失重或模擬失重條件下細胞骨架調控血管內皮功能的研究進展

張麗君，徐 沁，孫喜慶，石 菲，孫 靜，王永春

第四軍醫大學 航空航天醫學系，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控血管內皮功能的研究進展

張麗君2，徐 沁2，孫喜慶1，石 菲1，孫 靜1，王永春1

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

隨著航空事業的發展，對失重環境下航天員的健康更為關注。最新研究發現，血管內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、物質轉移、內分泌等生理功能，在調節血管內環境的穩態中發揮重要作用，然而，失重所致的內皮細胞功能及結構異常的機制目前尚未完全明確。隨著對空間生物醫學研究的不斷深入，發現細胞骨架對重力變化較為敏感，微重力條件下，血管內皮細胞骨架會發生變化，表現為微絲和微管的破壞，進而可導致細胞的增殖、凋亡、信號傳導等功能發生變化。本研究就失重或模擬失重條件下細胞骨架調控血管內皮功能的研究進展做一綜述。

失重；血管內皮細胞；細胞骨架；血管內皮功能

航天員在太空中將面臨失重環境，多次的航天飛行實踐表明，航天員失重后返回地面會出現心血管功能紊亂的現象[1]，表現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，微重力環境會引起血管內皮細胞骨架發生變化，表現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控血管內皮細胞功能做一綜述。

1 微重力對血管內皮細胞功能的影響

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

1.2 細胞凋亡 失重環境可誘導血管內皮細胞出現凋亡增加。Infanger等[6]發現內皮細胞在模擬失重環境下，細胞外基質蛋白(extracellular matrix protein，ECMP)和血管內皮生長因子的受體表達上調，Caspase-3、Bax蛋白等凋亡相關蛋白增加，提示模擬失重促進了內皮細胞的凋亡，且72 h后細胞凋亡更加明顯[7]。章燁等[8]發現肺微血管內皮細胞(pulmonary microvascular endothelial cell，PMVEC)的核固縮個數增多，表現為小體積的深染核形態，且出現細胞核碎片，表明失重環境可誘導細胞出現凋亡增加。沈羨云等[9]通過對血管內皮細胞的檢測來分析血管內皮細胞損傷和脫落的情況，結果發現模擬失重組家兔血管中有細胞質豐富，細胞核清晰可見的細胞，判定為脫落的內皮細胞，證明失重環境促進了內皮細胞的損傷和脫落。康春燕等[10]通過對人肺微血管內皮細胞(human pulmonary microvascular endothelial cell，HPMEC)在失重環境下的凋亡現象進行分析，發現回轉48 h后HPMEC染色質固縮凝結，集中于核膜邊緣，核膜皺縮，破損，消失，細胞質中出現凋亡小體和崩解的細胞器，細胞溶酶體大量出現，為典型的凋亡現象，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皮細胞凋亡增加，從而導致內皮細胞的損傷。

1.3 對內皮細胞一氧化氮合酶(eNOS)/一氧化氮(NO)系統影響 失重環境對eNOS/NO系統有顯著的影響。章燁等[8]發現在模擬失重環境下，肺動靜脈內皮細胞eNOS表達增加，NO產生量增加，從而通過eNOS/NO信號通路的改變調節肺靜脈內皮細胞的凋亡。Ma等[11]發現模擬失重可致大鼠不同部位NOS的表達出現差異性改變。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]發現在模擬失重環境下，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]發現回轉組的血管內皮細胞產生NO量高于對照組，回轉組表達出現eNOS，而對照組不表達。我課題組利用體外培養的血管內皮細胞，發現模擬失重下通過PI3K-Akt信號通路調節內皮細胞iNOS和eNOS活性，使之上調[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]發現人臍靜脈內皮細胞模擬失重48 h，發生了微管蛋白解聚，微管的網狀結構模糊的現象，且出現崩解的微管小聚體。戴鐘銓等[15]發現細胞經過回轉模擬失重后出現了局部微絲解聚，張力纖維減少，骨架蛋白彌散分布，細胞核區與細胞質分界模糊的現象。郭英華等[16]發現肺血管內皮細胞回轉72 h后，F-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]發現人臍靜脈細胞回轉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，細胞骨架結構發生了變化，從而導致了內皮細胞發生了改變，其功能也遭到了破壞。

3 細胞骨架在失重致血管內皮細胞功能改變中的作用

血管內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、微重力環境下，細胞骨架對重力的變化尤為敏感，細胞的性狀會發生改變，引起結構和功能的改變[18]。Spisni等[19]發現，胞膜窖具有機械感受的功能，臍靜脈內皮細胞在模擬失重環境下，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]發現，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]發現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]發現細胞不是直接感受重力的變化，而是通過細胞外基質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]分析發現，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運打破了系統的平衡，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皮細胞的形態功能有影響，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，失重或模擬失重環境下細胞骨架發生改變，導致其增殖、凋亡、信號傳導等功能發生改變，但具體其作用機制仍不清楚，有待進一步研究。空間生物醫學的研究將為航天員的健康和航天事業做出重要貢獻，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