發(fā)現(xiàn)在模擬失重環(huán)境下，肺動脈的細(xì)胞中eNOS和iNOS表達(dá)增加，且隨著失重時(shí)間的增加，表達(dá)增加越明顯。張華等[13]發(fā)現(xiàn)回轉(zhuǎn)組的血管內(nèi)皮細(xì)胞產(chǎn)生NO量高于對照組，回轉(zhuǎn)組表達(dá)出現(xiàn)eNOS，而對照組不表達(dá)。我課題組利用體外培養(yǎng)的血管內(nèi)皮細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)模擬失重下通過PI3K-Akt信號通路調(diào)節(jié)內(nèi)皮細(xì)胞iNOS和eNOS活性，使之上調(diào)[14]。這些研究提示，模擬失重會影響mRNA和NOS蛋白的表達(dá)，且在不同組織器官影響不同。但模擬失重對eNOS/NO系統(tǒng)的具體影響機(jī)制尚不清楚，需要進(jìn)一步的研究。

2 細(xì)胞骨架的變化

細(xì)胞骨架對于重力變化高度敏感。李靜等[2]發(fā)現(xiàn)人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞模擬失重48 h，發(fā)生了微管蛋白解聚，微管的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)模糊的現(xiàn)象，且出現(xiàn)崩解的微管小聚體。戴鐘銓等[15]發(fā)現(xiàn)細(xì)胞經(jīng)過回轉(zhuǎn)模擬失重后出現(xiàn)了局部微絲解聚，張力纖維減少，骨架蛋白彌散分布，細(xì)胞核區(qū)與細(xì)胞質(zhì)分界模糊的現(xiàn)象。郭英華等[16]發(fā)現(xiàn)肺血管內(nèi)皮細(xì)胞回轉(zhuǎn)72 h后，F(xiàn)-action表達(dá)減少，微絲排列松散，體積減小，拉絲感和方向感減弱，細(xì)胞伸展不好。張華等[17]發(fā)現(xiàn)人臍靜脈細(xì)胞回轉(zhuǎn)72 h后，細(xì)胞貼壁不好，微絲骨架分布的有序性降低，微絲變短，稀少且紊亂不成束，向邊緣分布，且隨著回轉(zhuǎn)時(shí)間的延長，解聚程度加劇。這些研究表明，在模擬失重下，細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，從而導(dǎo)致了內(nèi)皮細(xì)胞發(fā)生了改變，其功能也遭到了破壞。

3 細(xì)胞骨架在失重致血管內(nèi)皮細(xì)胞功能改變中的作用

血管內(nèi)皮細(xì)胞受重力影響的具體機(jī)制尚不清楚，但目前已有初步進(jìn)展。早期研究表明，由于太空處于真空、微重力環(huán)境下，細(xì)胞骨架對重力的變化尤為敏感，細(xì)胞的性狀會發(fā)生改變，引起結(jié)構(gòu)和功能的改變[18]。Spisni等[19]發(fā)現(xiàn)，胞膜窖具有機(jī)械感受的功能，臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞在模擬失重環(huán)境下，胞膜窖的表達(dá)以及其上面的窖蛋白-1的磷酸化水平均發(fā)生了改變，胞膜窖有可能是早期感受重力的分子之一。戴鐘銓等[15]發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞整體感受重力的變化并通過物理和化學(xué)兩個(gè)通路來傳導(dǎo)力學(xué)信號，這兩個(gè)通路的交叉點(diǎn)就是細(xì)胞骨架，Hughes-Fulford[20]發(fā)現(xiàn)通過蛋白構(gòu)象的改變將機(jī)械信號傳導(dǎo)至細(xì)胞核或者特定的靶點(diǎn)。Cowin等[21]發(fā)現(xiàn)細(xì)胞不是直接感受重力的變化，而是通過細(xì)胞外基質(zhì)和整合素的作用將力學(xué)的變化傳遞給細(xì)胞骨架，引起細(xì)胞骨架的重排。近幾年的研究表明，微管的組裝對重力具有依賴性[22-24]，僅含有微管蛋白和GTP的生物系統(tǒng)在地面上可以進(jìn)行組裝，而在太空中無法組裝。Papaseit等[25]分析發(fā)現(xiàn)，重力通過擴(kuò)散反應(yīng)機(jī)制影響微管的組裝過程，在擴(kuò)散反應(yīng)體系中，重力和濃度的定向轉(zhuǎn)運(yùn)打破了系統(tǒng)的平衡，更有利于微管的組裝，而在微重力下，反應(yīng)體系相對靜止，無法進(jìn)行微管的組裝。Buravkova和Romanov[26]認(rèn)為，血流對于血管的剪切應(yīng)力對內(nèi)皮細(xì)胞的形態(tài)功能有影響，微重力會導(dǎo)致切應(yīng)力的降低。李靜等[2]認(rèn)為微重力下，細(xì)胞的生理敏感性會降低，其對于切應(yīng)力的感知能力會下降，導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞功能的異常[27]。具體機(jī)制尚不清楚，目前的多種研究表明，細(xì)胞骨架對重力變化敏感，重力可影響到細(xì)胞骨架的組裝，進(jìn)而引起細(xì)胞功能的改變。

4 結(jié)語

綜上，失重或模擬失重環(huán)境下細(xì)胞骨架發(fā)生改變，導(dǎo)致其增殖、凋亡、信號傳導(dǎo)等功能發(fā)生改變，但具體其作用機(jī)制仍不清楚，有待進(jìn)一步研究。空間生物醫(yī)學(xué)的研究將為航天員的健康和航天事業(yè)做出重要貢獻(xiàn)，細(xì)胞骨架的具體作用機(jī)制以及如何有效改善航天員失重環(huán)境下血管功能的異常將是我們今后研究的重點(diǎn)。

1 Lees PJ. Cardiology in space［J］. Hellenic J Cardiol， 2005， 46（5）：320-323.

2 李靜，陳軍，錢彥方，等．模擬微重力導(dǎo)致人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞微管骨架重構(gòu)及增殖的影響［J］.現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)進(jìn)展，2012，12（28）：5415-5419．

3 Mariotti M， Maier JA. Gravitational unloading induces an antiangiogenic phenotype in human microvascular endothelial cells［J］. J Cell Biochem， 2008， 104（1）： 129-135.

4 Versari S， Villa A， Bradamante S， et al. Alterations of the actin cytoskeleton and increased nitric oxide synthesis are common features in human primary endothelial cell response to changes in gravity［J］. Biochim Biophys Acta， 2007， 1773（11）： 1645-1652.

5 王俊鋒，劉長庭，李向紅，等．血管內(nèi)皮生長因子在尾懸吊模擬失重大鼠肺組織中表達(dá)的研究［J］.中國病理生理雜志，2002，18（11）：1316．

6 Infanger M， Ulbrich C， Baatout S， et al. Modeled gravitational unloading induced downregulation of endothelin-1 in human endothelial cells［J］. J Cell Biochem， 2007， 101（6）： 1439-1455.

7 Infanger M， Kossmehl P， Shakibaei M， et al. Induction of threedimensional assembly and increase in apoptosis of human endothelial cells by simulated microgravity： impact of vascular endothelial growth factor［J］. Apoptosis， 2006， 11（5）： 749-764.

8 章燁，袁明，李婷，等．模擬失重對肺微血管內(nèi)皮細(xì)胞凋亡的影響［J］.軍醫(yī)進(jìn)修學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，30（1）：93-94．

9 沈羨云，陳建和，孟京瑞，等．模擬失重時(shí)兔血液中血管內(nèi)皮細(xì)胞數(shù)量的變化［J］.微循環(huán)學(xué)雜志，1997，7（2）：12-13．

10 康春燕，劉長庭，鄒琳，等．模擬微重力對人肺微血管內(nèi)皮細(xì)胞凋亡的影響［J］.解放軍醫(yī)學(xué)雜志，2010，35（11）：1315-1318．

11 Ma J， Kahwaji CI， Ni Z， et al. Effects of simulated microgravity on arterial nitric oxide synthase and nitrate and nitrite content［J］. J Appl Physiol （1985）， 2003， 94（1）： 83-92.

12 汪德生，孫磊，任維，等．尾部懸吊大鼠胸主動脈及肺動脈內(nèi)皮細(xì)胞一氧化氮合酶mRNA表達(dá)的動態(tài)變化［J］.航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，2001，14（5）：318-322．

13 張華，孫野青，張鳳蘊(yùn)，等．模擬微重力對人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞形態(tài)及NO產(chǎn)生的影響［J］.航天醫(yī)學(xué)與醫(yī)學(xué)工程，2005，18（5）：324-328．

14 Shi F， Wang YC， Zhao TZ， et al. Effects of simulated microgravity on human umbilical vein endothelial cell angiogenesis and role of the PI3K-Akt-eNOS signal pathway［J］. PLoS One， 2012， 7（7）：e40365.

15 戴鐘銓，李瑩輝，丁柏，等．模擬微重力誘導(dǎo)的細(xì)胞微絲變化影響COL1A1啟動子活性［J］.生理學(xué)報(bào)，2006，58（1）：53-57．

16 郭英華，郭娜，蘇龍翔，等．模擬失重對肺微血管內(nèi)皮細(xì)胞屏障功能的影響［J］.軍醫(yī)進(jìn)修學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，33（9）：950-952．

17 張華，王強(qiáng)，賈秀志，等．模擬微重力對人臍靜脈內(nèi)皮細(xì)胞微絲骨架的影響［J］.哈爾濱醫(yī)科大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，42（6）：553-555．

18 Lugg DJ. Behavioral health in Antarctica： implications for longduration space missions［J］. Aviat Space Environ Med， 2005， 76（6 Suppl）： B74-B77.

19 Spisni E， Toni M， Strillacci A， et al. Caveolae and caveolae constituents in mechanosensing： effect of modeled microgravity on cultured human endothelial cells［J］. Cell Biochem Biophys， 2006，46（2）： 155-164.

20 Hughes-Fulford M. Function of the cytoskeleton in gravisensing during spaceflight［J］. Adv Space Res， 2003， 32（8）： 1585-1593.

21 Cowin AJ， Kallincos N， Hatzirodos N， et al. Hepatocyte growth factor and macrophage-stimulating protein are upregulated during excisional wound repair in rats［J］. Cell Tissue Res， 2001， 306（2）： 239-250.

22 Lewis ML， Reynolds JL， Cubano LA， et al. Spaceflight alters microtubules and increases apoptosis in human lymphocytes （Jurkat）［J］. FASEB J， 1998， 12（11）： 1007-1018.

23 Schatten H， Lewis ML， Chakrabarti A. Spaceflight and clinorotation cause cytoskeleton and mitochondria changes and increases in apoptosis in cultured cells［J］. Acta Astronaut， 2001， 49（3/10）：399-418.

24 Tabony J， Pochon N， Papaseit C. Microtubule self-organisation depends upon gravity［J］. Adv Space Res， 2001， 28（4）： 529-535.

25 Papaseit C， Pochon N， Tabony J. Microtubule self-organization is gravity-dependent［J］. Proc Natl Acad Sci U S A， 2000， 97（15）：8364-8368.

26 Buravkova LB， Romanov YA. The role of cytoskeleton in cell changes under condition of simulated microgravity［J］. Acta Astronaut，2002， 48（5/12）： 647-650.

27 王曉東，齊穎新，張萍，等．切應(yīng)力條件下血管內(nèi)皮細(xì)胞細(xì)胞骨架形態(tài)結(jié)構(gòu)變化的定量分析［J］.醫(yī)用生物力學(xué)，2009，24（S1）：47-48．

Advances in effects of microgravity or simulated microgravity on vascular endothelial cells functions regulated by cytoskeleton

ZHANG Lijun2, XU Qin2, SUN Xiqing1, SHI Fei1, SUN Jing1, WANG Yongchun11Teaching and Research Section of Aerospace Biodynamics;2Student Brigade Fourth Military Medical University, Xi'an 710032, Shaanxi Province, China

WANG Yongchun. Email: wangych@fmmu.edu.cn

With the development of aviation, the health of astronauts in microgravity has aroused more attention. It has been reported that vascular endothelial cells are highly sensitive to gravity. The endothelium is located in a strategic anatomical position within the blood vessel wall and thereby plays a crucial role in maintaining physiological function, such as the integrity of the vasculature, material transfer, endocrine function and so on. However, the mechanism underlying the changes of endothelial cells function and structure induced by microgravity still remain to be fully elucidated. As the deepening research of aerospace medicine, it has been found that the cytoskeleton is very sensitive to the change of gravity. In microgravity, the vascular endothelial cell cytoskeleton will change, showing as the destruction of microf i lament and microtubule, which may result in the changes of cell proliferation, apoptosis and signal transduction function. The progresses in effects of microgravity or simulated microgravity on vascular endothelial cells functions regulated by cytoskeleton are reviewed in this article.

weightlessness; vascular endothelial cell; cytoskeleton; vascular endothelial cells function

R 852.22

A

2095-5227(2015)02-0187-03

10.3969/j.issn.2095-5227.2015.02.026

時(shí)間：2014-11-05 10:09

http://www.cnki.net/kcms/detail/11.3275.R.20141105.1009.002.html

2014-07-16

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(81372130；81171872；81301681；81301682)

Supported by the National Natural Science Foundation of China(81372130; 81171872; 81301681; 81301682)

張麗君，女，在讀本科。Email: 1127286495@qq.com

王永春，博士，副教授。Email: wangych@fmmu.edu.cn