来自相同前体的成体干细胞在组织发育和再生方面具有潜在功能,包括骨再生、伤口愈合和血管修复。传统上,血管壁中受损的内皮细胞被附近的内皮细胞(EC)复制所取代。然而,最近的研究结果对这一概念提出了挑战,并指出干细胞也参与了血管修复的过程。事实上,干细胞在血管修复中的潜在作用已经通过大量的体外和体内实验研究确定。
修复过程包括相关信号通路激活、基因表达、氧化平衡和细胞骨架丝排列。基于这些成果,科学家们可以在体外使用有或没有支架的干/祖细胞来制造适合临床移植的生物工程血管。然而,影响生物工程血管成功利用的关键因素是心脏周期中血流产生的不同物理力的复制以及对这些物理力如何影响移植和驻留干细胞的生物学行为的理解。
血管中血流的生物力学模式非常复杂。在这些类型的生物力学中,剪切应力(shear stress)和应变应力(strain stress)是主要的组成部分。许多研究已经确定这两种应力有助于血管病变的修复,以及血管损伤和重塑。重要的是,它们参与血管内皮细胞和平滑肌细胞(SMCs)的重排过程,还调节多种干细胞的分化,包括常驻或循环祖细胞和其他来源的干细胞。
为了更深入地了解干细胞对生物力学应力的反应及其机制,四川大学再生医学研究中心、四川大学华西医院心内科、北京大学深圳医院骨科生物材料国家地方联合工程研究中心的联合课题组的一篇综述文章中,总结了干细胞在血管修复中的应用,概述了生物力学应力在血管损伤和修复中的作用,并强调了剪切应力和应变应力如何调节干细胞用于血管修复的行为。此外,还讨论了生物力学信号向干细胞的转导。文章名为《Mechanoresponse of stem cells for vascular repair Keywords: Shear stress; Stem cells; Strain stress; Vascular repair.》
用于血管修复的干细胞
在胚胎发育,成血管细胞的血管形成过程中,外周内皮祖细胞(EPCs)和内部造血干细胞(HSCs)形成血岛并参与血管修复。在血管修复过程中,HSCs 和间充质干细胞(MSCs)等静止干细胞从骨髓动员到循环系统中,分化为 EPCs(作为循环 EPCs),并且是病变区域(它们可以接触并感知血流)参与新血管形成(图1)。这一现象表明,成人新生血管的形成可能是干细胞增殖、迁移和重塑的结果。
多项研究表明,CD34+ CD133+ EPCs 可以分化为 ECs 并增强损伤血管以及移植血管中的血管生成。此外,骨髓来源的MSCs 可以分化成多种细胞类型,有助于血管重建。除此之外,来自脐带、脂肪组织、牙髓和毛囊的 MSCs 在损伤条件下也有可能分化为 EPCs。在血管修复初期,一部分EPCs直接进入血管内膜,分化为血管生成活跃的ECs,而另一部分EPCs则表现出增殖潜能。
这些发现表明,血管修复可能是由干细胞与受损血管的某些微环境(如生物力学应力)之间的相互作用引起的。最近,干细胞结合机械力已被用于研究和临床。例如,用支架和干细胞构建的功能性血管在血管移植或损伤过程中具有促进干细胞分化为 ECs 的潜力。体外实验发现,内表面和外膜侧均被干细胞包围的脱细胞血管支架在压力驱动的培养基灌注下可以感知生物力学力。然后这些细胞在生物工程血管中分别由剪切应力和应变应力诱导分化为 ECs 和 SMCs 。
造血干细胞、MSCs、循环 EPCs(源自骨髓)和驻留 EPCs 等干细胞能够感知激活信号(如剪切应力改变、急性缺血和缺氧损伤)。然后它们移动到病变部位,分化成ECs,产生VEGF、PDGF、SCDF等旁分泌信号,这些行动参与了血管再生。重要的是,驻留的 ECs 可以被激活为具有高周转率的增殖类型。
HSCs:造血干细胞;MSCs:间充质干细胞;EPCs:内皮干细胞;ECs:内皮细胞;VEGF:血管内皮生长因子;PDGF:血小板衍生生长因子;SCDF:基质细胞衍生因子。
生物力学应力在血管损伤和修复中的应用
生物力学的研究主要集中在平衡血管微环境中的作用,这与血管损伤和修复密切相关。血流包括两种类型:层流和湍流。层流分为三种类型,即稳定流、脉动流和振荡流。在直动脉区域,ECs 承受的脉动剪切应力通常在 10-20 dynes/cm2 之间,最大值为 40 dynes/cm2。在分支点、分叉处和曲率处,ECs 受到 ± 4 dynes/cm2 的振荡剪切应力,很容易发展为动脉粥样硬化。在生理条件下,血管内膜受到血液流动引起的流体剪切应力(平均 10-20 dynes/cm2)。
动脉血流模式对血管几何形状非常敏感,包括分支、分叉和弯曲率。ECs 在容易发展动脉粥样硬化的分支点处暴露于湍流或扰流。
最近,已经研究了生物力学应力对 EPCs、MSCs 和其他类型干细胞的影响。机械应力已被证明可在血管修复过程中增加 EPCs 的增殖、分化、动力和募集(图3)。此外,细胞功能受生物力学应力的影响,包括激活流动敏感离子通道、增加细胞膜通透性、释放几种类型的激动剂(三磷酸腺苷、乙酰胆碱和一氧化二氮),以及细胞内钙(Ca2+)的动员,来维持血管系统的稳态。同时,机械应力调节关键的血管活性和生长因子如内皮素-1、一氧化氮合酶、PDGF-A、PDGF-B以及转化生长因子 β1 的表达,这些因子对动脉粥样硬化具有保护作用。
干细胞对剪切应力的反应
在各种机械刺激中,剪切应力是刺激干细胞和激活下游信号的关键因素。作为一种物理刺激,在细胞与细胞外基质接触的粘着斑处起着至关重要的信号转导作用。一旦细胞受到剪切应力的刺激,在对剪切应力作出反应的初期,几种细胞就会将其转化为生化信号,并传递到细胞核中以调节其生理反应。几个机械敏感分子和/或化合物在整个过程中充当“看门人”。
该图描述了整合素、VEGFR、RTKs 和 GPCRs 等机械敏感分子如何感知剪切应力、诱导细胞骨架重组并激活各种信号通路,包括 Ras-PI3K-Akt、Ras-JNK 和 PKC/PKA-MAPK-Akt。这些信号级联影响 EPC 的基因表达,最终调节血管的维持和重建。
VEGFR:血管内皮生长因子受体;GPCR:G蛋白偶联受体;RTKs:受体酪氨酸激酶;PKC:蛋白激酶C;MAPK:丝裂原活化蛋白激酶;ERK:细胞外信号调节激酶。
整合素已被证实可用作机械传感器。整合素和相关的 RhoA 小 GTPase 已被证实参与感知剪切应力并将其转化为调节基因表达的分子信号级联的过程。抑制整合素 β1 可抑制粘着斑的形成,从而反向验证其在血管修复中的作用。
VEGF 受体2(VEGFR-2)是激活大多数生物力学压力依赖性信号通路所必需的。VEGFR 激酶抑制剂 SU1498 抑制剪切应力诱导的 VEGFR2 磷酸化,可消除EPC向血管ECs 分化的诱导;抑制剂 SU1498 阻断 EPCs 中剪切应力诱导的 Notch 切割,抑制 ephrinB2 的表达,在血管修复中发挥功能性作用。
PKC-MAPK-ERK 受糖萼的调节,一旦血流开始,糖萼就会起作用,这种信号激活是正常血管发育所必需的。
G 蛋白偶联受体(GPCRs)显示出感知流体剪切应力的能力,其机械转导的精确分子机制已被广泛研究。血管紧张素II 受体1 型和缓激肽受体B2 等几种 GPCRs 在血管生理学中用作机械传感器。
除了EPCs,还有其他类型的干细胞参与血管修复过程,例如来源于脂肪、肝脏和肌肉的MSCs和EPCs。研究发现,当暴露于 0.5 dynes/cm2的层流剪切应力 30 分钟时,MSCs 会导致极性缺失和β-catenin 下游蛋白的上调,这些蛋白与心血管发育、EC 保护和血管生成有关。当血管损伤发生时,位于健康血管内膜的 MSCs 可以迁移到受损区域并分化为 SMCs。
干细胞对应变应力的反应
血管壁受到约 100-150 kPa 的循环拉伸,这是由脉动血压产生的。循环应变是由流动血液在一个心动周期中的脉动产生的,以确保壁内的 SMCs 保持活跃和收缩状态。已发现几种膜蛋白或化合物对拉伸具有机械敏感性,包括整合素、G 蛋白、受体酪氨酸激酶(RTKs)和离子通道。
该图描述了整合素、GPCRs 和离子通道等机械敏感分子如何感知应变应力并触发下游信号级联反应,然后在血管修复过程中启动细胞事件的各种基因的转录和翻译。
GPCR:G蛋白偶联受体;RTKs:受体酪氨酸激酶;PKC:蛋白激酶C;MAPK:丝裂原活化蛋白激酶;ERK:细胞外信号调节激酶。
通常,施加在粘着斑上的应变应力会激活整合素及其下游级联反应,包括粘着斑激酶、G 蛋白、Rho 以及与干细胞分化相关的各种信号通路。
G 蛋白是响应生物力学应力的另一种重要的机械传感器。细胞上的应变压力允许 G 蛋白受体的结构发生变化,将机械信号转变成化学信号并激活进一步的信号级联反应。这些变化可能与离子通道和 RTKs 有关,它们被认为是干细胞发育的调节因子。
离子通道还调节循环机械应变的传导。作为无处不在的次级信使,Ca2+ 连接细胞内外,维持细胞微环境的稳态。研究表明,拉伸刺激的离子通道诱导 VSMCs 内 Ca2+ 内流,激活 PKC 信号通路,促进 VSMC 向病灶迁移,加速伤口闭合。这些机械传感器之间存在相互作用,以加强应变应力对激活干细胞的影响。
许多研究人员提出,增加干细胞的数量对于实现充分的血管恢复和再生是必要的。因此,如何安全有效地获得足够数量的干细胞,同时又能保持其机械传感潜能,仍然是面临的主要挑战。干细胞是一种很有前途的血管系统机械应力传感工具,但激活驻留的干细胞和循环干细胞的方法以及血管修复的潜在机制仍不清楚。对干细胞如何响应机械力的更深入了解应该为血管疾病的治疗开辟一个新的维度,并增强基于干细胞策略的临床转化。
参考文献: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.
原文链接:https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31875871/
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