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流体剪切应力通过血红素加氧酶-1 和铁调控胎盘生长因子的表达

2021-09-08     来源:Naturethink     点击次数:971

冠状动脉疾病 (CAD) 是世界范围内疾病死亡的主要原因之一。药物刺激动脉生成一直是一个长期追求的目标,因为动脉生成具有降低 CAD 死亡率和发病率的潜力。然而,通过施用单一外源性生长因子诱导动脉生成的早期尝试以失败而告终,很明显,为了开发安全有效的促动脉生成疗法,有必要对促成动脉生成的无数信号事件有更深入的了解。

胎盘生长因子 (PLGF) 是血管内皮生长因子 (VEGF) 家族的成员。PLGF 是一种有效的动脉生成剂,甚至比 VEGF-A更有效。PLGF 通过将单核细胞(仅表达 VEGFR-1)募集到血管壁来实现其动脉生成作用。

血红素加氧酶 (HO) 将血红素分解为等摩尔量的 CO、二价铁和胆绿素。HO有两种亚型:一个诱导型亚型 (HO-1) 和一个组成型表达亚型 (HO-2)。动脉生成随着年龄的增长而减弱,并且这种影响可能与异常 HO-1 表达和/或信号传导有关,因为在具有钝化动脉生成潜力的老龄大鼠中诱导 HO-1 可将外部血管重塑恢复到与年轻大鼠相当的水平。

最近,美国路易斯安那州立大学分子与细胞生理学系、宾夕法尼亚州匹兹堡大学儿科系、俄克拉荷马州立大学生理科学系的专家学者进行了相关研究。该团队之前曾报道,在体外血管壁共培养模型和离体小鼠肠系膜小动脉中,暴露于 FSS 可增加 PLGF 蛋白和 mRNA。可以确定的是,FSS 也增加内皮细胞中 HO-1 的激活和表达,这些效应依赖于 Nox 异构体产生的 ROS。这表明 HO-1 和 PLGF 之间可能存在联系。

因此,最新的研究假设 FSS 对 PLGF 的影响是由 HO-1 介导的。为了研究 HO-1 在 FSS 介导的 PLGF 调控中的作用,在内皮细胞/平滑肌细胞共培养模型和离体小鼠肠系膜小动脉中验证了这一假设。相关研究成果发表在 Scientific Reports  题为《Fluid shear stress regulates placental growth factor expression via heme oxygenase 1 and iron》。

 

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体外共培养模型说明:

(A) Transwell 插入式细胞培养小室被倒置并涂上凝胶,将 HCASMC 接种到底部。
(B) 孵育过夜后,将小室恢复到6孔板中过夜。
(C) 小室的顶部涂有明胶,接种 HCAEC 并孵育过夜。
(D) 在血清减少的培养基中进一步孵育过夜后,将细胞暴露于1.24 Pa的 FSS。

 

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实验结果

首先,将内皮/平滑肌共培养物暴露于1.24 Pa 的 FSS 2h,分别在暴露0h、4h 和 10h 后立即采集样本,测定实验处理后模型中 HO-1 的相对 mRNA 水平。在内皮细胞中,暴露于剪切应力后立即显著增加 HO-1 mRNA水平(静态对照的 1.40 ± 0.08 倍),且在暴露 4h 后仍明显增加(静态的 1.54 ± 0.18 倍)。暴露 10h 后,HO-1 mRNA 与对照无显著差异。

 

在平滑肌细胞中,HO-1 mRNA 在暴露于剪切应力后 4h 后显著增加(静态的 1.29 ± 0.11 倍),并在暴露10h 后保持升高(静态的 1.41 ± 0.13 倍)。
 

小鼠肠系膜小动脉暴露在高流量 (50 mmHg压力梯度) 下,与经受正常流量(20 mmHg 压力梯度)下的血管相比,HO-1 mRNA表达水平显著升高 (20 mmHg的14.43±4.48倍)。
 

之前报道过,FSS 在共培养模型和灌注血管中都增加了 PLGF 表达。为了确定 HO-1 在 FSS 诱导的 PLGF 表达中的作用,采用锌原卟啉 IX (ZPP) 抑制HO-1。ZPP (30 µM) 阻断了 FSS 对 PLGF 的影响,甚至将 PLGF 蛋白降低到低于静态对照水平。同样,在灌注血管中,ZPP (30µM) 阻止了血流增加对 PLGF mRNA 的影响。
 

HO-1 活性导致产生一氧化碳(CO),游离铁和胆绿素。接下来测试了这些分子中是否有一个或多个可以在血管细胞共培养中上调 PLGF 的表达。经 100µM 胆绿素 (也是 HO-1 的负反馈抑制剂) 处理 24h 后,PLGF 蛋白显著降低。
 

为了确定 CO 是否调节 PLGF 表达,用 CO 释放分子(CORM-A1,0-400 µM)处理共培养物 24h,CORM-A1 显著降低了在 200 µM 和 400 µM下的 PLGF 分泌。
 

最后,测试了铁对 PLGF 表达的影响。三价铁以柠檬酸铁铵 (FAC, 10-200µg/mL) 的形式存在,模拟了氯化血红素的作用,24h 后显著增加了 PLGF 水平;铁-次氮基三乙酸 (铁- NTA, 10-200 μM) 同样能提高 PLGF 水平;过氧化氢酶处理 (500 U/mL) 对 FAC 诱导的 PLGF 上调没有影响。

为了确定内皮细胞与平滑肌细胞 HO-1 活性在介导 FSS 对 PLGF 表达方面的相对重要性,在共培养模型中,使用 siRNA 分别敲低各细胞类型的 HO-1。内皮细胞中的 HO-1 敲低阻止了 FSS 诱导的 PLGF 表达。相比之下,平滑肌细胞中 HO-1 的敲低不影响 FSS 介导的 PLGF 增加。通过实时 PCR 确认了每种细胞类型的敲低。内皮细胞中的 HO-1 敲低不影响共培养的平滑肌细胞中的 HO-1 mRNA,反之亦然。

 

实验结论

总之,该研究证明了关键的动脉生成因子 PLGF 在响应 FSS 的生理刺激时受到 HO-1 的调控,这被认为是冠状循环中侧枝发育的重要信号。这项研究建立在对 HO-1 及其代谢物在血管重塑的基础上,揭示了 HO-1 发挥动脉生成作用的一种新的可能机制。


参考文献:Rashdan NA, Zhai B, Lovern PC. Fluid shear stress regulates placental growth factor expression via heme oxygenase 1 and iron. Sci Rep. 2021 Jul 21;11(1):14912. doi: 10.1038/s41598-021-94559-w. PMID: 34290391; PMCID: PMC8295300.
图片来源:所有图片均来源于参考文献

 

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