引言

心脑血管疾病依旧是全世界范围内发病率和死亡率第一的疾病，对人类健康和生命构成了严重的威胁，具有高患病率、高致残率、高死亡率的特点。很多心血管疾病通常伴随着异常的血管重构，比如高血压、动脉粥样硬化、糖尿病伴随的血管病变，血管会变狭窄甚至堵塞，这一过程的发生机制还不完全清楚。血管重构是一个重要的适应性机制，使动脉直径满足各种生理和病理条件下的血流变化。内皮细胞形成血管最内层，持续暴露在血流作用下。血流会对内皮细胞产生一种摩擦力，称为血流剪切力。自上世纪九十年代起，越来越多的研究证明血流剪切力的变化是导致血管发生重构的一个重要因素。近十年来工作表明内皮细胞有一个维持血管稳态的血流剪切力设定值（set point），内皮细胞对血流剪切力的感应支配着血管重构，使剪切力在稳态的血管中保持在一个特定的设定值范围内。当血流剪切力降低至设定值以下，动脉会发生内向重构；反之，当血流剪切力升高，动脉会发生外向重构。血流剪切力的变化会激活内皮细胞内不同的信号通路，引发不同的血管重构，探索这些分子机制有助于开发新的治疗靶点。

2024年7月8日，耶鲁大学心血管研究中心Martin Schwartz教授实验室邓汉强博士在Nature Cardiovascular Research杂志上发表题为 A KLF2-BMPER-Smad1/5 checkpoint regulates high fluid shear stress-mediated artery remodeling 【1】的研究论文，揭示了一条新的调控高血流剪切力介导血管重构的通路，为治疗缺血性外周血管疾病提供新的治疗靶点。

作者实验室之前的工作聚焦于低剪切力介导的内向重构在高血压和动脉粥样硬化中的作用，发现低剪切力激活ALK5-Smad2/3通路诱导血管内向重构【2-3】，而高剪切力介导的外向重构相关机制知之甚少。与Smad2/3通路相反，Smad1/5在生理性剪切力下被最大限度激活，而在高剪切力下被抑制。因为KLF2是最主要的受剪切力调控的转录因子，研究人员用RNA干扰技术在人脐静脉内皮细胞（HUVECs）敲低KLF2，然后分别用低、生理性和高剪切力处理细胞，之后用免疫荧光检测Smad1/5入核。结果显示在对照组中Smad1/5从低剪切力到生理性剪切力逐渐进入细胞核，然后在高剪切力下被抑制；当敲低KLF2后，在高剪切力下Smad1/5依旧在细胞核内。为了进一步证明Smad1/5入核是否依赖于其C端磷酸化，分别用免疫荧光和免疫印迹检测了敲低KLF2后不同剪切力情况下Smad1/5磷酸化，结果都表明KLF2在高剪切力下抑制Smad1/5磷酸化。RNA测序筛选出BMPER (Bone morphogenetic protein binding endothelial regulator) 是KLF2下游介导高剪切力抑制Smad1/5的关键分子，这一结论也通过一系列实验验证。使用体内动静脉瘘（arteriovenous fistula, AVF）模型——通过手术将右颈动脉与颈静脉连通，临床上常用于血液透析。研究人员证实高血流剪切力诱导动脉外向重构，同时伴随BMPER表达升高，Smad1/5被抑制和Akt被激活。有趣的是，已发表的数据显示Smad1/5通路抑制PI3K-Akt的激活，而Akt的活化对血管外向重构是很必要的。于是研究人员通过一系列实验进一步发现在高血流剪切力下，BMPER可以调控Akt的磷酸化和活性，从而调控血管舒张和外向重构。为了进一步在体内证明BMPER在外向重构中的作用，研究人员构建了内皮细胞特异性敲除BMPER的小鼠。然后用BMPER内皮细胞敲除小鼠和对照组构建动静脉瘘模型，发现内皮细胞缺失BMPER减缓了高血流剪切力诱导的外向重构，Smad1/5被重新活化。研究人员同时采用了另外一个老鼠模型——下肢缺血模型（hindlimb ischemia, HLI），发现BMPER内皮细胞敲除小鼠血流恢复速度比对照组显著变慢，切片染色显示血管重构受损。为了验证缺失BMPER引起的表型是由于Smad1/5被重新活化介导的，研究人员用BMP9/10中和抗体来抑制Smad1/5活化。在下肢缺血模型中，BMP9/10中和抗体可以显著改善BMPER内皮细胞敲除小鼠血流恢复速度及血管重构。临床上糖尿病患者有一个典型的症状——糖尿病足。表现是糖尿病患者足部受伤后难以愈合，出现下肢缺血和溃疡，严重者可导致截肢。为了进一步验证BMP9/10中和抗体对血管重构的影响，研究人员分别用C57BL/6野生型小鼠建立了链脲佐菌素（STZ）诱导的1型糖尿病和高脂饮食诱导的2型糖尿病模型，然后实施下肢缺血模型，最后分别注射IgG和BMP9/10中和抗体。结果显示与IgG对照组比，BMP9/10中和抗体显著提高血流恢复速度，同时改善血管生成和血管重构。文章上线的同时，编辑特意邀请英国伦敦玛丽女王大学（Queen Mary University of London）的Paul Evans教授撰写了评论【4】。认为这项研究详细揭示了一条新的KLF2-BMPER-Smad1/5通路调控高血流剪切力介导的血管外向重构，基于这条通路尝试用BMP9/10中和抗体改善糖尿病引起的下肢缺血和血管重构，为临床上治疗缺血性疾病提供了潜在的治疗方法。模式图 (Credit: Nature Cardiovascular Research)

参考文献

1. H Deng, J Zhang, Y Wang, D Joshi, X Pi, Val S De, M Schwartz. A KLF2-BMPER-Smad1/5 checkpoint regulates high fluid shear stress-mediated artery remodeling. Nature Cardiovascular Research. 2024 July 8. DOI: https://doi.org/10.1038/s44161-024-00496-y.2. H Deng, Y Xu, X Hu, Z Zhuang, Y Chang, Y Wang, A Ntokou, M Schwartz, B Su*, M Simons*. MEKK3-TGFβ crosstalk regulates inward arterial remodeling. PNAS. 2021 Dec 21; 118(51):e2112625118. PMID: 34911761.3. H Deng, E Min, N Baeyens, B Coon, R Hu, Z Zhuang, M Chen, B Huang, T Afolabi, G Zarkada, A Acheampong, K McEntee, A Eichmann, F Liu, B Su, M Simons, M Schwartz. Activation of Smad2/3 signaling by low fluid shear stress mediates artery inward remodeling. PNAS. 2021 Sep 14; 118(37):e2105339118. PMID: 34504019.4. S Tian, P Evans. Nature Cardiovascular Research. 2024 July 8. DOI: https://doi.org/10.1038/s44161-024-00506-z.https://www.nature.com/articles/s44161-024-00496-y

责编|探索君

排版|探索君

文章来源|“BioArt”

End