心臟瓣膜的發(fā)育始于內(nèi)皮-間充質(zhì)轉(zhuǎn)化（EMT）,，其中瓣膜內(nèi)皮細(xì)胞（VEC）獲得間充質(zhì)標(biāo)志物并侵入內(nèi)皮下基質(zhì)形成心臟內(nèi)膜墊。EMT后,，這些細(xì)胞增殖并分化成細(xì)胞外基質(zhì)（ECM）,，產(chǎn)生瓣膜間質(zhì)細(xì)胞（VIC）。通過VEC和VIC的精確調(diào)控,，wan;quan舒張的心內(nèi)膜墊經(jīng)過ECM重塑并拉長成細(xì)長的瓣葉,。在此過程中,，生長和重塑受到干擾會導(dǎo)致瓣膜畸形，從而導(dǎo)致臨床上相關(guān)的心臟缺陷,。這種干擾的遺傳原因已經(jīng)被廣泛研究,，但只能解釋不到 20% 的臨床病例。機械應(yīng)力在調(diào)節(jié)瓣膜發(fā)育中的重要性已得到廣泛認(rèn)可,。振蕩剪切應(yīng)力 （OSS）促進 EMT,，其細(xì)胞和分子機制已得到充分了解。相比之下,，機械力在臨床上重要的EMT之后的生長和重塑中的作用仍然知之甚少,。

流動的血液在瓣膜上產(chǎn)生剪切和靜水應(yīng)力。剪切應(yīng)力與 VECs 直接接觸,，而靜水應(yīng)力在瓣膜中引起壓縮力和拉伸力,，并可傳遞到 VICs。已在成人組織中鑒定出多種機械敏感信號通路,，但它們與瓣膜形態(tài)發(fā)生的關(guān)系尚不清楚,。YAP信號是另一種被廣泛研究的機械活性通路，是Hippo 通路的轉(zhuǎn)錄輔因子,。已知YAP信號通過促進心肌細(xì)胞增殖來調(diào)節(jié)心室發(fā)育,。然而，它在 EndMT 后瓣膜形態(tài)發(fā)生中的作用知之甚少,。此外，YAP通路是否對不同細(xì)胞類型的不同應(yīng)力做出不同的反應(yīng),，以及這些機械反應(yīng)如何協(xié)同調(diào)節(jié)多種細(xì)胞類型以實現(xiàn)特定的組織形態(tài)發(fā)生,，尚不清楚。

最近,，美國康奈爾大學(xué)梅尼格生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院研究組在《eLife》發(fā)表了題為“Shear and hydrostatic stress regulate fetal heart valve remodeling through YAP-mediated mechanotransduction"的文章,，探討了剪切和靜水應(yīng)力調(diào)控瓣膜生長和重塑的機制。該團隊使用體外和離體模型來解耦剪切和靜水應(yīng)力對瓣膜尺寸和形狀的影響,，還研究了YAP介導(dǎo)的機械轉(zhuǎn)導(dǎo)在這些效應(yīng)中的作用,。通過結(jié)合這些模型，詳細(xì)闡述了剪切和靜水應(yīng)力如何調(diào)節(jié)VEC和VIC,，以確定瓣膜的合適尺寸和形狀,。

YAP表達(dá)受時空調(diào)控

實驗首先收集了野生型小鼠不同發(fā)育階段的胚胎心臟，并檢查了心臟瓣膜中的YAP激活情況,。結(jié)果發(fā)現(xiàn),，在E11.5（胚胎期）時，YAP在流出道（OFT）和房室（AV）緩沖層的間質(zhì)和內(nèi)皮中均有表達(dá),。在E14.5時,，VIC中YAP激活顯著升高,，然后在E17.5時下降。在后期重塑階段,，YAP激活的這種降低在房室瓣膜中是顯著的,，但在左室瓣膜中不明顯，因為所有瓣膜的發(fā)育并不均勻,。在流出側(cè)的VECs中,，細(xì)胞核YAP表達(dá)在后期重塑階段顯著增加。盡管在流入側(cè)的VECs中,，細(xì)胞質(zhì)YAP表達(dá)在所有階段都更強,。

此外，還在漢堡-漢密爾頓（Hamburger–Hamilton stages）階段（HH）25,、HH30和HH36檢測了雞胚胎心臟中YAP的活性,，它遵循相同的時空模式。VICs中的YAP激活在HH30激增,，然后在HH36下降,。流出側(cè)的VECs具有上調(diào)的核YAP表達(dá)，而流入側(cè)VECs的YAP表達(dá)主要在細(xì)胞質(zhì)中,。

進一步檢測YAP轉(zhuǎn)錄活性,，以確定YAP激活的上游。與E11.5或HH25緩沖層相比,，YAP靶基因THBS1,，ANKRD1和PTX3在E14.5和HH31處分別升高了近10倍。這些基因的表達(dá)隨后在重塑的后期階段顯著降低,。相比之下,，LATS1/2（Hippo 通路中YAP的上游）的基因表達(dá)在瓣膜生長和重塑過程中幾乎沒有變化。這表明YAP活性在很大程度上獨立于Hippo 通路,。

剪切和靜水應(yīng)力調(diào)節(jié)YAP活性

除了Hippo 通路的協(xié)同效應(yīng)外,，YAP也是機械轉(zhuǎn)導(dǎo)的關(guān)鍵介質(zhì)。事實上,，YAP的時空激活與機械環(huán)境的變化相關(guān),。在瓣膜重塑過程中，單向剪切應(yīng)力（USS）在瓣膜的流入表面上產(chǎn)生,，其中YAP很少在VECs的核中表達(dá)（圖1 A）,。另一方面，振蕩剪切應(yīng)力（OSS）在流出表面上發(fā)生,，其中核YAP定位在VECs,。VICs中的YAP激活也與靜水應(yīng)力相關(guān)。應(yīng)力在瓣膜jian;duan產(chǎn)生壓應(yīng)力（CS）,，其中核 YAP 定位在 VICs（圖1 B）,。盡管拉伸應(yīng)力（TS）是在伸長區(qū)域產(chǎn)生的,，但YAP在VIC核中不存在。

為了研究剪切應(yīng)力對VECs中YAP活性的影響,，實驗將USS和OSS直接應(yīng)用于VECs,，發(fā)現(xiàn)低OSS（2 dyn/cm2）促進 VEC 中的 YAP 核易位（圖1 C、E）,，而高USS （20 dyn/cm2）抑制了細(xì)胞質(zhì)中的YAP,。

為了研究靜水應(yīng)力對VICs中YAP活化的影響，實驗使用具有不同滲透壓的培養(yǎng)基來模擬CS和TS,。在不同負(fù)荷條件下培養(yǎng)HH27 AV緩沖層外植體24 h,，發(fā)現(xiàn)梯形緩沖層呈球形（圖1 D）。TS加載后緩沖層顯著壓縮,，VICs中YAP活化顯著低于CS加載的VICs（圖1 F）,。

圖1   剪切應(yīng)力和靜水應(yīng)力調(diào)節(jié)YAP活性。

YAP的缺失限制了細(xì)胞增殖并促進瓣膜成形

為了研究YAP在瓣膜生長和重塑中的功能,，在CS（促生長）和U（卸載）條件下添加了YAP的藥理學(xué)抑制劑維替泊芬（VP）,。抑制YAP減小了緩沖層的大小。與在CS下培養(yǎng)的緩沖層的球形狀相反,，在具有VP的培養(yǎng)基中培養(yǎng)的瓣膜保持其梯形形狀,。進一步的研究表明，YAP的缺失顯著抑制了VIC的增殖,。此外,，YAP抑制顯著增強了VECs之間VE-鈣粘蛋白的表達(dá)。緩沖層通常只有一層內(nèi)皮,，但YAP抑制的瓣膜顯示五層或更多層內(nèi)皮,。

激活YAP促進細(xì)胞增殖并抑制瓣膜伸長

為了研究YAP的功能獲得性，在TS（促壓縮）和U條件下添加一個YAP 轉(zhuǎn)錄活性的特異激活劑PY-60,。YAP激活扭轉(zhuǎn)了瓣膜在TS和U條件下的壓縮趨勢，并推動了瓣膜尺寸的增長（圖2 A,、B）,。所有瓣膜都呈球形，無論它們是生長還是被壓縮,。pHH3染色顯示,，無論加載條件如何，YAP活化顯著提高了VIC增殖（圖2 C,、G）,。VE-鈣粘蛋白在YAP活化的內(nèi)皮中的表達(dá)明顯弱于YAP被抑制的內(nèi)皮（圖2 D）。

圖2   激活YAP可促進細(xì)胞增殖,，抑制瓣膜伸長,。

抑制YAP促進體內(nèi)樣剛度增加

為了評估YAP在瓣膜剛度中的作用,，實驗測量了VP或PY-60處理的緩沖層外植體的應(yīng)變能量密度。這種方法已被應(yīng)用測量不同發(fā)育階段雛雞胚胎瓣膜的機械性能,。結(jié)果表明,，從HH25到HH34，瓣膜剛度幾乎呈線性增長,，幾乎每24小時翻一番,。在這項研究中發(fā)現(xiàn)，抑制YAP在24小時培養(yǎng)期間也給出了類似的硬度增加（圖2 H）,。盡管YAP激活和抑制都增加了瓣膜剛度,，但激活YAP后瓣膜的剛度僅為抑制YAP時的一半。

體內(nèi)機械操作導(dǎo)致瓣膜缺損和YAP失調(diào)

為了操縱體內(nèi)的機械力,，實驗在AV緩沖層生長的早期階段（HH24）進行了左心房結(jié)扎（LAL）,。LAL限制了左心室的血流，導(dǎo)致左室瓣膜的血流動力學(xué)應(yīng)力和剪切應(yīng)力降低,，但右室瓣膜的力增加,。結(jié)果，LAL瓣膜和心臟（圖3 A）的尺寸小于對照瓣膜和心臟（圖3 B）,。具體而言,，LAL導(dǎo)致左房室間隔瓣發(fā)育不全且呈球形，而右房室間隔瓣過度發(fā)育和拉長,。這與正常的瓣膜發(fā)育相反,，在正常瓣膜發(fā)育期間，左房室瓣膜的尺寸要大得多,，并且更細(xì)長（圖3 C）,。對照組中YAP激活在左右AV中均較高，而LAL導(dǎo)致不平衡的YAP激活：右室AV YAP激活高,，而左室AV激活顯著降低（圖3 D）,。

圖3   中斷的生物力學(xué)改變了YAP的激活并導(dǎo)致體內(nèi)瓣膜缺損。

圖4   剪切應(yīng)力和靜水應(yīng)力的局部協(xié)作可以通過YAP信號引導(dǎo)復(fù)雜的形態(tài)發(fā)生,。

（A）房室管或 OFT 中對稱心內(nèi)膜墊的模型,。（B）模型的橫截面顯示流動的血液在緩沖層上產(chǎn)生靜水應(yīng)力和剪切應(yīng)力。（C）振蕩剪切應(yīng)力（OSS）和壓應(yīng)力（CS）分別促進了VEC和VIC的YAP核易位,。單向剪切應(yīng)力（USS）抑制了YAP核易位,。CS通過刺激間充質(zhì)細(xì)胞的增殖來促進緩沖層生長。（D）剪切應(yīng)力通過調(diào)節(jié)VECs之間的細(xì)胞-細(xì)胞粘附來驅(qū)動緩沖層重塑為小葉結(jié)構(gòu),。（E）拉伸應(yīng)力（TS）抑制YAP核易位與USS共同作用,，形成緊湊而細(xì)長的形態(tài)。

總之，該研究表明,，剪切應(yīng)力和靜水應(yīng)力的時空協(xié)調(diào)機械轉(zhuǎn)導(dǎo)是瓣膜生長和重塑所必需的,。剪切應(yīng)力和靜水應(yīng)力可以通過YAP通路調(diào)節(jié)VEC張力和VIC增殖，從而決定瓣膜的尺寸和形狀,。功能失調(diào)的YAP信號可能導(dǎo)致瓣膜畸形,，但不正確的局部機械信號傳導(dǎo)會帶來更重要的畸形風(fēng)險，即使YAP信號功能齊全且沒有基因突變,。其中所提出的機械生物學(xué)系統(tǒng)還可以通過影響力或在特定階段靶向YAP通路來控制瓣膜生長和改變瓣膜形狀,。

參考文獻：Wang M, Lin BY, Sun S, Dai C, Long F, Butcher JT. Shear and hydrostatic stress regulate fetal heart valve remodeling through YAP-mediated mechanotransduction. Elife. 2023 Apr 20;12:e83209. doi: 10.7554/eLife.83209. PMID: 37078699; PMCID: PMC10162797.

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