內皮細胞對不同壁切應力的表觀遺傳反應

來源：上海泉眾機電科技有限公司 2021年11月22日 17:08

內皮細胞（ECs）通過各種機械受體和機械傳感器對血流流動作出反應，從 ECs 頂膜上的糖萼（GCX）開始到細胞內整合素和細胞骨架元件。正常的生理流被認為是層流，這與 ECs 的生理表型和流動模式的擾動有關，例如湍流、渦流、極低的壁面剪切應力（WSS），通常都會導致血管病變，例如動脈粥樣硬化和腦動脈瘤的生長和破裂。

MicroRNAs（miRNAs）是非編碼的小型 RNA。miRNAs 被證明參與了幾乎所有的生理和病理過程，特別是它們被證明與動脈粥樣硬化和動脈瘤病理有關。已知幾種 miRNAs 對流動敏感（稱為mechano-miRNAs）并介導 ECs 對流動模式和壓力的反應，因此它們參與了血管疾病的病理過程，特別是動脈粥樣硬化血流紊亂，已知低 WSS 和高振蕩剪切指數(shù)會誘導和傳播這種病理過程。

雖然 WSS 的紊亂過程及其對 ECs 反應和 miRNA 表達的影響在動脈粥樣硬化中得到了很好的研究，但是對于 WSS 和 ECs 病理導致腦動脈瘤的形成、生長或破裂之間的關系仍然沒有很好的理解。因此全面了解 ECs 對 WSS 的反應并將它們與腦動脈瘤中已知的病理機制聯(lián)系起來將有助于解決關于腦動脈瘤生長和破裂的爭論。

基于此，來自日本仙臺東北大學醫(yī)學研究生院神經(jīng)外科系、生物醫(yī)學流動動力學實驗室等領域的專家學者進行了深入研究，該研究使用 miRNAs 和基因表達作為分析手段，旨在評估不同層流剪切應力（SS）大小，無論是高還是低，與生理 SS 相比，對內皮細胞反應的影響。

首先將培養(yǎng)皿中的匯合 ECs 暴露于不同量級的剪切應力 SS 下 24 小時，在暴露于正常（2 Pa）、高（10 Pa）或低（0.4 Pa）WSS 后，ECs 通過上調或下調不同的 miRNAs 組做出不同的反應。微陣列分析暴露在不同 WSS 大小的層流應力下的 ECs 誘導的 miRNA 差異表達。（圖 1）

圖 1

分析的 358 個 miRNAs 的熱圖顯示出高 WSS 組和正常 WSS 組相對于低 WSS 組的聚類。

在最初測試的 358 個 miRNAs 中，有8個是顯著的：4個在低 WSS 條件下上調，4個在高 WSS 條件下上調。

在下一步中，研究人員使用第一步中發(fā)現(xiàn)的 8 種重要 miRNAs 中的每一種的引物，通過實時 PCR（qPCR）分析確認了微陣列的結果，比較了 LWSS 組（0.4 Pa）和 HWSS 組（10 Pa），因為它們顯示出對 miRNA 表達的強烈區(qū)分。

總的來說，qPCR 證實了該實驗中存在五個重要的 miRNAs。3個 miRNAs 在 LWSS 條件下上調，2個在 HWSS 條件下上調。（圖 2 # *）

圖 2

對微陣列發(fā)現(xiàn)的八種重要 miRNAs 的基于 qPCR 的驗證。

4種 miRNAs 在 LWSS 條件下上調，2種在 HWSS 條件下上調且具有顯著性。

為了分析不同流動條件下 ECs 的表型，以更好地了解這些miRNAs 在各自流動應力組中的可能作用。再下一步，研究人員選擇 KLF2、KLF4、VCAM1、ICAM-1、E-Selectin（SELE）和 NOS3 進行基因表達分析，因為它們與內皮細胞對流動的反應有關，以評估增加 WSS 對內皮細胞損傷和反應的影響。

在實驗設置下；KLF2 和 KLF4 在 LWSS 條件下顯著下調，而在 HWSS 下，與任意選擇的 2 Pa 的對照 WSS 相比，KLF2 和 KLF4 上調，表明 ECs 對 HWSS 具有有利的抗炎、動脈粥樣硬化保護反應。另一方面，VCAM1、ICAM-1 和 E-selectin 在 0.4 Pa 的低 WSS 組和 2 Pa 組之間沒有顯著變化。然而，它們在高 WSS 下上調。NOS3 是內皮型一氧化氮有效性的調節(jié)因子，其表達水平與WSS的大小直接相關。

最后，實驗分析了 miRNA-mRNA 功能相互作用網(wǎng)絡以及受每個 miRNA 簇*調控的通路。結果表明在 LWSS 條件下上調的 miRNAs 對細胞凋亡有顯著影響。對與 HWSS 上調的 miRNAs 相互作用的一組基因的分析表明，最富集的途徑是 RAS 途徑，以及其他發(fā)育和增殖途徑。

總之，該研究團隊提出了一個有趣的理論橋梁，對腦動脈瘤病理生理機制的認識空白，并提出了新的、未報道的血流響應性ECs；實驗數(shù)據(jù)還暗示了 ECs 感知不同流態(tài)的不同機制，這非常值得研究。最后，雖然有一些與腦動脈瘤的生長和破裂有關的病理機制，它們跨越了動脈瘤壁的所有層，但將這些機制與動脈瘤內部的實際血流動力學和體外觀察相聯(lián)系，對于全面了解腦動脈瘤的病理生理學是至關重要的。

參考文獻：Rashad S, Han X, Saqr K, Tupin S, Ohta M, Niizuma K, Tominaga T. Epigenetic response of endothelial cells to different wall shear stress magnitudes: A report of new mechano-miRNAs. J Cell Physiol. 2020 Nov;235(11):7827-7839. doi: 10.1002/jcp.29436. Epub 2020 Jan 8. PMID: 31912899.

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