心腦血管疾病依舊是全世界范圍內發病率和死亡率第一的疾病，對人類健康和生命構成了嚴重的威脅，具有高患病率、高致殘率、高死亡率的特點。很多心血管疾病通常伴隨著異常的血管重構，比如高血壓、動脈粥樣硬化、糖尿病伴隨的血管病變，血管會變狹窄甚至堵塞，介導血管重構的分子機制還有待進一步挖掘。血管重構是一個重要的適應性機制，使動脈直徑滿足各種生理和病理條件下的血流變化。內皮細胞 （ECs） 形成血管最內層，持續暴露在血流作用下。血流會對內皮細胞產生一種摩擦力，稱為血流剪切力 （fluid shear stress）【1】。由于血管復雜的幾何結構和血流動力學變量的差異，不同血管區域的剪切應力大小及方向模式各不相同。位于直動脈段的內皮細胞受到的剪切力是高的單向的，稱為層流剪切力 （laminar shear stress） ；相比之下，動脈的分支和彎曲部位內皮細胞受到的剪切力是低的多向的，稱為振蕩剪切力 （oscillatory shear stress） 。

自上世紀九十年代起，越來越多的研究證明血流剪切力的變化是導致血管發生重構的一個重要因素。近十年來工作表明內皮細胞有一個維持血管穩態的血流剪切力設定值 （set point） ，內皮細胞對血流剪切力的感應支配著血管重構，使剪切力在穩態的血管中保持在一個特定的設定值范圍內【2】。當血流剪切力降低至設定值以下，動脈會發生內向重構；反之，當血流剪切力升高，動脈會發生外向重構。血流剪切力的變化會激活內皮細胞內不同的信號通路，引發不同的血管重構，探索這些分子機制有助于開發新的治療靶點。

近日，Science Advances雜志在線發表耶魯大學Martin Schwartz教授實驗室 （第一作者鄧漢強博士） 和都柏林大學Boris Kholodenko教授實驗室 （共一作者Oleksii Rukhlenko博士） 合作的題為cSTAR analysis identifies endothelial cell cycle as a key regulator of flow-dependent artery remodeling的研究論文【3】。研究人員利用一種強大的新型計算建模方法cSTAR（cell State Transition Assessment and Regulation）【4】分析不同剪切力下內皮細胞的轉錄組數據，以及一系列體外和體內實驗驗證，鑒定內皮細胞周期是調控血流剪切力介導的血管重構的關鍵因素，解析新的分子機制為治療心血管疾病提供潛在的靶向依據。

作者實驗室之前的工作聚焦于低剪切力介導的內向重構在高血壓和動脈粥樣硬化中的作用，發現低血流剪切力激活ALK5-Smad2/3通路誘導血管內向重構5-7。2024年實驗室又揭示了一條新的KLF2-BMPER-Smad1/5通路調控高血流剪切力介導的血管外向重構8，為治療缺血性疾病提供了潛在的治療方法。然而這些通路僅是冰山一角，為了更快速解析血流剪切力調控血管重構的信號網絡。研究人員決定借助于最新發表的強大計算建模方法cSTAR來預測新的調控網絡。研究人員首先收集了不同剪切力下內皮細胞的轉錄組測序數據，包括引發血管內向重構的低剪切力 （low shear stress, LSS） 、維持血管穩態的生理性剪切力 （physiological shear stress, PSS） 、引發血管外向重構的高剪切力 （high shear stress, HSS） 、誘導疾病易感性的振蕩剪切力 （oscillatory shear stress, OSS） 以及無剪切力靜息狀態下共五組。然后構建動態表型描述符 （Dynamic Phenotype Descriptors, DPDs） 對細胞表型狀態定量評分，用于描述與血流剪切力和血管穩定性及重構相關的細胞表型特征。進而結合公開的LINCS數據庫中關于內皮細胞響應藥物處理的轉錄組數據，研究人員推斷出了調控內皮細胞狀態的網絡，并作出了一系列新穎預測。尤其是預測抑制細胞周期依賴性激酶CDK2會誘導血管向內重塑并促進動脈粥樣硬化的發生。

在體外實驗中，研究人員利用FUCCI （基于熒光泛素化的細胞周期指示劑） 系統和傳統的EdU實驗驗證了不同剪切力能夠誘導內皮細胞進入不同的細胞周期。簡而言之，振蕩剪切力 （OSS） 促進細胞增殖進入S-G2-M期，低剪切力 （LSS） 誘導內皮細胞進入G1早期停滯，生理性剪切力 （PSS） 誘導內皮細胞進入G1晚期停滯，高剪切力 （HSS） 誘導內皮細胞越過G1晚期停滯重新進入增殖期。為了驗證CDK2的作用，研究人員利用一種檢測CDK2活性的報告系統證實CDK2被生理剪切力激活。利用FUCCI系統發現內皮細胞在缺失CDK2后會進入G1早期停滯，利用cSTAR方法預測內皮細胞缺失CDK2后在生理剪切力下會誘導血管內向重構。

為了進一步在體內證明CDK2在血管重構中的作用，研究人員構建了內皮細胞特異性敲除CDK2的小鼠。發現內皮細胞特異性敲除CDK2導致動脈內向重構，誘導肺動脈和全身性高血壓，并加速了高脂血癥小鼠中動脈粥樣硬化的進展。具體的分子機制是CDK2在生理性剪切力下磷酸化Smad2/3 linker區域，抑制Smad2/3過度活化3,5。以上結果驗證了cSTAR模型對內皮細胞狀態和體內血管行為的預測能力，揭示了不同血流剪切力條件下內皮細胞表型的意外特征，并確定了CDK2是介導血管重構的內皮細胞調控網絡中的關鍵因素。除此之外，利用cSTAR方法分析研究人員還得出了其他的一些結論，比如傳統觀點認為振蕩剪切力 （OSS） 和低剪切力 （LSS） 有很多共性，都是導致動脈粥樣硬化的因素，但cSTAR分析發現OSS和LSS的基因表達譜是很不同的，LSS誘導血管內向重構但單獨的OSS不足以，而OSS會增加內皮細胞對炎癥和代謝應激的易感性。另外，OSS和LSS會誘導內皮細胞差異性表達不同的趨化因子，OSS誘導CCL2表達來招募巨噬細胞，而LSS誘導CXCL2/CXCL8表達來招募中心粒細胞。很多研究表明巨噬細胞在動脈粥樣硬化進展中起了很重要的作用，但中性粒細胞如何促進血管內向重構還有待進一步探索。

綜上所述，這項研究結合創新計算建模方法、生物信息學分析、體外細胞實驗和體內小鼠模型，通過跨學科交叉驗證，解析新的血流剪切力介導血管重構的分子機制。

原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado9970

制版人：十一

參考文獻

1. Tiezzi M, Deng H, Baeyens N. Endothelial mechanosensing: a forgotten target to treat vascular remodeling in hypertension?Biochemical pharmacology.2022:115290. doi: 10.1016/j.bcp.2022.115290

2. Baeyens N, Nicoli S, Coon BG, Ross TD, Van den Dries K, Han J, Lauridsen HM, Mejean CO, Eichmann A, Thomas JL, et al. Vascular remodeling is governed by a VEGFR3-dependent fluid shear stress set point.eLife.2015;4. doi: 10.7554/eLife.04645

3. Deng H, Rukhlendo OS, Joshi D, Hu X, Junk P, Tuliakova A, Kholodenko BN, Schwartz MA. cSTAR analysis identifies endothelial cell cycle as a key regulator of flow-dependent artery remodeling.Science Advances.2025;11. doi: 10.1126/sciadv.ado9970

4. Rukhlenko OS, Halasz M, Rauch N, Zhernovkov V, Prince T, Wynne K, Maher S, Kashdan E, MacLeod K, Carragher NO, et al. Control of cell state transitions.Nature.2022;609:975-985. doi: 10.1038/s41586-022-05194-y

5. Deng H, Min E, Baeyens N, Coon BG, Hu R, Zhuang ZW, Chen M, Huang B, Afolabi T, Zarkada G, et al. Activation of Smad2/3 signaling by low fluid shear stress mediates artery inward remodeling.Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America.2021;118:e2105339118. doi: 10.1073/pnas.2105339118

6. Deng H, Xu Y, Hu X, Zhuang ZW, Chang Y, Wang Y, Ntokou A, Schwartz MA, Su B, Simons M. MEKK3-TGFbeta crosstalk regulates inward arterial remodeling.Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America.2021;118:e2112625118. doi: 10.1073/pnas.2112625118

7. Deng H, Schwartz MA. High Fluid Shear Stress Inhibits Cytokine-Driven Smad2/3 Activation in Vascular Endothelial Cells.Journal of the American Heart Association.2022;11:e025337. doi: 10.1161/JAHA.121.025337

8. Deng H, Zhang J, Wang Y, Joshi D, Pi X, De Val S, Schwartz MA. A KLF2-BMPER-Smad1/5 checkpoint regulates high fluid shear stress-mediated artery remodeling.Nat Cardiovasc Res. 2024;3:785-798. doi: 10.1038/s44161-024-00496-y

BioART戰略合作伙伴

（*排名不分先后）

BioART友情合作伙伴

（*排名不分先后）

轉載須知

【非原創文章】本文著作權歸文章作者所有，歡迎個人轉發分享，未經作者的允許禁止轉載，作者擁有所有法定權利，違者必究。

BioArt

Med

Plants

人才招聘

會議資訊

近期直播推薦