來自相同前體的成體干細(xì)胞在組織發(fā)育和再生方面具有潛在功能,，包括骨再生,、傷口愈合和血管修復(fù)。傳統(tǒng)上,，血管壁中受損的內(nèi)皮細(xì)胞被附近的內(nèi)皮細(xì)胞（EC）復(fù)制所取代,。然而，最近的研究結(jié)果對(duì)這一概念提出了挑戰(zhàn),，并指出干細(xì)胞也參與了血管修復(fù)的過程,。事實(shí)上，干細(xì)胞在血管修復(fù)中的潛在作用已經(jīng)通過大量的體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究確定,。

修復(fù)過程包括相關(guān)信號(hào)通路激活,、基因表達(dá)、氧化平衡和細(xì)胞骨架絲排列,?；谶@些成果，科學(xué)家們可以在體外使用有或沒有支架的干/祖細(xì)胞來制造適合臨床移植的生物工程血管,。然而,，影響生物工程血管成功利用的關(guān)鍵因素是心臟周期中血流產(chǎn)生的不同物理力的復(fù)制以及對(duì)這些物理力如何影響移植和駐留干細(xì)胞的生物學(xué)行為的理解。

血管中血流的生物力學(xué)模式非常復(fù)雜,。在這些類型的生物力學(xué)中,，剪切應(yīng)力（shear stress）和應(yīng)變應(yīng)力（strain stress）是主要的組成部分。許多研究已經(jīng)確定這兩種應(yīng)力有助于血管病變的修復(fù),，以及血管損傷和重塑,。重要的是，它們參與血管內(nèi)皮細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞（SMCs）的重排過程,，還調(diào)節(jié)多種干細(xì)胞的分化,，包括常駐或循環(huán)祖細(xì)胞和其他來源的干細(xì)胞。

為了更深入地了解干細(xì)胞對(duì)生物力學(xué)應(yīng)力的反應(yīng)及其機(jī)制,，四川大學(xué)再生醫(yī)學(xué)研究中心,、四川大學(xué)華西醫(yī)院心內(nèi)科、北京大學(xué)深圳醫(yī)院骨科生物材料國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心的聯(lián)合課題組的一篇綜述文章中,，總結(jié)了干細(xì)胞在血管修復(fù)中的應(yīng)用,，概述了生物力學(xué)應(yīng)力在血管損傷和修復(fù)中的作用，并強(qiáng)調(diào)了剪切應(yīng)力和應(yīng)變應(yīng)力如何調(diào)節(jié)干細(xì)胞用于血管修復(fù)的行為,。此外,，還討論了生物力學(xué)信號(hào)向干細(xì)胞的轉(zhuǎn)導(dǎo),。文章名為《Mechanoresponse of stem cells for vascular repair  Keywords: Shear stress; Stem cells; Strain stress; Vascular repair.》

用于血管修復(fù)的干細(xì)胞

在胚胎發(fā)育，成血管細(xì)胞的血管形成過程中,，外周內(nèi)皮祖細(xì)胞（EPCs）和內(nèi)部造血干細(xì)胞（HSCs）形成血島并參與血管修復(fù),。在血管修復(fù)過程中，HSCs 和間充質(zhì)干細(xì)胞（MSCs）等靜止干細(xì)胞從骨髓動(dòng)員到循環(huán)系統(tǒng)中,，分化為 EPCs（作為循環(huán) EPCs）,，并且是病變區(qū)域（它們可以接觸并感知血流）參與新血管形成（圖1）。這一現(xiàn)象表明,，成人新生血管的形成可能是干細(xì)胞增殖,、遷移和重塑的結(jié)果。

多項(xiàng)研究表明,，CD34⁺ CD133⁺ EPCs 可以分化為 ECs 并增強(qiáng)損傷血管以及移植血管中的血管生成,。此外，骨髓來源的MSCs 可以分化成多種細(xì)胞類型,，有助于血管重建。除此之外,，來自臍帶,、脂肪組織、牙髓和毛囊的 MSCs 在損傷條件下也有可能分化為 EPCs,。在血管修復(fù)初期,，一部分EPCs直接進(jìn)入血管內(nèi)膜，分化為血管生成活躍的ECs,，而另一部分EPCs則表現(xiàn)出增殖潛能,。

這些發(fā)現(xiàn)表明，血管修復(fù)可能是由干細(xì)胞與受損血管的某些微環(huán)境（如生物力學(xué)應(yīng)力）之間的相互作用引起的,。最近,，干細(xì)胞結(jié)合機(jī)械力已被用于研究和臨床。例如,，用支架和干細(xì)胞構(gòu)建的功能性血管在血管移植或損傷過程中具有促進(jìn)干細(xì)胞分化為 ECs 的潛力,。體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，內(nèi)表面和外膜側(cè)均被干細(xì)胞包圍的脫細(xì)胞血管支架在壓力驅(qū)動(dòng)的培養(yǎng)基灌注下可以感知生物力學(xué)力,。然后這些細(xì)胞在生物工程血管中分別由剪切應(yīng)力和應(yīng)變應(yīng)力誘導(dǎo)分化為 ECs 和 SMCs ,。

造血干細(xì)胞、MSCs,、循環(huán) EPCs（源自骨髓）和駐留 EPCs 等干細(xì)胞能夠感知激活信號(hào)（如剪切應(yīng)力改變,、急性缺血和缺氧損傷）。然后它們移動(dòng)到病變部位,，分化成ECs,，產(chǎn)生VEGF,、PDGF、SCDF等旁分泌信號(hào),，這些行動(dòng)參與了血管再生,。重要的是，駐留的 ECs 可以被激活為具有高周轉(zhuǎn)率的增殖類型,。

HSCs：造血干細(xì)胞,；MSCs：間充質(zhì)干細(xì)胞；EPCs：內(nèi)皮干細(xì)胞,；ECs：內(nèi)皮細(xì)胞,；VEGF：血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子；PDGF：血小板衍生生長(zhǎng)因子,；SCDF：基質(zhì)細(xì)胞衍生因子,。

生物力學(xué)應(yīng)力在血管損傷和修復(fù)中的應(yīng)用

生物力學(xué)的研究主要集中在平衡血管微環(huán)境中的作用，這與血管損傷和修復(fù)密切相關(guān),。血流包括兩種類型：層流和湍流,。層流分為三種類型，即穩(wěn)定流,、脈動(dòng)流和振蕩流,。在直動(dòng)脈區(qū)域，ECs 承受的脈動(dòng)剪切應(yīng)力通常在 10-20 dynes/cm2 之間,，最大值為 40 dynes/cm2,。在分支點(diǎn)、分叉處和曲率處,，ECs 受到 ± 4 dynes/cm2 的振蕩剪切應(yīng)力,，很容易發(fā)展為動(dòng)脈粥樣硬化。在生理?xiàng)l件下,，血管內(nèi)膜受到血液流動(dòng)引起的流體剪切應(yīng)力（平均 10-20 dynes/cm2）,。

動(dòng)脈血流模式對(duì)血管幾何形狀非常敏感，包括分支,、分叉和彎曲率,。ECs 在容易發(fā)展動(dòng)脈粥樣硬化的分支點(diǎn)處暴露于湍流或擾流。

最近,，已經(jīng)研究了生物力學(xué)應(yīng)力對(duì) EPCs,、MSCs 和其他類型干細(xì)胞的影響。機(jī)械應(yīng)力已被證明可在血管修復(fù)過程中增加 EPCs 的增殖,、分化,、動(dòng)力和募集（圖3）。此外,，細(xì)胞功能受生物力學(xué)應(yīng)力的影響,，包括激活流動(dòng)敏感離子通道,、增加細(xì)胞膜通透性、釋放幾種類型的激動(dòng)劑（三磷酸腺苷,、乙酰膽堿和一氧化二氮）,，以及細(xì)胞內(nèi)鈣（Ca²⁺）的動(dòng)員，來維持血管系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài),。同時(shí),，機(jī)械應(yīng)力調(diào)節(jié)關(guān)鍵的血管活性和生長(zhǎng)因子如內(nèi)皮素-1、一氧化氮合酶,、PDGF-A,、PDGF-B以及轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子 β1 的表達(dá)，這些因子對(duì)動(dòng)脈粥樣硬化具有保護(hù)作用,。

干細(xì)胞對(duì)剪切應(yīng)力的反應(yīng)

在各種機(jī)械刺激中,，剪切應(yīng)力是刺激干細(xì)胞和激活下游信號(hào)的關(guān)鍵因素。作為一種物理刺激,，在細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)接觸的粘著斑處起著至關(guān)重要的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)作用,。一旦細(xì)胞受到剪切應(yīng)力的刺激，在對(duì)剪切應(yīng)力作出反應(yīng)的初期,，幾種細(xì)胞就會(huì)將其轉(zhuǎn)化為生化信號(hào),，并傳遞到細(xì)胞核中以調(diào)節(jié)其生理反應(yīng)。幾個(gè)機(jī)械敏感分子和/或化合物在整個(gè)過程中充當(dāng)“看門人",。

該圖描述了整合素、VEGFR,、RTKs 和 GPCRs 等機(jī)械敏感分子如何感知剪切應(yīng)力,、誘導(dǎo)細(xì)胞骨架重組并激活各種信號(hào)通路，包括 Ras-PI3K-Akt,、Ras-JNK 和 PKC/PKA-MAPK-Akt,。這些信號(hào)級(jí)聯(lián)影響 EPC 的基因表達(dá)，最終調(diào)節(jié)血管的維持和重建,。

VEGFR：血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子受體,；GPCR：G蛋白偶聯(lián)受體；RTKs：受體酪氨酸激酶,；PKC：蛋白激酶C,；MAPK：絲裂原活化蛋白激酶；ERK：細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶,。

整合素已被證實(shí)可用作機(jī)械傳感器,。整合素和相關(guān)的 RhoA 小 GTPase 已被證實(shí)參與感知剪切應(yīng)力并將其轉(zhuǎn)化為調(diào)節(jié)基因表達(dá)的分子信號(hào)級(jí)聯(lián)的過程。抑制整合素 β1 可抑制粘著斑的形成,，從而反向驗(yàn)證其在血管修復(fù)中的作用,。

VEGF 受體2（VEGFR-2）是激活大多數(shù)生物力學(xué)壓力依賴性信號(hào)通路所必需的,。VEGFR 激酶抑制劑 SU1498 抑制剪切應(yīng)力誘導(dǎo)的 VEGFR2 磷酸化，可消除EPC向血管ECs 分化的誘導(dǎo),；抑制劑 SU1498 阻斷 EPCs 中剪切應(yīng)力誘導(dǎo)的 Notch 切割,，抑制 ephrinB2 的表達(dá)，在血管修復(fù)中發(fā)揮功能性作用,。

PKC-MAPK-ERK 受糖萼的調(diào)節(jié),，一旦血流開始，糖萼就會(huì)起作用,，這種信號(hào)激活是正常血管發(fā)育所必需的,。

G 蛋白偶聯(lián)受體（GPCRs）顯示出感知流體剪切應(yīng)力的能力，其機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)的精確分子機(jī)制已被廣泛研究,。血管緊張素II 受體1 型和緩激肽受體B2 等幾種 GPCRs 在血管生理學(xué)中用作機(jī)械傳感器,。

除了EPCs，還有其他類型的干細(xì)胞參與血管修復(fù)過程,，例如來源于脂肪,、肝臟和肌肉的MSCs和EPCs。研究發(fā)現(xiàn),，當(dāng)暴露于 0.5 dynes/cm2的層流剪切應(yīng)力 30 分鐘時(shí),，MSCs 會(huì)導(dǎo)性缺失和β-catenin 下游蛋白的上調(diào)，這些蛋白與心血管發(fā)育,、EC 保護(hù)和血管生成有關(guān),。當(dāng)血管損傷發(fā)生時(shí)，位于健康血管內(nèi)膜的 MSCs 可以遷移到受損區(qū)域并分化為 SMCs,。

干細(xì)胞對(duì)應(yīng)變應(yīng)力的反應(yīng)

血管壁受到約 100-150 kPa 的循環(huán)拉伸,，這是由脈動(dòng)血壓產(chǎn)生的。循環(huán)應(yīng)變是由流動(dòng)血液在一個(gè)心動(dòng)周期中的脈動(dòng)產(chǎn)生的,，以確保壁內(nèi)的 SMCs 保持活躍和收縮狀態(tài),。已發(fā)現(xiàn)幾種膜蛋白或化合物對(duì)拉伸具有機(jī)械敏感性，包括整合素,、G 蛋白,、受體酪氨酸激酶（RTKs）和離子通道。

該圖描述了整合素,、GPCRs 和離子通道等機(jī)械敏感分子如何感知應(yīng)變應(yīng)力并觸發(fā)下游信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng),，然后在血管修復(fù)過程中啟動(dòng)細(xì)胞事件的各種基因的轉(zhuǎn)錄和翻譯。

GPCR：G蛋白偶聯(lián)受體,；RTKs：受體酪氨酸激酶,；PKC：蛋白激酶C；MAPK：絲裂原活化蛋白激酶；ERK：細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶,。

通常,，施加在粘著斑上的應(yīng)變應(yīng)力會(huì)激活整合素及其下游級(jí)聯(lián)反應(yīng)，包括粘著斑激酶,、G 蛋白,、Rho 以及與干細(xì)胞分化相關(guān)的各種信號(hào)通路。

G 蛋白是響應(yīng)生物力學(xué)應(yīng)力的另一種重要的機(jī)械傳感器,。細(xì)胞上的應(yīng)變壓力允許 G 蛋白受體的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,，將機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)變成化學(xué)信號(hào)并激活進(jìn)一步的信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)。這些變化可能與離子通道和 RTKs 有關(guān),，它們被認(rèn)為是干細(xì)胞發(fā)育的調(diào)節(jié)因子,。

離子通道還調(diào)節(jié)循環(huán)機(jī)械應(yīng)變的傳導(dǎo)。作為無處不在的次級(jí)信使,，Ca2+ 連接細(xì)胞內(nèi)外,，維持細(xì)胞微環(huán)境的穩(wěn)態(tài)。研究表明,，拉伸刺激的離子通道誘導(dǎo) VSMCs 內(nèi) Ca2+ 內(nèi)流,，激活 PKC 信號(hào)通路，促進(jìn) VSMC 向病灶遷移,，加速傷口閉合,。這些機(jī)械傳感器之間存在相互作用，以加強(qiáng)應(yīng)變應(yīng)力對(duì)激活干細(xì)胞的影響,。

許多研究人員提出,，增加干細(xì)胞的數(shù)量對(duì)于實(shí)現(xiàn)充分的血管恢復(fù)和再生是必要的。因此,，如何安全有效地獲得足夠數(shù)量的干細(xì)胞,，同時(shí)又能保持其機(jī)械傳感潛能，仍然是面臨的主要挑戰(zhàn),。干細(xì)胞是一種很有前途的血管系統(tǒng)機(jī)械應(yīng)力傳感工具，但激活駐留的干細(xì)胞和循環(huán)干細(xì)胞的方法以及血管修復(fù)的潛在機(jī)制仍不清楚,。對(duì)干細(xì)胞如何響應(yīng)機(jī)械力的更深入了解應(yīng)該為血管疾病的治療開辟一個(gè)新的維度,，并增強(qiáng)基于干細(xì)胞策略的臨床轉(zhuǎn)化。

參考文獻(xiàn)：Tian GE, Zhou JT, Liu XJ, Huang YC. Mechanoresponse of stem cells for vascular repair. World J Stem Cells. 2019 Dec 26;11(12):1104-1114. doi: 10.4252/wjsc.v11.i12.1104. PMID: 31875871; PMCID: PMC6904862.

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