失重或模擬失重條件下細胞骨架調(diào)控血管內(nèi)皮功能的研究進展

張麗君，徐 沁，孫喜慶，石 菲，孫 靜，王永春

第四軍醫(yī)大學 航空航天醫(yī)學系，陜西西安 7100321航空航天生物動力學教研室；2學員一旅

失重或模擬失重條件下細胞骨架調(diào)控血管內(nèi)皮功能的研究進展

張麗君2，徐 沁2，孫喜慶1，石 菲1，孫 靜1，王永春1

第四軍醫(yī)大學 航空航天醫(yī)學系，陜西西安 7100321航空航天生物動力學教研室；2學員一旅

隨著航空事業(yè)的發(fā)展，對失重環(huán)境下航天員的健康更為關注。最新研究發(fā)現(xiàn)，血管內(nèi)皮細胞對于重力高度敏感，作為血管壁的襯里細胞，具有屏障、物質(zhì)轉(zhuǎn)移、內(nèi)分泌等生理功能，在調(diào)節(jié)血管內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮重要作用，然而，失重所致的內(nèi)皮細胞功能及結構異常的機制目前尚未完全明確。隨著對空間生物醫(yī)學研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)細胞骨架對重力變化較為敏感，微重力條件下，血管內(nèi)皮細胞骨架會發(fā)生變化，表現(xiàn)為微絲和微管的破壞，進而可導致細胞的增殖、凋亡、信號傳導等功能發(fā)生變化。本研究就失重或模擬失重條件下細胞骨架調(diào)控血管內(nèi)皮功能的研究進展做一綜述。

失重；血管內(nèi)皮細胞；細胞骨架；血管內(nèi)皮功能

航天員在太空中將面臨失重環(huán)境，多次的航天飛行實踐表明，航天員失重后返回地面會出現(xiàn)心血管功能紊亂的現(xiàn)象[1]，表現(xiàn)為立位耐力降低和運動耐力下降。研究證實，細胞骨架對重力變化高度敏感，微重力環(huán)境會引起血管內(nèi)皮細胞骨架發(fā)生變化，表現(xiàn)為微絲和微管解聚等，從而導致細胞的增殖、凋亡、信號傳導等功能發(fā)生改變，進而影響到航天員的健康。本文就失重或模擬失重下細胞骨架調(diào)控血管內(nèi)皮細胞功能做一綜述。

1 微重力對血管內(nèi)皮細胞功能的影響

1.1 細胞增殖 研究表明，模擬失重可明顯影響血管內(nèi)皮細胞的增殖能力，但有關失重后血管內(nèi)皮細胞增殖活性的變化，各家報道并不一致。李靜等[2]通過流式細胞術和細胞計數(shù)技術分析模擬微重力下人臍靜脈內(nèi)皮細胞(human umbilical vein endothelial cells，HUVECs)的增殖情況，發(fā)現(xiàn)細胞的增殖受到抑制，細胞周期抑制于G2/M時期。Mariotti和Maier[3]實驗發(fā)現(xiàn)微重力下可使大鼠微血管內(nèi)皮細胞生長抑制，并認為其可能與IL-6的表達下調(diào)有關。Versari等[4]發(fā)現(xiàn)在微重力下P21蛋白表達增加，該物質(zhì)為細胞周期抑制因子，從而出現(xiàn)細胞增殖受抑制的現(xiàn)象。王俊鋒等[5]通過尾懸吊模擬失重大鼠，發(fā)現(xiàn)大鼠的肺組織中血管內(nèi)皮細胞生長因子表達增高，但是隨著模擬失重時間的延長，其增高程度出現(xiàn)下降趨勢。然而，Versari等研究發(fā)現(xiàn)，采用Random Positioning Machine和Rotating wall vessel兩種裝置模擬失重，均可刺激內(nèi)皮細胞生長。Carlsson等發(fā)現(xiàn)模擬失重可刺激大血管來源的內(nèi)皮細胞增殖，并認為這種變化與模擬失重引起的熱休克蛋白-70表達上調(diào)及IL-1表達下調(diào)有關。由此可見，由于血管內(nèi)皮細胞具有高度異質(zhì)性，失重刺激所致的不同組織來源及不同種屬的內(nèi)皮細胞增殖效應并不一致。

1.2 細胞凋亡 失重環(huán)境可誘導血管內(nèi)皮細胞出現(xiàn)凋亡增加。Infanger等[6]發(fā)現(xiàn)內(nèi)皮細胞在模擬失重環(huán)境下，細胞外基質(zhì)蛋白(extracellular matrix protein，ECMP)和血管內(nèi)皮生長因子的受體表達上調(diào)，Caspase-3、Bax蛋白等凋亡相關蛋白增加，提示模擬失重促進了內(nèi)皮細胞的凋亡，且72 h后細胞凋亡更加明顯[7]。章燁等[8]發(fā)現(xiàn)肺微血管內(nèi)皮細胞(pulmonary microvascular endothelial cell，PMVEC)的核固縮個數(shù)增多，表現(xiàn)為小體積的深染核形態(tài)，且出現(xiàn)細胞核碎片，表明失重環(huán)境可誘導細胞出現(xiàn)凋亡增加。沈羨云等[9]通過對血管內(nèi)皮細胞的檢測來分析血管內(nèi)皮細胞損傷和脫落的情況，結果發(fā)現(xiàn)模擬失重組家兔血管中有細胞質(zhì)豐富，細胞核清晰可見的細胞，判定為脫落的內(nèi)皮細胞，證明失重環(huán)境促進了內(nèi)皮細胞的損傷和脫落?？荡貉嗟萚10]通過對人肺微血管內(nèi)皮細胞(human pulmonary microvascular endothelial cell，HPMEC)在失重環(huán)境下的凋亡現(xiàn)象進行分析，發(fā)現(xiàn)回轉(zhuǎn)48 h后HPMEC染色質(zhì)固縮凝結，集中于核膜邊緣，核膜皺縮，破損，消失，細胞質(zhì)中出現(xiàn)凋亡小體和崩解的細胞器，細胞溶酶體大量出現(xiàn)，為典型的凋亡現(xiàn)象，提示細胞骨架的破壞有可能促進細胞的凋亡。因此，目前觀點認為失重或模擬失重可引起血管內(nèi)皮細胞凋亡增加，從而導致內(nèi)皮細胞的損傷。

1.3 對內(nèi)皮細胞一氧化氮合酶(eNOS)/一氧化氮(NO)系統(tǒng)影響 失重環(huán)境對eNOS/NO系統(tǒng)有顯著的影響。章燁等[8]發(fā)現(xiàn)在模擬失重環(huán)境下，肺動靜脈內(nèi)皮細胞eNOS表達增加，NO產(chǎn)生量增加，從而通過eNOS/NO信號通路的改變調(diào)節(jié)肺靜脈內(nèi)皮細胞的凋亡。Ma等[11]發(fā)現(xiàn)模擬失重可致大鼠不同部位NOS的表達出現(xiàn)差異性改變。尾懸吊模擬失重大鼠的胸主動脈eNOS和iNOS表達增加，而在腸系膜動脈表達降低，在腦動脈和股動脈無明顯變化。汪德生等[12]發(fā)現(xiàn)在模擬失重環(huán)境下，肺動脈的細胞中eNOS和iNOS表達增加，且隨著失重時間的增加，表達增加越明顯。張華等[13]發(fā)現(xiàn)回轉(zhuǎn)組的血管內(nèi)皮細胞產(chǎn)生NO量高于對照組，回轉(zhuǎn)組表達出現(xiàn)eNOS，而對照組不表達。我課題組利用體外培養(yǎng)的血管內(nèi)皮細胞，發(fā)現(xiàn)模擬失重下通過PI3K-Akt信號通路調(diào)節(jié)內(nèi)皮細胞iNOS和eNOS活性，使之上調(diào)[14]。這些研究提示，模擬失重會影響mRNA和NOS蛋白的表達，且在不同組織器官影響不同。但模擬失重對eNOS/NO系統(tǒng)的具體影響機制尚不清楚，需要進一步的研究。

2 細胞骨架的變化

細胞骨架對于重力變化高度敏感。李靜等[2]發(fā)現(xiàn)人臍靜脈內(nèi)皮細胞模擬失重48 h，發(fā)生了微管蛋白解聚，微管的網(wǎng)狀結構模糊的現(xiàn)象，且出現(xiàn)崩解的微管小聚體。戴鐘銓等[15]發(fā)現(xiàn)細胞經(jīng)過回轉(zhuǎn)模擬失重后出現(xiàn)了局部微絲解聚，張力纖維減少，骨架蛋白彌散分布，細胞核區(qū)與細胞質(zhì)分界模糊的現(xiàn)象。郭英華等[16]發(fā)現(xiàn)肺血管內(nèi)皮細胞回轉(zhuǎn)72 h后，F(xiàn)-action表達減少，微絲排列松散，體積減小，拉絲感和方向感減弱，細胞伸展不好。張華等[17]發(fā)現(xiàn)人臍靜脈細胞回轉(zhuǎn)72 h后，細胞貼壁不好，微絲骨架分布的有序性降低，微絲變短，稀少且紊亂不成束，向邊緣分布，且隨著回轉(zhuǎn)時間的延長，解聚程度加劇。這些研究表明，在模擬失重下，細胞骨架結構發(fā)生了變化，從而導致了內(nèi)皮細胞發(fā)生了改變，其功能也遭到了破壞。

3 細胞骨架在失重致血管內(nèi)皮細胞功能改變中的作用

血管內(nèi)皮細胞受重力影響的具體機制尚不清楚，但目前已有初步進展。早期研究表明，由于太空處于真空、微重力環(huán)境下，細胞骨架對重力的變化尤為敏感，細胞的性狀會發(fā)生改變，引起結構和功能的改變[18]。Spisni等[19]發(fā)現(xiàn)，胞膜窖具有機械感受的功能，臍靜脈內(nèi)皮細胞在模擬失重環(huán)境下，胞膜窖的表達以及其上面的窖蛋白-1的磷酸化水平均發(fā)生了改變，胞膜窖有可能是早期感受重力的分子之一。戴鐘銓等[15]發(fā)現(xiàn)，細胞整體感受重力的變化并通過物理和化學兩個通路來傳導力學信號，這兩個通路的交叉點就是細胞骨架，Hughes-Fulford[20]發(fā)現(xiàn)通過蛋白構象的改變將機械信號傳導至細胞核或者特定的靶點。Cowin等[21]發(fā)現(xiàn)細胞不是直接感受重力的變化，而是通過細胞外基質(zhì)和整合素的作用將力學的變化傳遞給細胞骨架，引起細胞骨架的重排。近幾年的研究表明，微管的組裝對重力具有依賴性[22-24]，僅含有微管蛋白和GTP的生物系統(tǒng)在地面上可以進行組裝，而在太空中無法組裝。Papaseit等[25]分析發(fā)現(xiàn)，重力通過擴散反應機制影響微管的組裝過程，在擴散反應體系中，重力和濃度的定向轉(zhuǎn)運打破了系統(tǒng)的平衡，更有利于微管的組裝，而在微重力下，反應體系相對靜止，無法進行微管的組裝。Buravkova和Romanov[26]認為，血流對于血管的剪切應力對內(nèi)皮細胞的形態(tài)功能有影響，微重力會導致切應力的降低。李靜等[2]認為微重力下，細胞的生理敏感性會降低，其對于切應力的感知能力會下降，導致內(nèi)皮細胞功能的異常[27]。具體機制尚不清楚，目前的多種研究表明，細胞骨架對重力變化敏感，重力可影響到細胞骨架的組裝，進而引起細胞功能的改變。

4 結語

綜上，失重或模擬失重環(huán)境下細胞骨架發(fā)生改變，導致其增殖、凋亡、信號傳導等功能發(fā)生改變，但具體其作用機制仍不清楚，有待進一步研究。空間生物醫(yī)學的研究將為航天員的健康和航天事業(yè)做出重要貢獻，細胞骨架的具體作用機制以及如何有效改善航天員失重環(huán)境下血管功能的異常將是我們今后研究的重點。

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Advances in effects of microgravity or simulated microgravity on vascular endothelial cells functions regulated by cytoskeleton

ZHANG Lijun2, XU Qin2, SUN Xiqing1, SHI Fei1, SUN Jing1, WANG Yongchun11Teaching and Research Section of Aerospace Biodynamics;2Student Brigade Fourth Military Medical University, Xi'an 710032, Shaanxi Province, China

WANG Yongchun. Email: wangych@fmmu.edu.cn

With the development of aviation, the health of astronauts in microgravity has aroused more attention. It has been reported that vascular endothelial cells are highly sensitive to gravity. The endothelium is located in a strategic anatomical position within the blood vessel wall and thereby plays a crucial role in maintaining physiological function, such as the integrity of the vasculature, material transfer, endocrine function and so on. However, the mechanism underlying the changes of endothelial cells function and structure induced by microgravity still remain to be fully elucidated. As the deepening research of aerospace medicine, it has been found that the cytoskeleton is very sensitive to the change of gravity. In microgravity, the vascular endothelial cell cytoskeleton will change, showing as the destruction of microf i lament and microtubule, which may result in the changes of cell proliferation, apoptosis and signal transduction function. The progresses in effects of microgravity or simulated microgravity on vascular endothelial cells functions regulated by cytoskeleton are reviewed in this article.

weightlessness; vascular endothelial cell; cytoskeleton; vascular endothelial cells function

R 852.22

A

2095-5227(2015)02-0187-03

10.3969/j.issn.2095-5227.2015.02.026

時間：2014-11-05 10:09

http://www.cnki.net/kcms/detail/11.3275.R.20141105.1009.002.html

2014-07-16

國家自然科學基金項目(81372130；81171872；81301681；81301682)

Supported by the National Natural Science Foundation of China(81372130; 81171872; 81301681; 81301682)

張麗君，女，在讀本科。Email: 1127286495@qq.com

王永春，博士，副教授。Email: wangych@fmmu.edu.cn