血管内皮糖萼抑制低密度脂蛋白在血管壁沉积的作用及其力学生物学机制

The endothelial glycocalyx is a fluffy surface layer mainly composed of glycosaminoglycans and its bearing core proteins, and also a physical barrier for molecular exchange. It has been demonstrated that the endothelial glycocalyx can inhibit the transport of atherogenic low density lipoproteins (LDL) across the endothelium. Howerver, the underlying mechanism is unclear. This project intends to investigate the binding effect between LDL and glycocalyx, the depth of LDL penetrated into the glycocalyx, and the correlationship between glycocalyx, leaky junctions, and LDL transendothelial transport by using LDL affinity column chromatography, SDS-PAGE, high pressure freezing/freezing substitution transmission electron microscopy, immunofluorescence, and in in vitro shear stress application techniques. The proposed project aims at testifying the following hypothesis: the endothelial glycocalyx may play dual roles in the process of LDL accumulation within the vascular wall. One hand, it may act as a physical barrier, bind with LDLs, control them, and inhibit the deeper infiltration of LDLs into the vascular wall. The other hand, it may act as a mechanosensor, inhibit the proliferation and apoptosis of endothelial cell (EC) in response to the local hemodynamic environment, thus reducing the number of leaky junctions for LDL transport across the endothelium. The proposed project can enrich our understanding of the mechanism of atherosclerosis initiation and provide evidence to view the glycocalyx as a novel target for vascular disease prevention and treatment.

糖萼是位于内皮细胞顶膜的一层多糖蛋白复合结构，是血管壁的物理渗透屏障。糖萼具有阻止致动脉粥样性脂质——低密度脂蛋白（LDL）在血管壁沉积的作用，但机制不明。本项目拟采用LDL亲和柱层析结合蛋白质免疫印迹、高压冷冻电镜、免疫荧光及体外力学加载等方法，探究LDL是否与糖萼结合、LDL在糖萼层的渗透深度、糖萼与孔洞（leaky junctions）及LDL跨内膜输运的相关性。旨在验证申请人提出的科学猜想：糖萼在阻止LDL向血管壁沉积过程中可能扮演了双重角色：一方面，糖萼通过与LDL结合，将其捕捉、截留在糖萼层内部；另一方面，糖萼作为力感受器，在局部血流动力学环境下，抑制内皮细胞（EC）的增殖、凋亡，减少血管内膜表面供LDL通过的孔洞数量和面积，最终达到阻止LDL向血管壁沉积的目的。本项目的实施将为动脉粥样硬化的发病机理提供力学生物学依据，并为将糖萼作为血管潜在的防治靶点提供理论支持。

糖萼是位于血管内皮细胞顶膜的一层多糖蛋白复合结构，是血管壁的物理渗透屏障。糖萼具有阻止致动脉粥样性脂质——低密度脂蛋白（LDL）在血管壁沉积的作用，但机制不明。本项目的研究目的为验证申请人提出的以下科学猜想：糖萼在阻止LDL向血管壁沉积过程中可能扮演了双重角色：一方面，糖萼通过与LDL结合，将其捕捉、截留在糖萼层内部；另一方面，糖萼作为力感受器，在局部血流动力学环境下，抑制内皮细胞（EC）的增殖、凋亡，减少血管内膜表面供LDL通过的孔洞数量和面积，最终达到阻止LDL向血管壁沉积的目的。为此，本项目设计了4个方面的研究内容，并顺利完成。研究证实了LDL与糖萼存在结合，二者的结合主要是通过糖胺聚糖侧链（HS、CS、HA）与LDL的载脂蛋白apoB-100之间的静电作用、疏水相互作用、氢键来实现的，与糖萼的核心蛋白骨架无关；糖萼通过与LDL结合，很可能将其捕捉、截留在糖萼层内部，发挥物理渗透屏障的作用；另一方面，研究表明，流动剪切力作用 4h，LDL 覆盖率（coverage）相比静态组增大4倍，但平均最大渗透深度（mean maximum infiltration distance，MMID）、内皮细胞凋亡率、内皮细胞间孔洞（leaky junction）率无显著影响；相比之下，流动剪切力作用24h后，LDL覆盖率相比静态组无显著影响，MMID却提高了2.74倍，内皮细胞凋亡率增大53%。有趣的是，流动剪切力引起的这一现象，在糖萼被破坏42%后，受到抑制；进而证实了，糖萼可通过力传导调控内皮细胞凋亡，影响leaky junction，来调控LDL的跨内膜输运。研究还表明，高胆固醇饮食会引发动脉血管内皮细胞表面糖萼变薄，从基因水平下调糖萼相关成分的表达；糖萼变薄后，对于局部血流动力学环境的敏感性降低，流动剪切力引发的一氧化氮释放量下降，最终影响动脉血管的收缩、舒张能力。项目研究较好地验证了申请人提出的科学猜想，达到了研究目标。研究成果为深入理解动脉粥样硬化的发病机理提供力学生物学依据，并为将糖萼作为血管潜在的防治靶点提供理论支持。