流体剪切力诱导血管内皮糖萼重构的力学生物学机制及其生物学作用

The hemodynamic shear stress abnormality and the destruction of endothelial glycocalyx are two early events that contribute to the occurrence of cardiovascular diseases. In our previous studies, we observed that fluid shear stress induced the remodeling of endothelial glycocalyx. However, the mechanobiological mechanism underlying that experimental phenomenon is still unclear. In the present project, we will build the in vitro mechanical loading experiment system to investigate the change of endothelial glycocalyx in ultrastructure under fluid shear stress with different combinations of shear stress magnitude and exposure duration. We will also investigate the localization of proteoglycans and markers of membrane rafts in the membrane fractions of vascular endothelial cells using the techniques of membrane fractionation and immunoblotting, analyze the relationship among proteoglycans, membrane rafts and cytoskeleton, and then elucidate the mechanobiological mechanism of the fluid shear stress-induced remodeling of endothelial glycocalyx. Furthermore, we will select an appropriate technique, such as RNAi technique or DNA recombinant technique to disrupt or abolish the remodeling process, and then detect the changes in the biomechanical characteristics and the biological functions of endothelial cells under shear stress, and then elucidate the biological effects of shear stress-induced endothelial glycocalyx remodeling. The expected findings in the present project could help us to clarify the mechanobiological mechanism involved in the fluid shear stress-regulated vascular homeostasis and remodeling from a new perspective, and then develop new strategies for early diagnosis, prevention and treatment of cardiovascular diseases.

血流剪切力异常和血管内皮糖萼损伤是心血管病发生的早期事件。我们前期探索性实验发现，流体剪切力可诱导血管内皮糖萼重构，但其力学生物学机制尚不明确。本项目拟通过构建体外力学加载实验系统，研究不同流体剪切力作用下血管内皮糖萼超微结构变化规律。然后，利用膜片段分离和免疫印迹技术分析流体剪切力作用下血管内皮糖萼蛋白聚糖和膜筏标志物在膜片段上的分布，以期揭示蛋白聚糖、膜筏与细胞骨架之间的相互关系，阐明流体剪切力诱导血管内皮糖萼重构的力学生物学机制。最后，选用RNAi或DNA重组等技术破坏或抑制血管内皮糖萼重构，研究血管内皮细胞在流体剪切力作用下的生物力学特性和功能变化，揭示流体剪切力诱导血管内皮糖萼重构的生物学作用。本项目将从新的视角阐明流体剪切力调控血管稳态与重构的力学生物学机制，从而为心血管病的早期诊断和防治提供新策略。

血流剪切应力异常和血管内皮糖萼损伤是心血管病发生的早期事件。我们前期探索性实验发现，流体剪切应力可诱导血管内皮糖萼重构，但其力学生物学机制尚不明确。本项目的主要研究内容、重要结果和关键数据包括：. （1）研究不同流体剪切应力作用下血管内皮糖萼超微结构变化规律，发现血管内皮糖萼成分如蛋白聚糖PGs（glypican-1和syndecans）受剪切应力调控，其变化呈剪切应力强度依赖性。高剪切应力作用24小时后，syndecan-3 mRNA表达增加最显著，而低剪切应力作用24小时后，syndecan-4 mRNA表达增加最明显。. （2）对血管内皮糖萼PGs（glypican-1和syndecan-1）、肌动蛋白细胞骨架和膜筏（脂筏和胞膜窖）三者之间的相互关系进行了探讨，试图证实本项目研究假设：流体剪切应力作用下血管内皮糖萼结构的快速变化（30 分钟）是可移动脂筏携带glypican-1聚集的结果，而血管内皮糖萼结构的适应性重构（24 小时）则是“肌动蛋白细胞骨架—胞膜窖—glypican-1”和“肌动蛋白细胞骨架—syndecan-1”共同作用的结果。结果初步表明，流体剪切应力作用下血管内皮糖萼结构的快速变化不依赖于细胞骨架重排，而血管内皮糖萼结构的适应性重构则依赖于细胞骨架。. （3）选用RNAi或DNA重组技术破坏或抑制血管内皮糖萼重构，或GPI-PLC水解glypican-1，或cytochalasin D扰乱细胞骨架，从而阻断、抑制或破坏血管内皮糖萼PG在流体剪切应力作用下的急性或适应性重构过程，构建破坏或抑制血管内皮糖萼重构的实验细胞模型；对模型细胞加载流体剪切应力，研究细胞生物力学特性和功能的变化。研究表明，Glypican-1在剪切应力诱导eNOS活化中起着重要作用。利用PI-PLC选择性地去除磷脂酰肌醇锚定蛋白，可抑制高剪切应力诱导的eNOS活性增强，并进一步下调低剪切应力抑制的eNOS活性水平。. 通过研究，我们探讨了血管内皮糖萼的生物学作用，从新的视角探讨了流体剪切应力调控血管稳态与重构的力学生物学机制，并搭建了血管内皮糖萼损伤与流体剪切应力之间的桥梁，可以为心血管病的早期发现、客观诊断，以及发展早期干预、治疗新策略提供依据。