Vascular Inflammatory Diseases and Endothelial Phenotypes

Keywords: EC phenotypes; endothelial cell; inflammation; vascular diseases.

内皮细胞排列在管腔表面，充当分隔血液和周围组织的屏障。其动态和异质结构影响各种重要过程，如血管通透性、体内稳态、血管生成、代谢、炎症细胞运输、血管舒缩张力和免疫。一氧化氮（NO）是健康血管内皮的关键组成部分，通过防止血栓形成、细胞增殖和炎症来帮助血管壁维持静息状态。这种静息的、以 NO 为主的内皮表型很可能是由层状剪切应力维持的。

血管疾病是内皮功能障碍的结果，在病理情况下通常被称为内皮活化。从静息表型到参与宿主防御反应的表型的变化由内皮激活表示。事实上，大多数心血管危险因素会触发基于内皮的分子机制，导致趋化因子、细胞因子和粘附分子的表达，这些分子旨在与白细胞和血小板相互作用，并靶向特定部位的炎症以消除病原体。根据促炎刺激的类型、严重程度、持续时间和组合，内皮活化和氧化还原信号转导可能会促进宿主防御或引发血管炎性疾病。越来越多的证据表明，内皮功能障碍是与病理状态相关的多种心血管疾病的标志，包括血管收缩、白细胞粘附、血栓形成和炎症状态。多项研究正专注于寻找其中涉及的途径和机制。

鉴于此，韩国仁济大学生物工程系课题组就 ECs 对血管炎症性疾病影响的最新研究进展进行了综述，讨论了 EC 特异性剪切应力信号传导的内皮表型和刺激以及与 EC 炎症表型相关的几种重要血管疾病。研究内容发表于 CELLS 期刊题为“Vascular Inflammatory Diseases and Endothelial Phenotypes”。

剪切应力对血管内皮的影响

内皮细胞在心血管稳态中起着至关重要的作用。血流特性的改变通过血流动力学力量控制健康和疾病条件下的血管生理学和病理学。血流动力学力的血流相关变化影响内皮表型并控制各种血管过程，包括维持急性血管张力、血管通透性、白细胞粘附、血管发育以及促血栓和抗血栓信号分子的分泌。在直段动脉处，血流是层状的，壁剪切应力很高，产生动脉粥样硬化保护作用并促进健康的内皮细胞。相反，在分支和弯曲处，血流受到低壁剪切应力分布不均匀和不规则的干扰，会促进动脉粥样硬化，并导致外周动脉疾病、脑海绵状血管畸形（CCMs）以及支架再狭窄和血栓形成。

剪切应力对白细胞粘附的影响

在振荡剪切应力期间，血流中滚动的白细胞被募集到炎症部位，并通过与免疫球蛋白样粘附分子（如 VCAM-1、ICAM-1 和 E-Selectin）的分子相互作用粘附在血管壁上作为一种防御机制。层流剪切应力通过 eNOS 激活或 KLF2 表达等多种途径限制促炎基因表达并促进内皮细胞静息。Kruppel样因子-2（KLF2）的抗炎特性通过降低VCAM-1和ICAM-1的表达来防止白细胞粘附。相反，振荡剪切通过多种促炎途径促进白细胞粘附，最终导致 NF-κB 或 Yap 激活。除了CAMs家族外，细胞间膜蛋白PECAM-1和JAM-A还充当细胞表面受体，并通过LFA-1结合促进白细胞粘附和迁移。动脉壁中细胞粘附受体数量的这种血流依赖性增加促进了白细胞粘附和炎症过程的发生，这加剧动脉粥样硬化斑块的进展和EC功能障碍。

剪切应力对血管通透性的影响

为了维持组织稳态，内皮的通透性和结构完整性受许多膜相关蛋白的控制，包括 JAMs、Claudins、PECAM-1 和 VE-cadherin 。内皮连接及其分子组织根据生物体在健康和疾病状态下的需求控制通透性。根据流动模式，内皮细胞可在细胞骨架上排列，并借助细胞间连接处的几种蛋白质（包括 JAM、PECAM-1 和 VE-钙粘蛋白）诱导牵引力以维持细胞间连接的连接完整性。层流通过肌动蛋白聚合和肌球蛋白磷酸化影响 Rho-A 活性、细胞骨架张力和细胞排列。相反，血流紊乱会诱导 Rho 激酶活性的过度激活，通过肌球蛋白磷酸酶失活导致细胞骨架重排和内皮屏障功能障碍。此外，扰动的血流诱导 PECAM-1-VE-cadherin-VEGFR2 复合物信号传导，以驱动 ECM 重塑并增加纤连蛋白表达，这在炎症激活中起关键作用。这种膜蛋白依赖性机械转导通路激活 p21 活化激酶（PAK）、NF-κB、JNK 等，降解连接完整性并增加细胞旁通透性，从而诱导更大的屏障渗漏。

扰动流对 EndMT 的影响

EndMT 对于胚胎发育、正常毛细血管形成、平滑肌细胞分化和血管生成至关重要。然而，它在许多病理中也起着关键作用，包括动脉粥样硬化、纤维化、癌症进展和慢性炎症。内皮细胞向间充质细胞的转变通过控制炎症、斑块的结构完整性以及细胞外基质和胶原蛋白的合成，在动脉粥样硬化的进展中发挥了重要作用。研究表明，在暴露于振荡剪切应力的 ECs 中，FN 和整合素 β1 信号诱导 TGF-β 受体上调并激活多个信号通路，主要是 Smad 2/3 通路。此外，紊乱血流诱导磷酸化的 Smad 2/3，其核定位增加了炎症基因标志物，如 SNAI1 、NOTCH3 和 FN 并促进了血管重塑。在体内研究中，阻断该通路减缓了动脉粥样硬化。炎症介质还通过刺激 NF-κB 来促进 EndMT 的发展。层流通过 KLF4 靶基因诱导促进内皮表型。Tenascin-x（TN-X）已被证明是血流诱导的EndMT 抑制、内皮炎症和层流下 KLF2 依赖性诱导的动脉粥样硬化形成的关键调节剂。

扰动流对葡萄糖代谢的影响

近年来，细胞代谢已被证明可调节 EC 表型。在炎症条件下，EC 激活和功能障碍驱动的代谢重编程是许多疾病病理生理学的关键因素，例如动脉粥样硬化、糖尿病视网膜病变、肺动脉高压和癌症。如上所述，层流剪切应力通过表达一系列转录因子，包括促进抗炎和抗血栓形成特性的KLF2，促进静息的 EC。同样，层流诱导的KLF2 通过抑制糖酵解调节因子磷酸果糖激酶-2/果糖-2,6-二磷酸酶-3（PFKFB3）的表达来调节细胞代谢以维持静息的 EC。在血流扰动的情况下，KLF2 功能的丧失会抑制 PFKFB3，从而增强糖酵解、炎症反应和胰岛素抵抗。此外，振荡剪切应力促进 ROS 诱导的缺氧诱导因子（hif-1 alpha）的稳定，该因子是刺激 NF-κB 通路的主要转录因子，并随后增加葡萄糖调节因子，如 PFKFB3、HK2 和 GLUT1。研究表明，炎症介质通过 NF-κB-PFKFB3 信号通路重新编程细胞代谢并增强糖酵解、线粒体氧化磷酸化（OXPHOS）和磷酸戊糖途径，从而促进进一步的炎症。通过沉默 PFKFB3 阻断该通路可在体内模型中减轻炎症。在缺氧和血管生成过程中，为了维持细胞能量需求，ECs 可以通过 PFKFB3 激活来调节葡萄糖利用。然而，PFKFB3 和 NF-κB 信号的过度激活导致单核细胞粘附、通透性和 EndMT 转换增加而导致炎症进展，这可能产生各种血管炎性疾病。

图 1 显示了内皮细胞在暴露于振荡剪切应力时发生的变化。由血流紊乱导致纤连蛋白表达的增加介导整合素信号并激活 NF-κB、PAK 和 JNK 通路以及 YAP 激活，从而通过上调细胞粘附分子和白细胞粘附来增加炎症。PECAM-1、VE-Cadherin和 VEGF 复合物驱动这种细胞外基质重塑并增加纤连蛋白表达。由于血流紊乱，PAK 的激活和 Rho 激酶活性的增加诱导 VE-Cadherin、Occludin 内化、细胞骨架重塑和肌球蛋白轻链收缩，从而在连接处形成间隙并促进白细胞迁移。血流诱导的多个信号通路激活促进 Smad 1/5 磷酸化并诱导 EndMT。KLF2 促进层流中所有这些作用的抑制，但在扰动流中KLF2 减少，PFKFB3 上调所有这些不利影响。

图1 振荡剪切应力对血管内皮的影响。

血管炎症性疾病

动脉粥样硬化

动脉粥样硬化是一种慢性炎症疾病。内皮功能障碍和炎症是导致动脉粥样硬化所涉及的各种病理的原因。

临床数据表明，斑块破裂而不是斑块狭窄与患者的心血管事件和死亡率有关。有证据表明斑块不稳定是由动脉粥样硬化病变中免疫细胞浸润引起的炎症引起的。基质降解和细胞凋亡是斑块稳定性的两个关键因素，其受巨噬细胞和 T 细胞的炎症介质控制。研究发现，ACTA2+ 肌成纤维细胞样细胞不仅来源于平滑肌细胞，还分别通过 EndMT 和巨噬细胞间充质转化（MMT）来源于内皮细胞和巨噬细胞。OCT4 是一种 Yamanaka 因子，被发现在动脉粥样硬化形成过程中在 ECs 中被激活，并在斑块稳定性中起重要作用。据观察，振荡剪切应力除了在基质降解的血管重塑中的作用外，还增强了金属蛋白酶（MMP）的活性，促进了胶原蛋白的降解，并削弱了纤维帽。体内研究清楚地表明，低剪切应力区域与巨噬细胞、胆固醇晶体、18F-NaF 活性、活跃的微钙化和薄帽纤维粥样硬化（TCFA）变薄高度相关。促炎信号和厌氧代谢通过 HIF-1 和 PFKFB3 的参与与动脉粥样硬化巨噬细胞密切相关。许多研究证明，流体动力学和内皮剪切应力是导致脆弱斑块的主要病理因素。

内膜钙化与动脉粥样硬化有关。不稳定的斑块由于炎症和微钙化的参与而有破裂的风险，而这些都由壁剪切应力控制。巨噬细胞的早期促炎和成骨细胞因子（包括TNF-α、IGF-1、TGF-β、IL-1β、IL-6和IL-8）诱导血管平滑肌细胞分化为成骨细胞样细胞，从而引发微钙化。TNF-α诱导BMPR2降低，增强ECs中成骨分化的BMP-9，并诱导钙化、薄纤维帽形成和斑块破裂。层流下KLF2 介导的内皮 BMP/SMAD1/5 信号抑制会降低血管钙化。

肺动脉高压（PAH）

肺动脉高压（PAH）的病理性特征是新内膜病变、小血管收缩和大血管僵硬。内皮功能障碍是 PAH 发生、发展以及疾病进展的关键因素。EC 功能障碍可由多种因素引起，包括炎性细胞因子、缺氧、毒素和外部刺激，如剪切应力。其中，振荡剪切应力导致血流紊乱、流体动力学和持续的致病机制，对 PAH 患者新内膜病变形成有重大影响，导致血管重塑，从而增加血流压力。PAH 从 EC 功能障碍开始，随着细胞增殖增加和细胞凋亡减少而进展，最后随着衰老而成熟，这使得 PAH 难以逆转。对 PAH 小鼠模型内皮细胞的单细胞 RNA 测序显示，ECs 上调 MHC II 类通路中的基因，支持 ECs 在 PAH 炎症反应中的作用。研究表明，内皮细胞衰老是驱动 PAH 的另一个因素。通过阻断FXN 蛋白和线粒体铁硫（Fe-S）簇组装蛋白诱导内皮衰老，PAH 患者表现出 FXN 表达降低和 EC 衰老。几项研究表明，血流紊乱通过下调 eNOS/AKT 通路引发 PAH 伴 EC 炎症、屏障功能障碍和平滑肌细胞迁移。

脓毒症

脓毒症是由对细菌或病毒感染的不受控制的免疫反应引起的，会损害宿主组织。内皮促炎表型改变是脓毒症诱导的许多病理事件的原因，包括血管通透性、凝血功能增加和灌注不足。

脓毒症诱发的血管渗漏导致液体蓄积和多器官衰竭。脓毒症幸存者的内皮通透性标志物（sFLT-1、Ang-2 和 VEGF）的数量显著降低。内毒素或病毒病原体通过 EC 连接处的分解或细胞死亡导致血管渗漏。有证据表明，阻断内皮通透性可能是降低脓毒症死亡率的有效策略。内皮 TGF-β-ALK5-Smad2/3 信号通路导致 ROBO4 表达，而 BMP9-ALK1-Smad1/5 信号阻断其表达，ALK1 抑制剂抑制 COVID-19 小鼠模型中血管高通透性和死亡率。已知乳酸是脓毒症生物标志物，其新发现的对内皮屏障的影响已有报道。乳酸通过钙蛋白酶和 Erk2 活化裂解及内化 VE-钙粘蛋白以破坏 VE-钙粘蛋白复合物。

脓毒症通常与亚临床高凝状态或急性弥散性血管内凝血（DIC）有关，伴有广泛的微血管血栓形成以及血小板和凝血蛋白的消耗，从而导致出血。脓毒症诱导 EC 表型向促凝血和抗纤维蛋白溶解状态转变。在促炎分子存在下，活化的 ECs 表达组织因子（TF），它与凝血系统外源性途径中的循环凝血因子 VII 结合。活化的 ECs 通过上调各种细胞表面粘附分子来促进血小板粘附和聚集。在脓毒症期间，内皮细胞释放 PAI-1（纤溶酶原激活物抑制剂-1），导致纤维蛋白溶解和高凝血的抑制。

脓毒症由于血管扩张和低血压导致高心输出量和外周阻力降低。炎症配体导致 ECs 合成的 NO 增加和平滑肌细胞松弛。NO 还与 ROS 反应形成硝酸盐和硝酸盐诱导的细胞毒性。

促炎刺激（如糖尿病、高胆固醇血症、血流紊乱、ECM 重塑和炎性细胞因子）通过上调炎症蛋白和激活几种信号通路来诱导 ECs 的激活和表型的修饰。这种促炎表型导致 EC 功能障碍，导致屏障减弱、通透性增加、炎症增加、EndoMT、衰老等，如图2 所示。这些因素是大多数心血管疾病发展的主要原因。

图2 EC 功能障碍和血管疾病的进展。

总之，考虑到内皮细胞在许多血管炎症性疾病中的积极作用，内皮细胞值得更多关注，如在炎症性疾病中靶向 ECs研究、鉴定疾病特异性 EC 表型或 EC 亚群等，使用开发的先进 NGS 技术增强对 EC 表型的理解将使我们能够研发副作用较少的内皮疾病治疗策略。

参考文献：Immanuel J, Yun S. Vascular Inflammatory Diseases and Endothelial Phenotypes. Cells. 2023 Jun 15;12(12):1640. doi: 10.3390/cells12121640. PMID: 37371110; PMCID: PMC10297687.

原文链接：https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/37371110/

Impact Factor: 5.1 (2023); 5-Year Impact Factor: 6.0 (2023)

ISSN: 2073-4409

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