楊文慧 綜述，郭　濤,楊　莉 審校

(1.昆明醫(yī)科大學附屬延安醫(yī)院老年病科　650051；2.昆明醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院心內科　650032)

剪切力促側支動脈重塑研究進展

楊文慧1綜述，郭濤2△,楊莉1審校

(1.昆明醫(yī)科大學附屬延安醫(yī)院老年病科650051；2.昆明醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院心內科650032)

[關鍵詞]剪切力；側支動脈；動脈生成

冠心病治療措施包括冠狀動脈介入治療(PCI)、冠狀動脈旁路移植術(CABG)和藥物治療等。對于穩(wěn)定型冠心病患者，PCI可減輕缺血癥狀但未能延長生存；CABG可改善多支血管病變伴左室功能降低冠心病患者心肌灌注、延長患者生存，但有較大手術風險；以他汀類藥物為基礎的藥物治療僅適度減輕斑塊負荷、防止冠脈內形成血栓，尚不能逆轉居高不下的冠心病病死率和病殘率。鑒于PCI、CABG的潛在風險和現(xiàn)有藥物的局限性，探索心肌內側支動脈新生的方法成為新的研究方向。

1動脈生成的概念

動脈生成指急性動脈閉塞后，缺血區(qū)原有的細小動脈吻合支或側支循環(huán)的小動脈代償性生長、擴張。動脈生成包括4個階段[1]。第1階段出現(xiàn)在急性動脈阻塞或者嚴重狹窄后2 d,內皮細胞(EC)和平滑肌細胞(SMC)進入合成和增殖階段，血管通透性增加。1 d后，骨髓來源的單核細胞在趨化因子作用下遷徙至病變處。第2階段，細胞外基質和側支小動脈的內彈性膜被消化，SMC和EC開始大量增殖。第3階段小動脈重塑為管徑較大的血管。SMC建立細胞間連接并在環(huán)形肌層中生長。同時，新合成的彈性蛋白和膠原蛋白形成新的支架結構。第4階段，“修枝”現(xiàn)象出現(xiàn)，一些較小的血管退化，另一些則直徑明顯增大。側支循環(huán)的重建可恢復正常冠狀動脈最大血流的30%，外周動脈最大血流的50%[2]。心肌梗死發(fā)生后，心肌損傷范圍大小不一，但通常小于閉塞冠脈灌注的范圍。原因在于人類心臟存在由吻合側支構建的血管網絡。這種側枝血管網絡胚胎時期就已存在，適宜條件下可生長、發(fā)育，形成有功能的側支循環(huán)。心肌梗死后側支血管發(fā)揮多少代償保護作用取決于側支血管的直徑。健康者冠脈吻合支直徑通常小于200 μm，當冠脈急性閉塞或嚴重狹窄時其代償作用不足以避免大面積心肌梗死發(fā)生。而當側支動脈的直徑達到500～800 μm時，心肌梗死的范圍和病死率將降低[3]。心肌梗死區(qū)存較高評分的側支動脈與顯著降低的心力衰竭風險和遠期病死率相關[4]。

2動脈生成的啟動

目前發(fā)現(xiàn)，在自然狀態(tài)下流體剪切力是動脈阻塞或嚴重狹窄后動脈生成的主要觸發(fā)因素[5-6]。阻塞或嚴重狹窄的出現(xiàn)使阻塞血管的近端和阻塞遠端之間形成了一個大的壓力梯度，導致側支血流和剪切力均明顯增加，增加的剪切力可激活核因子κB(NK-κB)，后者上調一氧化氮(NO)并導致最初的側支動脈擴張。

有學者認為，除剪切力外，圓周應力在動脈生產的起始也很重要，并與剪切力協(xié)同作用。圓周應力和徑向應力的增加可導致激活物蛋白-1(AP-1)介導的單核細胞趨化蛋白(MCP-1)在平滑肌細胞中表達增多，這是動脈生成的關鍵步驟[7]。而Pipp等[8]報道在閉塞的豬股動脈遠端和伴行靜脈之間建立動靜脈分流，閉塞遠端的血流明顯增加并且壓力降低，使剪切力明顯增加而圓周應力則下降，而側支血流卻增加了2.3倍，大于無動靜脈分流情況下最大流量的40%。圓周應力和徑向應力在動脈生成過程中是否發(fā)揮重要作用至今仍有爭論。

3機械剪切力對血管內皮細胞的生物效應

流體剪切力直接作用于血管內皮細胞膜和膜結構上。將剪切力傳導進入細胞的結構包括有小窩(caveolae)、整合素(integrin)、紐蛋白(vinculin)、踝蛋白(talin)以及樁蛋白(paxillin)等。剪切力增加的初期，內皮細胞發(fā)生了很多的變化，包括NO釋放，G蛋白激活，蛋白激酶C激活，血小板內皮細胞黏附分子(PECAM-1)的酪氨酸磷酸化以及細胞遷徙。然而，剪切力信號傳導詳細而復雜的機制仍不完全清楚。

有研究發(fā)現(xiàn)，內皮細胞通過野香草相關瞬時感受器電位蛋白(TRPV4)感知剪切力變化。TRPV4是一種鈣離子(Ca2+)通道，在剪切力的作用下細胞內Ca2+濃度增加并導致血管擴張[9]。在剪切力增加最初的3 h內，內皮細胞變長并產生較多張力纖維，細胞間結合部增厚且形成較多的微絲。6 h后，內皮細胞顯示出運動特性，細胞失去了稠密的周圍帶，較多的微管組織和細胞核集中到細胞的上游區(qū)域。12 h后，內皮細胞開始變長并朝著液體流動的方向排列。細胞內的張力纖維增厚變長，細胞結合部和微絲的厚度增加。這些改變像是形成一種新的細胞支架結構并且隨著剪切力的改變而改變。在內皮細胞機械傳導的模型中，肌動蛋白細胞骨架將細胞外的流體剪切力從細胞的一個部分傳遞至另一個部分，肌動蛋白細胞骨架斷裂后剪切力介導的信號傳遞失效。

4動脈生成的細胞內信號轉導

內皮細胞暴露于增強的剪切力后30～60 s內，PECAM-1即發(fā)生酪氨酸磷酸化[10]。流體剪切力對內皮細胞的機械作用時，在PECAM-1扮演了機械刺激感受器的作用；PECAM-1磷酸化后，可調節(jié)SHP-2(Src同源區(qū)2的蛋白酪氨酸磷酸酶)和Gab1(Grb2-associated binder)蛋白轉位至細胞連接點。SHP-2 和Gab1均參與細胞應答時細胞外信號調節(jié)激酶(ERK)的激活。磷酸化的PECAM-1與SHP-2結合。SHP-2反過來再與Gab1結合，后者激活SHP-2磷酸酶的活性，并可能導致PECAM-1脫去磷酸。PECAM-1、SHP-2 和Gab1之間的相互作用可產生信號并激活ERK途徑。因此，可通過SHP-2對流體剪切力的動態(tài)改變而不斷磷酸化和去磷酸化來連續(xù)監(jiān)測流體剪切力。這可能在機械力傳導通路中擔任關鍵步驟。有研究報道，將PECAM敲出小鼠股動脈阻塞，3周后檢測其遠端血流灌注，結果發(fā)現(xiàn)野生型小鼠足底的血液灌注增加達189.8%而PECAM敲出小鼠僅增加65.5%[11]。提示PECAM-1在動脈生成反應中可能發(fā)揮重要作用。

在剪切力的作用下，PECAM-1、MCP-1、eNOS和細胞間黏附分子(ICAM-1)等眾多基因表達并激活了多條通路，使處于靜止狀態(tài)、黏附傾向低的內皮細胞活化并釋放炎癥趨化因子和生長因子，從而促進單核細胞的吸引、活化和黏附。在動脈生成的起始階段有NF-κB[12]、NO、Ras-ERK信號轉導通路以及Rho信號通路[13]的激活。內皮細胞暴露于流體剪切力5～10 min后ERK途徑就被激活。在離體小鼠腸系膜動脈分支的原位模型中發(fā)現(xiàn)，轉錄因子AP-1在ERK-1、ERK-2作用下被激活，并能增強MCP-1在內皮和血管平滑肌細胞的表達。由AP-1介導的MCP-1表達顯著增加被公認是動脈生成的主要事件。MCP-1是β趨化因子受體、C-C家族趨化因子受體2(CC chemokine receptor 2,CCR2)和C-C家族趨化因子受體4(CC chemokine receptor 4,CCR4)的有效激動劑，這3個受體主要由單核細胞表達。缺乏CCR2的小鼠其動脈生成受損。然而，當內皮層被機械性移除后，MCP-1的轉錄并未發(fā)生明顯的改變。流體剪切力作用于內皮是否是動脈生成惟一的觸發(fā)因素，或者壓力相關的圓周應力作用于內皮下的平滑肌細胞也起到始動因素的作用，這些問題仍有待進一步研究。

盡管如此,MCP-1 表達增高可吸引單核細胞附著并浸入到冠狀動脈側支的內皮或者是外周側支血管的外膜間隙。將股動脈閉塞后局部注入MCP-1 可增加側支血流傳導。在內皮細胞表面，黏附分子例如選擇素類、ICAM-1、ICAM-2和血管細胞黏附分子-1 (VCAM-1) 表達增多并集簇在黏著斑附近[14]。 MCP-1和VEGF可提高整合素在單核細胞的表達，從而增強黏附作用。然后，單核細胞上的整合素、巨噬細胞抗原復合體-1(macrophage antigen complex-1， Mac-1)和淋巴細胞功能相關抗原-1(lymphocyte functionassociated antigen-1 ，LFA-1)與內皮細胞上的黏附分子ICAM-1、ICAM-2和VCAM-1結合，并集中到黏著斑復合體。整合素與黏附分子的結合介導了單核細胞從血管內皮遷移至血管外膜和血管周間隙?？笽CAM-1或者β2-integrins單克隆抗體可阻斷側支動脈生成過程中單核細胞的黏附和遷移[15]。

5血管周圍組織間隙的重塑

一旦循環(huán)中的單核細胞歸巢到動脈生成的位點并且遷移進入血管周間隙，它們將發(fā)育為成熟的巨噬細胞[16]，并且產生大量的炎癥趨化因子包括MCP-1、腫瘤壞死因子α(TNF-α)、精氨酸酶-1(arginase-1)和基質金屬蛋白酶(MMP)等。動脈生成過程中，在血管外膜巨噬細胞內粒細胞-巨噬細胞集落刺激因子(GM-CSF)的作用下,MMP-12 和 MMP-14表達明顯上調[17]。這些酶類聯(lián)合作用降解現(xiàn)存的纖維支架，創(chuàng)造動脈生長的空間，并重塑側支動脈的管壁。轉化生長因子-β(TGF-β)在血管平滑肌細胞內可增加膠原蛋白的表達[18]。新合成的膠原蛋白和彈性蛋白鋪設形成新的支架結構，平滑細胞在新的支架上增殖形成一個管徑更粗的血管。

6血管內皮細胞和平滑肌細胞的增殖

巨噬細胞和少量的內皮細胞在增殖階段上調生長因子的表達，包括堿性成纖維細胞因子(bFGF)、血小板源性生長因子(PDGF-B)和 TGF-β1。研究發(fā)現(xiàn)，VEGF-A和FGF-4過表達后可促進毛細血管的增生并刺激其管壁重塑[19]。側支動脈的內皮細胞可表達VEGF，從而增加平滑肌細胞內MCP-1 的表達。用拮抗劑封閉VEGFR信號可以完全消除運動性動脈生成模型中側支血流的增加和動脈的擴大。關于剪切力如何導致VEGF信號增加的細節(jié)并不清楚。VEGF是內皮細胞的強大的促細胞分裂劑，VEGF-A在生長中的側支動脈內皮細胞表面表達并誘導內皮細胞增殖。盡管如此，VEGF對平滑肌細胞的增殖并沒有直接的作用。流體剪切力作用于內皮細胞后導致大量平滑肌細胞增殖的機理仍不清楚。

國內外研究發(fā)現(xiàn)，體外心臟震波(CSWT)釋放的低能量機械震蕩波類似聚焦超聲波，可在心肌組織細胞間產生“空穴效應”并形成大量微氣泡，微氣泡膨脹繼而發(fā)生非球面性破裂，對微氣泡周圍的心肌細胞形成快速而短暫的剪切力，在原有微血管床基礎上促進新生血管形成，改善心肌灌注[20-21]。多項隨機雙盲安慰劑對照研究顯示[22-24]，CSWT可改善冠心病患者心肌灌注和心肌代謝，減輕心絞痛癥狀，減少硝酸甘油用量，改善心功能，提高運動耐量，并且具有安全性。動物及細胞試驗也證實CSWT上調血管內皮生長因子、促進血管內皮細胞增殖、促缺血組織中毛細血管新生，改善豬AMI模型的冠脈側支循環(huán)[25]。改善缺血組織血循環(huán)與血管新生和動脈生成密切相關，且動脈生成可能發(fā)揮更加重要的作用。研究剪切力促動脈生成、重塑側支循環(huán)將是治療缺血性血管疾病的重要進展。

參考文獻

[1]Troidl K,Schaper W.Arteriogenesis versus angiogenesis in peripheral artery disease[J].Diabetes Metab Res Rev,2012,28 Suppl 1:S27-29.

[2]Meier P,Schirmer SH,Lansky AJ,et al.The collateral circulation of the heart[J].BMC Med,2013,11:143.

[3]Xiang FL,Liu Y,Lu X,et al.Cardiac-specific overexpression of human stem cell factor promotes epicardial activation and arteriogenesis after myocardial infarction[J].Circ Heart Fail,2014,7(5):831-842.

[4]Steg PG,Kerner A,Mancini GB,et al.Impact of collateral flow to the occluded infarctrelated artery on clinical outcomes in patients with recent myocardial infarction:A report from the randomized occluded artery trial[J].Circulation,2010,121(25):2724-2730.

[5]Oh CC,Klein JD,Migrino RQ,et al.Growing collateral arteries on demand[J].Recent Pat Cardiovasc Drug Discov,2011,6(3):189-198.

[6]Seghers L,de Vries MR,Pardali E,et al.Shear induced collateral artery growth modulated by endoglin but not by ALK1[J].J Cell Mol Med,2012,16(10):2440-2450.

[7]Dyer L,Pi X,Patterson C.Connecting the coronaries:how the coronary plexus develops and is functionalized[J].Dev Biol,2014,395(1):111-119.

[8]Pipp F,Boehm S,Cai WJ,et al.Elevated fluid shear stress enhances postocclusive collateral artery growth and gene expression in the pig hind limb[J].Arterioscler Thromb Vasc Biol,2004,24:1664-1668.

[9]Bubolz AH,Mendoza SA,Zheng X,et al.Activation of endothelial TRPV4 channels mediates flow-induced dilation in human coronary arterioles:role of Ca2+entry and mitochondrial ROS signaling[J].Am J Physiol Heart Circ Physiol,2012,302(3):634-642.

[10]Conway DE,Breckenridge MT,Hinde E,et al.Fluid shear stress on endothelial cells modulates mechanical tension across VE-cadherin and PECAM-1[J].Curr Biol,2013,23(11):1024-1030.

[11]Chen Z,Rubin J,Tzima E.Role of PECAM-1 in arteriogenesis and specification of preexisting collaterals[J].Circ Res,2010,107(11):1355-1363.

[12]Tzima E,Irani-Tehrani M,Kiosses WB,et al.A mechanosensory complex that mediates the endothelial cell response to fluid shear stress[J].Nature,2005,437(7057):426-431.

[13]Eitenmüller I,Volger O,Kluge A,et al.The range of adaptation by collateral vessels after femoral artery occlusion[J].Circ Res,2006,99(6):656-662.

[14]Heil M,Schaper W.Influence of mechanical,cellular,and molecular factors on collateral artery growth (arteriogenesis)[J].Circ Res,2004,95(5):449-458.

[15]Jaipersad AS,Lip GY,Silverman S,et al.The role of monocytes in angiogenesis and atherosclerosis[J].J Am Coll Cardiol,2014,63(1):1-11.

[16]Bruce AC,Kelly-Goss MR,Heuslein JL,et al.Monocytes are recruited from venules during arteriogenesis in the murine spinotrapezius ligation model[J].Arterioscler Thromb Vasc Biol,2014,34(9):2012-2022.

[17]Yang BL,Wu S,Wu X,et al.Effect of shunting of collateral flow into the venous system on arteriogenesis and angiogenesis in rabbit hind limb[J].Acta Histochem Cytochem,2013,46(1):1-10.

[18]Sager HB,Middendorff R,Rauche K,et al.Temporal patterns of blood flow and nitric oxide synthase expression affect macrophage accumulation and proliferation during collateral growth[J].J Angiogenes Res,2010,2(1):18.

[19]Jazwa A,Tomczyk M,Taha HM,et al.Arteriogenic therapy based on simultaneous delivery of VEGF-A and FGF4 genes improves the recovery from acute limb ischemia[J].Vasc Cell,2013,13(1):13.

[20]Wang Y,Guo T,Ma TK,et al.A modified regimen of extracorporeal cardiac shock wave therapy for treatment of coronary artery disease[J].Cardiovasc Ultrasound,2012,10(8):789-790.

[21]Di Meglio F,Nurzynska D,Castaldo C,et al.Cardiac shock wave therapy:assessment of safety and new insights into mechanisms of tissue regeneration[J].J Cell Mol Med,2012,16(4):936-942.

[22]Gabrusenko SA,Malakhov VV,Shitov VN,et al.An experience of the use of a curative method of cardiac shock wave therapy in patients with ischemic heart disease[J].Kardiologiia,2013,53(5):20-26.

[23]Ito K,Fukumoto Y,Shimokawa H.Extracorporeal shock wave therapy for ischemic cardiovascular disorders[J].Am J Cardiovasc Drugs,2011,11(5):295-302.

[24]Yang P,Guo T,Wang W,et al.Randomized and double-blind controlled clinical trial of extracorporeal cardiac shock wave therapy for coronary heart disease[J].Heart Vessels,2013,28(3):284-291.

[25]Tao SM,Guo T,Wang Y,et al.Extracorporeal cardiac shock wave therapy improved myocardial micro-vascular circulation after acute myocardial infarction at early stage in pigs[J].Sichuan Da Xue Xue Bao Yi Xue Ban,2011,42(2):222-226.

doi:·綜述·10.3969/j.issn.1671-8348.2016.02.039

基金項目：國家自然科學基金資助項目(81260027)；云南省應用基礎研究項目(2014FZ051)。

作者簡介：楊文慧(1982-)，主治醫(yī)師，在讀博士，主要從事心血管病學的研究。 △通訊作者，E-mail:guotao20@hotmail.com。

[中圖分類號]R543

[文獻標識碼]A

[文章編號]1671-8348(2016)02-0257-03

(收稿日期：2015-07-15修回日期：2015-08-03)