失重或模拟失重条件下细胞骨架调控血管内皮功能的研究进展

张丽君，徐 沁，孙喜庆，石 菲，孙 静，王永春

第四军医大学 航空航天医学系，陕西西安 7100321航空航天生物动力学教研室；2学员一旅

失重或模拟失重条件下细胞骨架调控血管内皮功能的研究进展

张丽君2，徐 沁2，孙喜庆1，石 菲1，孙 静1，王永春1

第四军医大学 航空航天医学系，陕西西安 7100321航空航天生物动力学教研室；2学员一旅

随着航空事业的发展，对失重环境下航天员的健康更为关注。最新研究发现，血管内皮细胞对于重力高度敏感，作为血管壁的衬里细胞，具有屏障、物质转移、内分泌等生理功能，在调节血管内环境的稳态中发挥重要作用，然而，失重所致的内皮细胞功能及结构异常的机制目前尚未完全明确。随着对空间生物医学研究的不断深入，发现细胞骨架对重力变化较为敏感，微重力条件下，血管内皮细胞骨架会发生变化，表现为微丝和微管的破坏，进而可导致细胞的增殖、凋亡、信号传导等功能发生变化。本研究就失重或模拟失重条件下细胞骨架调控血管内皮功能的研究进展做一综述。

失重；血管内皮细胞；细胞骨架；血管内皮功能

航天员在太空中将面临失重环境，多次的航天飞行实践表明，航天员失重后返回地面会出现心血管功能紊乱的现象[1]，表现为立位耐力降低和运动耐力下降。研究证实，细胞骨架对重力变化高度敏感，微重力环境会引起血管内皮细胞骨架发生变化，表现为微丝和微管解聚等，从而导致细胞的增殖、凋亡、信号传导等功能发生改变，进而影响到航天员的健康。本文就失重或模拟失重下细胞骨架调控血管内皮细胞功能做一综述。

1 微重力对血管内皮细胞功能的影响

1.1 细胞增殖 研究表明，模拟失重可明显影响血管内皮细胞的增殖能力，但有关失重后血管内皮细胞增殖活性的变化，各家报道并不一致。李静等[2]通过流式细胞术和细胞计数技术分析模拟微重力下人脐静脉内皮细胞(human umbilical vein endothelial cells，HUVECs)的增殖情况，发现细胞的增殖受到抑制，细胞周期抑制于G2/M时期。Mariotti和Maier[3]实验发现微重力下可使大鼠微血管内皮细胞生长抑制，并认为其可能与IL-6的表达下调有关。Versari等[4]发现在微重力下P21蛋白表达增加，该物质为细胞周期抑制因子，从而出现细胞增殖受抑制的现象。王俊锋等[5]通过尾悬吊模拟失重大鼠，发现大鼠的肺组织中血管内皮细胞生长因子表达增高，但是随着模拟失重时间的延长，其增高程度出现下降趋势。然而，Versari等研究发现，采用Random Positioning Machine和Rotating wall vessel两种装置模拟失重，均可刺激内皮细胞生长。Carlsson等发现模拟失重可刺激大血管来源的内皮细胞增殖，并认为这种变化与模拟失重引起的热休克蛋白-70表达上调及IL-1表达下调有关。由此可见，由于血管内皮细胞具有高度异质性，失重刺激所致的不同组织来源及不同种属的内皮细胞增殖效应并不一致。

1.2 细胞凋亡 失重环境可诱导血管内皮细胞出现凋亡增加。Infanger等[6]发现内皮细胞在模拟失重环境下，细胞外基质蛋白(extracellular matrix protein，ECMP)和血管内皮生长因子的受体表达上调，Caspase-3、Bax蛋白等凋亡相关蛋白增加，提示模拟失重促进了内皮细胞的凋亡，且72 h后细胞凋亡更加明显[7]。章烨等[8]发现肺微血管内皮细胞(pulmonary microvascular endothelial cell，PMVEC)的核固缩个数增多，表现为小体积的深染核形态，且出现细胞核碎片，表明失重环境可诱导细胞出现凋亡增加。沈羡云等[9]通过对血管内皮细胞的检测来分析血管内皮细胞损伤和脱落的情况，结果发现模拟失重组家兔血管中有细胞质丰富，细胞核清晰可见的细胞，判定为脱落的内皮细胞，证明失重环境促进了内皮细胞的损伤和脱落。康春燕等[10]通过对人肺微血管内皮细胞(human pulmonary microvascular endothelial cell，HPMEC)在失重环境下的凋亡现象进行分析，发现回转48 h后HPMEC染色质固缩凝结，集中于核膜边缘，核膜皱缩，破损，消失，细胞质中出现凋亡小体和崩解的细胞器，细胞溶酶体大量出现，为典型的凋亡现象，提示细胞骨架的破坏有可能促进细胞的凋亡。因此，目前观点认为失重或模拟失重可引起血管内皮细胞凋亡增加，从而导致内皮细胞的损伤。

1.3 对内皮细胞一氧化氮合酶(eNOS)/一氧化氮(NO)系统影响 失重环境对eNOS/NO系统有显著的影响。章烨等[8]发现在模拟失重环境下，肺动静脉内皮细胞eNOS表达增加，NO产生量增加，从而通过eNOS/NO信号通路的改变调节肺静脉内皮细胞的凋亡。Ma等[11]发现模拟失重可致大鼠不同部位NOS的表达出现差异性改变。尾悬吊模拟失重大鼠的胸主动脉eNOS和iNOS表达增加，而在肠系膜动脉表达降低，在脑动脉和股动脉无明显变化。汪德生等[12]发现在模拟失重环境下，肺动脉的细胞中eNOS和iNOS表达增加，且随着失重时间的增加，表达增加越明显。张华等[13]发现回转组的血管内皮细胞产生NO量高于对照组，回转组表达出现eNOS，而对照组不表达。我课题组利用体外培养的血管内皮细胞，发现模拟失重下通过PI3K-Akt信号通路调节内皮细胞iNOS和eNOS活性，使之上调[14]。这些研究提示，模拟失重会影响mRNA和NOS蛋白的表达，且在不同组织器官影响不同。但模拟失重对eNOS/NO系统的具体影响机制尚不清楚，需要进一步的研究。

2 细胞骨架的变化

细胞骨架对于重力变化高度敏感。李静等[2]发现人脐静脉内皮细胞模拟失重48 h，发生了微管蛋白解聚，微管的网状结构模糊的现象，且出现崩解的微管小聚体。戴钟铨等[15]发现细胞经过回转模拟失重后出现了局部微丝解聚，张力纤维减少，骨架蛋白弥散分布，细胞核区与细胞质分界模糊的现象。郭英华等[16]发现肺血管内皮细胞回转72 h后，F-action表达减少，微丝排列松散，体积减小，拉丝感和方向感减弱，细胞伸展不好。张华等[17]发现人脐静脉细胞回转72 h后，细胞贴壁不好，微丝骨架分布的有序性降低，微丝变短，稀少且紊乱不成束，向边缘分布，且随着回转时间的延长，解聚程度加剧。这些研究表明，在模拟失重下，细胞骨架结构发生了变化，从而导致了内皮细胞发生了改变，其功能也遭到了破坏。

3 细胞骨架在失重致血管内皮细胞功能改变中的作用

血管内皮细胞受重力影响的具体机制尚不清楚，但目前已有初步进展。早期研究表明，由于太空处于真空、微重力环境下，细胞骨架对重力的变化尤为敏感，细胞的性状会发生改变，引起结构和功能的改变[18]。Spisni等[19]发现，胞膜窖具有机械感受的功能，脐静脉内皮细胞在模拟失重环境下，胞膜窖的表达以及其上面的窖蛋白-1的磷酸化水平均发生了改变，胞膜窖有可能是早期感受重力的分子之一。戴钟铨等[15]发现，细胞整体感受重力的变化并通过物理和化学两个通路来传导力学信号，这两个通路的交叉点就是细胞骨架，Hughes-Fulford[20]发现通过蛋白构象的改变将机械信号传导至细胞核或者特定的靶点。Cowin等[21]发现细胞不是直接感受重力的变化，而是通过细胞外基质和整合素的作用将力学的变化传递给细胞骨架，引起细胞骨架的重排。近几年的研究表明，微管的组装对重力具有依赖性[22-24]，仅含有微管蛋白和GTP的生物系统在地面上可以进行组装，而在太空中无法组装。Papaseit等[25]分析发现，重力通过扩散反应机制影响微管的组装过程，在扩散反应体系中，重力和浓度的定向转运打破了系统的平衡，更有利于微管的组装，而在微重力下，反应体系相对静止，无法进行微管的组装。Buravkova和Romanov[26]认为，血流对于血管的剪切应力对内皮细胞的形态功能有影响，微重力会导致切应力的降低。李静等[2]认为微重力下，细胞的生理敏感性会降低，其对于切应力的感知能力会下降，导致内皮细胞功能的异常[27]。具体机制尚不清楚，目前的多种研究表明，细胞骨架对重力变化敏感，重力可影响到细胞骨架的组装，进而引起细胞功能的改变。

4 结语

综上，失重或模拟失重环境下细胞骨架发生改变，导致其增殖、凋亡、信号传导等功能发生改变，但具体其作用机制仍不清楚，有待进一步研究。空间生物医学的研究将为航天员的健康和航天事业做出重要贡献，细胞骨架的具体作用机制以及如何有效改善航天员失重环境下血管功能的异常将是我们今后研究的重点。

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3 Mariotti M， Maier JA. Gravitational unloading induces an antiangiogenic phenotype in human microvascular endothelial cells［J］. J Cell Biochem， 2008， 104（1）： 129-135.

4 Versari S， Villa A， Bradamante S， et al. Alterations of the actin cytoskeleton and increased nitric oxide synthesis are common features in human primary endothelial cell response to changes in gravity［J］. Biochim Biophys Acta， 2007， 1773（11）： 1645-1652.

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9 沈羡云，陈建和，孟京瑞，等．模拟失重时兔血液中血管内皮细胞数量的变化［J］.微循环学杂志，1997，7（2）：12-13．

10 康春燕，刘长庭，邹琳，等．模拟微重力对人肺微血管内皮细胞凋亡的影响［J］.解放军医学杂志，2010，35（11）：1315-1318．

11 Ma J， Kahwaji CI， Ni Z， et al. Effects of simulated microgravity on arterial nitric oxide synthase and nitrate and nitrite content［J］. J Appl Physiol （1985）， 2003， 94（1）： 83-92.

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13 张华，孙野青，张凤蕴，等．模拟微重力对人脐静脉内皮细胞形态及NO产生的影响［J］.航天医学与医学工程，2005，18（5）：324-328．

14 Shi F， Wang YC， Zhao TZ， et al. Effects of simulated microgravity on human umbilical vein endothelial cell angiogenesis and role of the PI3K-Akt-eNOS signal pathway［J］. PLoS One， 2012， 7（7）：e40365.

15 戴钟铨，李莹辉，丁柏，等．模拟微重力诱导的细胞微丝变化影响COL1A1启动子活性［J］.生理学报，2006，58（1）：53-57．

16 郭英华，郭娜，苏龙翔，等．模拟失重对肺微血管内皮细胞屏障功能的影响［J］.军医进修学院学报，2012，33（9）：950-952．

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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

时间：2014-11-05 10:09

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

2014-07-16

国家自然科学基金项目(81372130；81171872；81301681；81301682)

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

张丽君，女，在读本科。Email: 1127286495@qq.com

王永春，博士，副教授。Email: wangych@fmmu.edu.cn