剪切力对血管内皮细胞内Ca2+的影响及其信号传导机制1
作者：常小飞 曾衍钧
单位：常小飞 曾衍钧(综述)(北京工业大学生物医学工程中心, 邮政编码 北京100022)
关键词：
微循环学杂志990116 (综述) 胡金麟(审校)
血液流动对血管壁不断施加各种力的作用, 这些作用主要包括: ① 切应力, 沿血管长轴方向, 即通常所指的剪切力(shear stress, SS); ② 周应力, 管径随血液流动改变大小而作用的力; ③ 压应力, 主要由静水压形成的作用力[1]。 其中SS是与心血管疾病(如动脉粥样硬化、 血栓形成)最相关的血流动力学因素[2]。
血管内皮细胞(vascular endothelial cell, VEC)被覆于血管最内层, 作为血流与组织的屏障, 是SS作用最直接的部位, 也是最可能存在机械刺激感受器的部位[3]。 内皮细胞感受SS并将其转化为细胞内信号的机制至今尚未完全阐明。 近年来对SS信号传导的研究表明, 内皮细胞腔侧质膜上的分子可能是潜在的机械刺激感受器[4,5], 这些称为“机械受体”的膜结构主要包括离子通道、 G-蛋白连接受体、 酪氨酸激酶及整合素族[3]。 其中酪氨酸激酶受体通路的研究已阐明了ras-MAPK途径, 整合素族与细胞骨架重构有关, 而离子通道与G-蛋白连接受体激活后的改变则涉及细胞内Ca2+水平的变化[6]。 Ca2+作为细胞内的第二信使在信号传导中有极其重要的作用, 同时Ca2+又是许多关键酶发挥活性之必需, 故Ca2+在VEC感受SS并引起自身形态与功能变化中可能发挥了相当的作用。 本文就以往这方面的研究做一综述。
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1 剪切力对细胞内Ca2+的影响
1.1 剪切力作用下VEC[Ca2+]i的反应
1988年, Ando等人[7]首次发现流动SS可导致培养的VEC[Ca2+]i增高。 在以后的工作中, 学者们对SS作用下VEC[Ca2+]i升高的规律及时相作进一步研究, 结果却并非一致。 Gerger等人[8]发现, 当给予培养的牛主动脉内皮细胞(BAEC)高SS(3 Pa)时, [Ca2+]i在30 s内升至峰值(基值的4倍), 随后缓慢降至平台期(基值的2倍)持续至少5 min。 Shen等人[9]研究却发现[Ca2+]i值在达到峰值后40～80 s内降至基值, 未见显著平台期。 Shen等人所施加的SS远低于Gerger等人, 他们研究了[Ca2+]i增高与SS大小的关系, 发现较低的SS对BAEC无影响, 而0.02～0.40 Pa范围内[Ca2+]i值随SS增加而增高, 0.40 Pa时最大。 反复SS刺激下, [Ca2+]i反应的峰值逐渐减小, 持续的刺激可引发钙震荡。 尽管群体的VEC研究可观察到SS导致[Ca2+]i增高, 但单个细胞的反应却不一致, 约有1/3的细胞对SS无反应。 Gerger等[8]尚研究发现随着SS的增大, 发生反应的细胞数百分率也增高。 局部分析揭示了[Ca2+]i升高最多及最持久的部位在胞核附近。
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1.2 剪切力作用下VEC[Ca2+]i的变化与ATP的关系
当1988年Ando等人[7]观察到SS导致VEC中[Ca2+]i的增高后, 其他学者却没有发现类似结果, 后来发现主要的实验差别是Ando所用的培养液是M199。 M199含有1.8 μmol ATP, 后者可以与内皮细胞P2Y嘌呤受体结合诱发[Ca2+]i的增高。 而DMEM培养液及其它缺乏钙激动剂的培养液不能引起细胞内的钙反应[3]。 此后, Mo等[10]、 Dull等[11]相继报道了SS作用下[Ca2+]i变化与ATP的依赖关系。 然而, 1992年Shen等人[9]却发现在无ATP存在的条件下, 也可见VEC的[Ca2+]i反应, 这种反应模式与激动剂作用后[Ca2+]i的变化模式非常类似。 Gerger等[8]发现仅在将细胞外钙螯合的情况下, [Ca2+]i与SS的反应模式和与激动剂作用后类似。 为什么会出现上述结果的差异迄今仍不甚清楚。 但Helminger观察含血清及不含血清的培养液培养的细胞对流动刺激的[Ca2+]i反应, 发现其反应不同, 因而可能是血清中存在有钙的激动剂, 即使在用无血清的液体流动施加剪切力时, 也可能含有残余的血清的影响[3]。
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2 剪切力作用下细胞内Ca2+的来源及机制
2.1 剪切力作用下VEC内Ca2+的来源
细胞内Ca2+来源主要有二个: 其一是细胞外Ca2+通过Ca2+通道进入细胞内。 其二是细胞内钙库贮存Ca2+的释放。 为了阐明SS作用下[Ca2+]i升高的钙来源, 许多学者用EGTA螯合细胞外Ca2+观察VEC对SS的反应。 Schwarz等[12]将一培养液吹打在单个细胞上以获得不同SS(0～5 Pa)的研究表明, Ca2+的反应与细胞外Ca2+关系密切。 [Ca2+]o在1.5～10 mmol之间变化时, [Ca2+]i的峰值也随之增高, [Ca2+]o在10 mmol时, 几乎所有细胞[Ca2+]i都升高, 因而认为细胞内Ca2+的主要来源是细胞外Ca2+。 其他学者的研究结果与之有悖[8,9]。 Gerger等[8]发现螯合细胞外钙后反应的平台期消失(见前所述), [Ca2+]i很快降至基值, 这给上述矛盾提供了一个很好的解释, 即VEC对SS起始反应的[Ca2+]i增高是来源于细胞内Ca2+, 而后期的持续反应是来源于细胞外Ca2+。
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2.2 剪切力作用下VEC[Ca2+]i升高的机制
SS作用下G-蛋白、 磷酸酯酶C(PLC)的活化及三磷酸甘油(IP3)增加进一步完善了[Ca2+]i增高的机制[13～15]。 G-蛋白是一类与跨膜受体(称为G-蛋白结合受体)相连的依赖于GTP的蛋白质异三聚体, 主要包括① Gq蛋白, 活化后可激活PLC。 ② Gs蛋白, 活化后可激活腺苷酸环化酶(AC)及Ca2+通道。 ③ Gi蛋白, 活化后抑制AC活性并可能与K+通道激活有关。 对人脐静脉内皮细胞(HUVEC)的研究发现, 在流动剪切力作用的第一秒内即有膜相关G-蛋白的激活, 因而可能是SS诱导信号传导的第一步[13]。 由于目前尚未分离出机械敏感性受体, 故认为浆膜在SS作用下其脂质双层结构的流动性增加可能直接激活了位于细胞胞浆侧的G-蛋白[6]。 其后的可能机制是活化的G-蛋白进一步激活磷脂酶C(PLC), PLC催化磷脂酰4, 5二磷酸肌醇(PIP2)裂解为1, 4, 5三磷酸肌醇(IP3)及甘油二酯(DG)。 IP3作用于细胞内的钙库(主要是内质网), 使Ca2+释放入胞浆, 导致[Ca2+]i增加。 [Ca2+]i在瞬间升至峰值后开始回落, 以后持续在一平台期, 此期的[Ca2+]i主要是细胞外Ca2+内流维持。
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细胞外Ca2+主要是通过细胞膜上的Ca2+通道内流的。 目前对于SS作用下VEC上哪些Ca2+通道被激活及怎样激活尚不清楚。 Lansman等[16]阐明了一种普遍存在于多种细胞上的“伸展激活的离子通道”(stretch-activated ion channel), 这种通道与非选择性阳离子通道(non-selective cation channel)不同, 前者对于Ca2+通透性远高于一价离子。 这种通道的开放可导致Ca2+的内流并引起膜的去极化, 因而可能是SS作用下Ca2+内流的一种通道。 Schwarz等人[12]研究对SS敏感的Ca2+通道的特性, 发现这类通道与其他激动剂(如Histamine)激活的Ca2+内流途径不同, 前者不能被Ni2+阻断, 对Ni2+、 Co2+、 Ba2+这些二价离子均通透, 但可被La3+阻滞。
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细胞外Ca2+内流还可能与SS导致的膜的超极化作用有关。 SS可以激活K+通道, K+的内流引起膜电位(Vm)的反转, 导致超极化作用, 超极化作用进而引起Ca2+从一种电压依赖性的Ca2+通透性通道(Ca2+-permeable channel)内流[17,18]。
尽管已经证实SS作用下Ca2+通道的激活, 但这种作用是由于上述机械传导受体的激活而引起的, 还是由于这些形成离子通道的蛋白直接被SS作用而变形激活的, 尚不清楚[3]。
3 剪切力作用下内皮细胞内Ca2+变化的意义
VEC对SS的反应是非常复杂的, 对体内及体外培养的各种VEC(大动脉、 静脉及微血管内皮细胞)的研究表明, SS可诱导VEC发生重要的形态与功能的改变[3]。 其形态上的变化主要是VEC变长, 骨架重构, 其长轴沿SS方向排列[19,20]。 这种改变是SS与时间依赖性的[21]。 功能上的改变主要表现在低密度脂蛋白的摄取[22]、 组织血浆原激活因子(t-PA)的合成与分泌[23]、 前列环素(PGI2)的产生[24]、 内皮源性血管舒张因子(EDRF)的释放[25]及一些生长因子与粘附分子的表达[26,27]。 近年研究已证实, 不仅是功能, VEC形态的改变也涉及到转录水平的调节(如细胞骨架重建、 应力纤维的改变)[6], 这种VEC感受SS刺激并将其传导到核内对特定基因进行调控的过程必然涉及到一系列复杂的信号传递。 尽管信号传递的ras-MAPK途径已基本被阐明, 但他们是细胞内慢性反应的机制。 [Ca2+]i在SS作用的数十秒内即可见显著升高, 说明其在早期反应的信号传递中起着重要的作用。 许多蛋白激酶可被Ca2+激活, 导致一系列“瀑布式”的反应。 如已知EDRF与PGI2的合成需要Ca2+参予, 而SS又可引起上述因子合成增多, 则[Ca2+]i的增高很可能与之有关。
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4 结 语
关于VEC[Ca2+]i对流动剪切力的反应尚存在许多问题。 由于各研究室所用实验条件不同及许多难以确定因素的影响(如血清), 许多问题尚处于假设与猜想阶段。 主要不能确定的是这种反应是激动剂介导的反应还是机械敏感性受体直接被牵拉激活, 或二者兼而有之。 另外[Ca2+]i升高的来源亦未能最后统一, 这个领域仍有待于进一步研究。
1 国家自然科学基金(39600040)、北京市自然科学基金(3982005)及北京市教委共同资助项目
胡金麟(审校)(中国人民解放军总医院微循环研究室)
参考文献
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本文1998-06-02收到, 1998-09-20接受, http://www.100md.com
单位：常小飞 曾衍钧(综述)(北京工业大学生物医学工程中心, 邮政编码 北京100022)
关键词：
微循环学杂志990116 (综述) 胡金麟(审校)
血液流动对血管壁不断施加各种力的作用, 这些作用主要包括: ① 切应力, 沿血管长轴方向, 即通常所指的剪切力(shear stress, SS); ② 周应力, 管径随血液流动改变大小而作用的力; ③ 压应力, 主要由静水压形成的作用力[1]。 其中SS是与心血管疾病(如动脉粥样硬化、 血栓形成)最相关的血流动力学因素[2]。
血管内皮细胞(vascular endothelial cell, VEC)被覆于血管最内层, 作为血流与组织的屏障, 是SS作用最直接的部位, 也是最可能存在机械刺激感受器的部位[3]。 内皮细胞感受SS并将其转化为细胞内信号的机制至今尚未完全阐明。 近年来对SS信号传导的研究表明, 内皮细胞腔侧质膜上的分子可能是潜在的机械刺激感受器[4,5], 这些称为“机械受体”的膜结构主要包括离子通道、 G-蛋白连接受体、 酪氨酸激酶及整合素族[3]。 其中酪氨酸激酶受体通路的研究已阐明了ras-MAPK途径, 整合素族与细胞骨架重构有关, 而离子通道与G-蛋白连接受体激活后的改变则涉及细胞内Ca2+水平的变化[6]。 Ca2+作为细胞内的第二信使在信号传导中有极其重要的作用, 同时Ca2+又是许多关键酶发挥活性之必需, 故Ca2+在VEC感受SS并引起自身形态与功能变化中可能发挥了相当的作用。 本文就以往这方面的研究做一综述。
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1 剪切力对细胞内Ca2+的影响
1.1 剪切力作用下VEC[Ca2+]i的反应
1988年, Ando等人[7]首次发现流动SS可导致培养的VEC[Ca2+]i增高。 在以后的工作中, 学者们对SS作用下VEC[Ca2+]i升高的规律及时相作进一步研究, 结果却并非一致。 Gerger等人[8]发现, 当给予培养的牛主动脉内皮细胞(BAEC)高SS(3 Pa)时, [Ca2+]i在30 s内升至峰值(基值的4倍), 随后缓慢降至平台期(基值的2倍)持续至少5 min。 Shen等人[9]研究却发现[Ca2+]i值在达到峰值后40～80 s内降至基值, 未见显著平台期。 Shen等人所施加的SS远低于Gerger等人, 他们研究了[Ca2+]i增高与SS大小的关系, 发现较低的SS对BAEC无影响, 而0.02～0.40 Pa范围内[Ca2+]i值随SS增加而增高, 0.40 Pa时最大。 反复SS刺激下, [Ca2+]i反应的峰值逐渐减小, 持续的刺激可引发钙震荡。 尽管群体的VEC研究可观察到SS导致[Ca2+]i增高, 但单个细胞的反应却不一致, 约有1/3的细胞对SS无反应。 Gerger等[8]尚研究发现随着SS的增大, 发生反应的细胞数百分率也增高。 局部分析揭示了[Ca2+]i升高最多及最持久的部位在胞核附近。
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1.2 剪切力作用下VEC[Ca2+]i的变化与ATP的关系
当1988年Ando等人[7]观察到SS导致VEC中[Ca2+]i的增高后, 其他学者却没有发现类似结果, 后来发现主要的实验差别是Ando所用的培养液是M199。 M199含有1.8 μmol ATP, 后者可以与内皮细胞P2Y嘌呤受体结合诱发[Ca2+]i的增高。 而DMEM培养液及其它缺乏钙激动剂的培养液不能引起细胞内的钙反应[3]。 此后, Mo等[10]、 Dull等[11]相继报道了SS作用下[Ca2+]i变化与ATP的依赖关系。 然而, 1992年Shen等人[9]却发现在无ATP存在的条件下, 也可见VEC的[Ca2+]i反应, 这种反应模式与激动剂作用后[Ca2+]i的变化模式非常类似。 Gerger等[8]发现仅在将细胞外钙螯合的情况下, [Ca2+]i与SS的反应模式和与激动剂作用后类似。 为什么会出现上述结果的差异迄今仍不甚清楚。 但Helminger观察含血清及不含血清的培养液培养的细胞对流动刺激的[Ca2+]i反应, 发现其反应不同, 因而可能是血清中存在有钙的激动剂, 即使在用无血清的液体流动施加剪切力时, 也可能含有残余的血清的影响[3]。
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2 剪切力作用下细胞内Ca2+的来源及机制
2.1 剪切力作用下VEC内Ca2+的来源
细胞内Ca2+来源主要有二个: 其一是细胞外Ca2+通过Ca2+通道进入细胞内。 其二是细胞内钙库贮存Ca2+的释放。 为了阐明SS作用下[Ca2+]i升高的钙来源, 许多学者用EGTA螯合细胞外Ca2+观察VEC对SS的反应。 Schwarz等[12]将一培养液吹打在单个细胞上以获得不同SS(0～5 Pa)的研究表明, Ca2+的反应与细胞外Ca2+关系密切。 [Ca2+]o在1.5～10 mmol之间变化时, [Ca2+]i的峰值也随之增高, [Ca2+]o在10 mmol时, 几乎所有细胞[Ca2+]i都升高, 因而认为细胞内Ca2+的主要来源是细胞外Ca2+。 其他学者的研究结果与之有悖[8,9]。 Gerger等[8]发现螯合细胞外钙后反应的平台期消失(见前所述), [Ca2+]i很快降至基值, 这给上述矛盾提供了一个很好的解释, 即VEC对SS起始反应的[Ca2+]i增高是来源于细胞内Ca2+, 而后期的持续反应是来源于细胞外Ca2+。
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2.2 剪切力作用下VEC[Ca2+]i升高的机制
SS作用下G-蛋白、 磷酸酯酶C(PLC)的活化及三磷酸甘油(IP3)增加进一步完善了[Ca2+]i增高的机制[13～15]。 G-蛋白是一类与跨膜受体(称为G-蛋白结合受体)相连的依赖于GTP的蛋白质异三聚体, 主要包括① Gq蛋白, 活化后可激活PLC。 ② Gs蛋白, 活化后可激活腺苷酸环化酶(AC)及Ca2+通道。 ③ Gi蛋白, 活化后抑制AC活性并可能与K+通道激活有关。 对人脐静脉内皮细胞(HUVEC)的研究发现, 在流动剪切力作用的第一秒内即有膜相关G-蛋白的激活, 因而可能是SS诱导信号传导的第一步[13]。 由于目前尚未分离出机械敏感性受体, 故认为浆膜在SS作用下其脂质双层结构的流动性增加可能直接激活了位于细胞胞浆侧的G-蛋白[6]。 其后的可能机制是活化的G-蛋白进一步激活磷脂酶C(PLC), PLC催化磷脂酰4, 5二磷酸肌醇(PIP2)裂解为1, 4, 5三磷酸肌醇(IP3)及甘油二酯(DG)。 IP3作用于细胞内的钙库(主要是内质网), 使Ca2+释放入胞浆, 导致[Ca2+]i增加。 [Ca2+]i在瞬间升至峰值后开始回落, 以后持续在一平台期, 此期的[Ca2+]i主要是细胞外Ca2+内流维持。
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细胞外Ca2+主要是通过细胞膜上的Ca2+通道内流的。 目前对于SS作用下VEC上哪些Ca2+通道被激活及怎样激活尚不清楚。 Lansman等[16]阐明了一种普遍存在于多种细胞上的“伸展激活的离子通道”(stretch-activated ion channel), 这种通道与非选择性阳离子通道(non-selective cation channel)不同, 前者对于Ca2+通透性远高于一价离子。 这种通道的开放可导致Ca2+的内流并引起膜的去极化, 因而可能是SS作用下Ca2+内流的一种通道。 Schwarz等人[12]研究对SS敏感的Ca2+通道的特性, 发现这类通道与其他激动剂(如Histamine)激活的Ca2+内流途径不同, 前者不能被Ni2+阻断, 对Ni2+、 Co2+、 Ba2+这些二价离子均通透, 但可被La3+阻滞。
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细胞外Ca2+内流还可能与SS导致的膜的超极化作用有关。 SS可以激活K+通道, K+的内流引起膜电位(Vm)的反转, 导致超极化作用, 超极化作用进而引起Ca2+从一种电压依赖性的Ca2+通透性通道(Ca2+-permeable channel)内流[17,18]。
尽管已经证实SS作用下Ca2+通道的激活, 但这种作用是由于上述机械传导受体的激活而引起的, 还是由于这些形成离子通道的蛋白直接被SS作用而变形激活的, 尚不清楚[3]。
3 剪切力作用下内皮细胞内Ca2+变化的意义
VEC对SS的反应是非常复杂的, 对体内及体外培养的各种VEC(大动脉、 静脉及微血管内皮细胞)的研究表明, SS可诱导VEC发生重要的形态与功能的改变[3]。 其形态上的变化主要是VEC变长, 骨架重构, 其长轴沿SS方向排列[19,20]。 这种改变是SS与时间依赖性的[21]。 功能上的改变主要表现在低密度脂蛋白的摄取[22]、 组织血浆原激活因子(t-PA)的合成与分泌[23]、 前列环素(PGI2)的产生[24]、 内皮源性血管舒张因子(EDRF)的释放[25]及一些生长因子与粘附分子的表达[26,27]。 近年研究已证实, 不仅是功能, VEC形态的改变也涉及到转录水平的调节(如细胞骨架重建、 应力纤维的改变)[6], 这种VEC感受SS刺激并将其传导到核内对特定基因进行调控的过程必然涉及到一系列复杂的信号传递。 尽管信号传递的ras-MAPK途径已基本被阐明, 但他们是细胞内慢性反应的机制。 [Ca2+]i在SS作用的数十秒内即可见显著升高, 说明其在早期反应的信号传递中起着重要的作用。 许多蛋白激酶可被Ca2+激活, 导致一系列“瀑布式”的反应。 如已知EDRF与PGI2的合成需要Ca2+参予, 而SS又可引起上述因子合成增多, 则[Ca2+]i的增高很可能与之有关。
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4 结 语
关于VEC[Ca2+]i对流动剪切力的反应尚存在许多问题。 由于各研究室所用实验条件不同及许多难以确定因素的影响(如血清), 许多问题尚处于假设与猜想阶段。 主要不能确定的是这种反应是激动剂介导的反应还是机械敏感性受体直接被牵拉激活, 或二者兼而有之。 另外[Ca2+]i升高的来源亦未能最后统一, 这个领域仍有待于进一步研究。
1 国家自然科学基金(39600040)、北京市自然科学基金(3982005)及北京市教委共同资助项目
胡金麟(审校)(中国人民解放军总医院微循环研究室)
参考文献
[1] Dobin PB, Littooy FW, Endean ED. Mechanical factors predisposing to intimac hyperplasia and medial thickening in autogenous vein grafts. Surgery, 1989, 105:393～400.
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[2] Eskin SG, McIntire LV. Hemodynamic effects in atheroselerosis and thrombosis. Semin Thromb Hemostasis, 1988, 14:170～174.
[3] Davies PF. Flow-mediated endothelial mechanotransduction.Physiol Rev, 1995, 75:519～560.
[4] Davies PF, Tripathi SC. Mechanical stress mechanisms and the cell: An endothelial paradigm. Circ Res, 1993, 72:239～245.
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[7] Ando J, Komatsuda T, Kamiya A. Cytoplasmic calcium responses to fluid shear stress in cultured vascular andothelial cells. In Vitro Cell Dev Biol, 1988, 24:871～877.
[8] Gerger RV,Berk BC,Alexander RW,et al.Flow-induced calcium transients in single endothelial cells:spatial and temporal analysis.Am J Physiol,1992,262(cell physiol 31):C1 411～C1 417.
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本文1998-06-02收到, 1998-09-20接受, http://www.100md.com