小血管/毛细血管管腔直径的调控机制

都基山 李金清

【提要】 小血管/毛细血管的管腔直径受到多方面因素调控，是一个复杂的动态过程。在胚胎发育阶段，血流动力学与遗传信息等因素共同作用，调节管腔大小。在胚后发育阶段及成年的血管中，管腔直径调节更为复杂，血流动力学与遗传因素的作用依然存在。但一些体液因素通过调节血管平滑肌收缩、舒张，进而调控管腔直径是该阶段管腔调控的主要因素。本文主要就近年来有关于小血管/毛细血管管腔直径调控机制的研究进展进行综述。

人体的血管分为动脉、静脉和毛细血管。动脉可以分为大动脉、中动脉、小动脉。大动脉是弹性血管，管壁有多层弹性膜与大量弹性纤维，包括主动脉、肺动脉、无名动脉、颈总动脉、锁骨下动脉、髂总动脉和股动脉等[1-2]。中动脉属于肌性血管，中层平滑肌丰富，管径在1～10 mm，包括大动脉以外未被命名的所有动脉。小动脉管径在1 mm以下，与中动脉结构类似，但一般没有外弹性膜，也属于肌性动脉。其中微动脉是管径小于300 μm小动脉。静脉与动脉相伴行，相伴而行的动静脉其管径相似。毛细血管是连接微动脉和微静脉的血管，管径最细，平均约为6～9 μm，分布最广[3]。

不同直径的血管有不同的功能。其中，大中动脉的主要功能是运输血液，而小动脉的主要功能是在神经体液的调控作用下调控血压并调节器官和组织的灌注[4]。比如人在应激状态时，皮肤及消化系统的小动脉在神经体液的调控下(交感神经兴奋，血液内的儿茶酚胺增加)收缩，血压增高，脑、心脏和肌肉的小血管舒张，血液更多地进入脑、心脏和肌肉内，有利于人体应对紧急情况[5]。毛细血管的主要功能是营养及代谢产物的交换，也是人体唯一能进行物质交换的场所。比如肺部的毛细血管能排出CO2，摄入O2，满足全身组织的需要[6]；肝脏部位的毛细血管能将各种蛋白运送给其他需要的组织；肾脏部位的毛细血管能将尿酸、尿素等废物滤出来，随尿排出。

与大中血管相比，小血管与毛细血管的功能受管腔直径改变的影响极大。小血管与毛细血管直径的改变是许多疾病病理改变的基础。比如小动脉收缩可能引发高血压，糖尿病肾脏早期病变中小血管扩张造成高灌注，系统性红斑狼疮患者中的非瘢痕性脱发、盘状红斑样皮疹与局部毛细血管扩张密切相关。同样的，多种疾病的治疗也与小血管、毛细血管的直径有关。比如降压药中有扩血管药，肺动脉高压也需要靶向药治疗，抑制毛细血管生长、减小毛细血管直径的药物在肿瘤治疗中的作用也愈来愈被重视[7]。因此，小血管与毛细血管管腔直径调节机制的研究具有重大意义。

人体发育的整个过程可以分为胚胎发育和胚后发育两个阶段。胚胎发育阶段是从受精卵分裂开始，到胎儿出生前，大约为280 d。胚后发育阶段，即从出生至成人之间的人体发育阶段。由于胚胎发育阶段与胚后发育阶段血管结构并不相同，血管直径调节机制也各不相同。因此，本文将分别对这两个阶段的小血管与毛细血管管腔直径的调节机制进行综述。

1 胚胎发育阶段血管直径的调节

胚胎发育阶段，血管系统形成的过程可以分为血管生成与血管新生两部分。血管生成(Vasculogenesis)是从无到有，由胚外中胚层分化而来的内皮细胞聚集成索样结构[8]，血管索中心形成空腔，各个空腔相互联通构成初级血管网络。血管新生(Angiogenesis)是在已有血管基础上血管内皮增殖、迁移，不断生长出新的血管[8-9]。无论哪个阶段，血管一旦形成，就会迅速暴露在与血液流动有关的物理力下，这种力与遗传信息一起调节血管内径的最终大小。所以在胚胎发育阶段血流动力学与遗传信息调节对毛细血管与小血管的直径起到主要作用[10]。

1.1 血流动力学

血流动力学是调控体内血管直径的重要因素，血流不光带来营养物质、氧气和信号分子，同时也在血管壁的内皮细胞(ECs)上产生物理力。物理力一般分为两种，与管道相切称为剪切应力，另一种与管腔垂直，称为圆周应力，也是通常意义上的压力。已有研究表明，血流对管腔直径的维持和调节至关重要，百年前查普曼通过手术移除小鸡胚胎的心脏，虽然外围血管丛形成，但未能重塑成血管系统；为了除去缺氧的影响，用高水平的氧气进行灌注，发现血管重构仍然没有发生。在Ncx1敲除小鼠中，心脏形成但不跳动，也无法形成重塑的血管网络，尽管发育的其他方面，如肢体和器官的发育是正常的[11]。心脏的跳动早于血管重塑的完成，所以心脏跳动产生的血流动力贯穿于血管新生的过程。由于新生的动脉远端闭塞，血流流动时对内皮细胞剪切应力较大，导致内皮细胞水肿、黏附分子上调、有丝分裂、血栓形成和纤溶因子的激活，导致单核细胞入侵与基质消化。平滑肌细胞在周向壁应力的作用下迁移增殖，血管扩张。所涉及的生长因子属于FGF家族，信号转导通过Ras/Raf-和Rho级联进行。血管半径和壁厚的增加使流体剪切应力和周向壁应力恢复到正常水平，生长停止[12-13]。在血管重构完成后的动物胚胎发育过程中，当不经常灌注时，血管会收缩；而当暴露于增加的流量和压力时，血管会扩张，比如心脏停搏而导致的血流淤滞就会影响主动脉直径的扩大并影响血管的伸展。虽然在这种情况下，血管的平滑肌层是最活跃的，但内皮细胞依然被血流激活，有助于改变管腔的大小[14]。流体剪切应力的变化首先通过促进内皮细胞肿胀来介导内皮细胞的活化，这在一定程度上导致了管腔狭窄。为了对抗这种效应，ECs打开离子通道介导渗透液的流出，使其恢复到正常体积，体积调节的内皮氯通道(VRACs)的激活似乎在这一过程中起着关键作用[15]。有趣的是，使用VRACs阻断剂(诸如米贝拉地尔、他莫昔芬和克罗米芬等)时，侧支生长被抑制了，但却促进了血管扩张[16]。内皮细胞的机械感觉功能为许多器官和组织提供了重要的适应性反应，说明血流流动对血管腔的形成至关重要。

1.2 血管内皮生长因子

血管内皮生长因子(Vascular endothelial growth factor，VEGF)家族成员包括6种分泌型糖蛋白二聚体，即VEGF-A、-B、-C、-D、-E和胎盘生长因子。其中VEGF-A发现最早也研究最多，在血管新生的过程中起重要作用。VEGF-A可与VEGFR2结合，激活Src信号通路，促进血管内皮细胞上α6β1整合素与其配体laminin的分离。α6β1整合素对内皮细胞与胞外域之间的黏附性起重要作用，是新生血管芽的前体-足体环向胞外迁移的主要功能蛋白。VEGF-A促进足体环局部α6β1整合素增多，激活金属基质蛋白酶(MT-MMP)，在金属基质蛋白酶(MT-MMP)的作用下，对基底膜及壁细胞的降解起调控作用，促进足体环向胞外域迁徙，从而促进血管新生[17]。然而，VEGF-A的不同异构体可以影响血管管腔的直径大小，Ruhrberg等[18]对小鼠胚胎进行VEGF-A亚型的功能研究，发现其中可溶性VEGF亚型VEGF-120生成的血管直径大于VEGF-188亚型。相反，只表达VEGF-164亚型的小鼠具有中等口径的毛细血管。各亚型之间的区别取决于与细胞外基质(ECM)相互作用的能力：异构体越长，其对基质蛋白的亲和力越大。但是目前还不清楚这些差异如何导致一个独特的管腔直径[18]。

1.3 Notch信号通路

Notch信号通路在进化上高度保守，广泛存在于无脊椎动物到哺乳动物等多种生物，哺乳动物包含有5个配体(Dll1、Dll3、Dll4、Jagged1以及Jagged2)，4个受体(Notch1～4)。在血管系统中，Notch1和Notch4在血管内皮细胞中表达，Notch3在血管平滑肌上表达[19]。敲除Notch1基因的小鼠胚胎有严重的体节发育缺陷和心血管发育异常，在形成16～20个体细胞、完成胚胎转化和完成前神经管闭合后发育停止。与正常胚胎相比，敲除Notch1基因小鼠胚胎的卵黄囊外观更为苍白，卵黄囊内缺少分化成熟的血管，而显示为一个紊乱的融合的血管丛，且背主动脉与前主静脉大多塌陷闭锁，使卵黄囊内缺乏大的血管。严重的发育缺陷使胚胎一般在发育第9.5天致死[20]。单独敲除Notch4基因后小鼠胚胎发育正常，但如果同时敲除Notch1和Notch4基因，小鼠将会有比敲除单独Notch1基因更严重的发育异常，双基因敲除胚胎的体细胞较少，未完成胚胎转化，神经管开放，血管发育缺陷也更为严重。另外，Notch4基因过表达型胚胎也有类似的血管发育缺陷并会早期死亡[21]。在这些研究中，Notch1和Notch4基因的功能说明了它们对管腔大小的互补影响。同样地，Notch配体也在血管发育中起重要作用，调控血管再生与周围环境密切相关，表现出协同、独特甚至完全相反的作用。Jagged1(主要在柄细胞中表达)促进血管再生，而DII4(主要在尖细胞中表达)对血管再生有拮抗作用[22]。Notch配体是Notch信号通路决定血管新生过程中VECs向端细胞(Tip cell)或者柄细胞(Stalk cell)分化的基础。研究显示，VEGF与VEGFR2结合后，可以激活Dll4-Notch信号通路合作调节血管内皮钙黏素(VE-cadherin)的动态组装，VE-cadherin是内皮黏附连接的标志物，在细胞极性和血管管腔形成中有重要功能，可以显著影响血管管腔直径[22-23]。在VE-cadherin敲除的斑马鱼模型中，体节间血管(ISV)管腔变窄甚至闭合[24]。

2 胚后发育阶段及成年后血管直径的调节

当胚胎发育完成时，血管系统的发育也进入了新的阶段，遗传因素虽然仍在发育完全组织中起一定作用，但在完全分化的多层血管中，管腔直径在很大程度上受到血液压力和流量作用下的平滑肌收缩与舒张的调节[25]。内皮细胞内径的生理变化可以通过改变eNOS或NO水平来实现，这对血压有明显的影响。药理学上，调节平滑肌细胞收缩状态的药物也可以达到同样的效果。事实上，内皮细胞层对这些直径的变化表现出很强的适应能力，这可能是通过胞吐和内吞作用引起的细胞膜表面积的变化。这方面目前并未获得深入研究，有待于今后的进一步探索。

2.1 血流动力学

胚胎血管系统和成人血管系统对血流动力学的反应并不相同。在成人的系统中，慢性剪切应力升高导致血管直径增大，而慢性压力升高导致血管直径减小[26-27]。但在发育完全的组织中，持续的血压病理性升高可以导致管腔扩张，但毛细血管的膨胀性会随着压力升高而降低，这与“Glagov现象”有关。该现象是指在管腔的血压持续升高作用下，扩张的管壁通过代偿增生使管腔始终保持其原始直径[28]，动脉的血管壁能够感知压力并通过重构血管壁的所有成分来适应压力。因此，血压的升高会导致内皮细胞、平滑肌和成纤维细胞的增生和肥大，在某种程度上对抗了血压的升高，维持血管管腔的原有直径[28]。在高盐致高血压大鼠模型中发现，与正常盐饲养组比较，Wistar大鼠的胸主动脉、肾动脉及肠系膜上动脉第二级分支3种血管均出现血管壁中层厚度增加、中层厚度与管腔比率增加、血管壁横截面积增加，但两组间血管腔直径无显著差别[29]。人体中下肢毛细血管承受超过20～30 mmHg(1 mmHg=0.133kPa)的压力差，远高于正常毛细血管5～10 mmHg的压力差，但下肢毛细血管管腔直径仍然是5～10 μm[30]；而肾脏肾小球毛细血管内的压力高达35 mmHg，毛细血管的管腔直径也是5～10 μm[31]。研究表明，下肢和肾小球毛细血管基底膜厚度远大于其他器官，提示基底膜的代偿性增厚限制了血管的扩张。因此血流动力学虽然是血管扩张的直接动力，但却可能不是毛细血管管腔直径的直接调控因素。

2.2 eNOS系统

eNOS是心血管系统中表达的主要NOS亚型，主要在血管内皮细胞中表达，对管腔直径调控起重要作用。NOS作用依赖于其代谢产物NO，后者在生成后迅速弥散到邻近的平滑肌细胞，与可溶性鸟苷酸环化酶(sGC)的亚铁血红蛋白部分结合，在催化部位附近导致构型改变，从而激活sGC，在Mg2+存在的情况下，升高cGMP水平，使细胞内Ca2+浓度下降，进而激活蛋白激酶，造成肌球蛋白轻链去磷酸化，肌纤维松弛，最终使平滑肌松弛，血管扩张。但eNOS活性激活的调节是复杂的，可通过与可逆的非共价钙依赖性钙调蛋白结合进行调节，但还涉及其他机制，包括剪切应力传感器诱导以及丝氨酸、苏氨酸/酪氨酸磷酸化等[32]。eNOS在维持血管张力、循环生理学和血压方面有着核心作用，代表了几种刺激信号的整合。利用敲除和转基因过表达小鼠模型对NOS酶的研究揭示了其在神经元、肾脏、肺、胃肠、骨骼肌、生殖和心血管生物学中的关键作用。eNOS基因敲除小鼠在出生后不久由于心血管异常死亡，而且都是高血压小鼠，存在主动脉环内乙酰胆碱依赖性舒张的降低。对糖尿病大鼠的研究提示，肾微血管系统中eNOS的上调，导致NO基础代谢的增加，是早期糖尿病肾内血管舒张的原因[33]。同样地，糖尿病视网膜病变是以视网膜血流紊乱为特征的视网膜病变。临床和实验研究都表明高血糖会导致较大的视网膜毛细血管扩张，该过程也被认为是由NO介导的。但是对其中小血管的研究发现，葡萄糖诱导的猪毛细血管前小动脉体外扩张不同于大动脉和毛细血管，其反应不受NO合成阻断的影响[34]。这也提示不同组织部位的管腔调节存在着阶段性分布的特点。对eNOS系统的研究还有待于进一步深入。

3 小血管/毛细血管直径调控展望

3.1 小血管/毛细血管直径调控机制

我们对血管腔形成的认识还处于初级阶段。血管运动非常复杂，受神经、体液、代谢性物质、各种离子、血管活性物质以及手术、麻醉、疾病、环境温度等多种因素的影响。事实上，许多基本问题仍未解决，许多影响因素的机制还未全面阐明。

3.2 相关研究中亟待解决的问题

尽管小血管/毛细血管管腔直径调控取得了诸多进展，但依然存在很多亟待解决的科学问题：①在不同病理生理情况下，在不同组织器官的微环境下，不同特性的血管内皮细胞如何应对复杂的信号(理化信号、神经体液信号、遗传信号等)而表现出精确的反应，并形成一定直径的血管管腔？②细胞外基质如何与血管内皮细胞、平滑肌细胞或者周皮细胞内的细胞内信号分子网络相互作用，动态调控小血管/毛细血管的管腔直径，进而调控血液和血流？③血管管腔稳态维持的调控机制又是怎样的？

3.3 新技术可能促进相关的研究

随着各类新技术的出现，有关小血管/毛细血管管腔直径调控机制的研究可能取得较大进展。随着基因组靶向修饰技术以及细胞谱系示踪技术的进步，相信会发现越来越多关于血管管腔调节的新机制。自噬、长非编码RNA、microRNA、外泌体等也许在血管管腔形成中具有重要的功能。单细胞测序、RNA深度测序、蛋白质芯片等高通量技术也将促进血管管腔调控机制的研究进展。

总之，深刻理解血管管腔形成在时间和空间上的精确调控机制，将为组织工程器官构建、组织器官再生以及包括肿瘤血管新生、血管退化性疾病等在内的各种病理条件下的靶向血管管腔形成的干预提供重要的理论基础。