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振蕩剪切應力調(diào)節(jié)Notch介導的腦動靜脈畸形內(nèi)皮間充質(zhì)可塑性

瀏覽次數(shù):860 發(fā)布日期:2023-4-24  來源:泉眾
動靜脈畸形 (AVMs) 是由供血動脈和引流靜脈之間的直接連接引起的局部血管異常,沒有中間毛細血管網(wǎng)絡(luò)。腦部動靜脈畸形可導致廣泛的器官損傷,繼發(fā)于癲癇和自發(fā)性顱內(nèi)出血。然而,由于腦AVMs(cAVMs)病灶的復雜血管特性,該疾病的分子發(fā)病機制尚未確定。

最近的研究發(fā)現(xiàn),內(nèi)皮到間充質(zhì)轉(zhuǎn)化(EndMT)可導致AVM病灶的形成。EndMT過程與內(nèi)皮細胞對間充質(zhì)標志物的表達有關(guān),表現(xiàn)為EC的增殖和侵襲、EC連接紊亂和形成梭形狀。然而,EndMT的潛在機制和觸發(fā)因素是模糊的。Notch信號通路是一種重要的生物學通路,它將血流動力學機械信號與生化信號級聯(lián)聯(lián)系起來,并決定細胞命運。值得注意的是,增強和減弱的Notch信號通路都與動靜脈分流的發(fā)展有關(guān)。由于直接動靜脈分流和病灶形成,AVMs的血流動力學發(fā)生高度改變。血流紊亂已被證明對血管內(nèi)皮層有深遠影響。鑒定響應擾動流而觸發(fā) EndMT 的調(diào)節(jié)分子可能為治療 cAVM 的藥理學方法提供新的見解。

在印度拉吉夫甘地生物技術(shù)中心、Sree Chitra Tirunal醫(yī)學科學和技術(shù)研究所等研究團隊的一項最新研究中,觀察到人類cAVM病灶中存在活化的Notch受體和EndMT標志物,還發(fā)現(xiàn)AVM病灶樣品中細胞粘附分子的失調(diào)。使用體外流體模型,該研究為內(nèi)皮細胞中剪切應力-Notch3-EndMT軸的改變提供了證據(jù)。Notch信號在感知剪切應力波動和將細胞編程成間充質(zhì)特征方面起著關(guān)鍵的中介作用,他們發(fā)現(xiàn)剪切應力誘導的細胞侵襲性改變需要活躍的Notch信號。此外,還探討了γ-分泌酶抑制劑(GSI)、DAPT和RO4929097在剪切應力改變的情況下預防Notch誘導的EndMT和細胞侵襲的效用。


cAVM病灶中EndMT和細胞粘附標志物的失調(diào)

早期研究表明,cAVM病灶的主要血管具有動脈、靜脈、毛細血管以及內(nèi)皮標志物。經(jīng)歷間充質(zhì)轉(zhuǎn)化的內(nèi)皮細胞表現(xiàn)出改變的形態(tài)特征,隨后間充質(zhì)蛋白如轉(zhuǎn)凝蛋白(SM22-α)、鈣調(diào)蛋白等增加。實驗觀察到,在mRNA轉(zhuǎn)錄本水平上,SNAI1、Slug(SNAI2)、轉(zhuǎn)凝蛋白(TAGLN)和鈣調(diào)蛋白1(CNN1)在cAVM樣本中高表達。與對照相比,SNAI2在cAVM中的表達比SNAI1更突出(圖1 A)。

在EndMT過程中,內(nèi)皮細胞和基底膜的細胞-細胞和細胞-ECM粘附將被破壞。這些分子變化促進了內(nèi)皮細胞的侵襲性。因此,研究了cAVM病灶中鈣粘蛋白和整合素等粘附因子的表達。VE-鈣粘蛋白(CDH5)在患者樣本中下調(diào),而cAVMs中的N-鈣粘蛋白(CDH2)mRNA上調(diào)。整合素α9亞基(ITGA9)mRNA在cAVMs中過表達,但整合素β1(ITGB1)mRNA降低。

此外,在AVM和對照組織中進行了基于免疫組織化學染色的EndMT蛋白表達和定位分析。實驗觀察到在AVM大血管的內(nèi)膜區(qū)域存在SNAI1/2的過表達(圖1 B)。 SNAI1/2在對照腦血管系統(tǒng)中不表達。與對照組相比,nidal樣本中的SNAI1/2增加了約4倍(圖1 C)。鈣調(diào)蛋白1和轉(zhuǎn)凝蛋白在 cAVM 血管巢的內(nèi)膜和中膜中均強烈表達。轉(zhuǎn)凝蛋白表達存在于對照組的小血管中,但鈣調(diào)蛋白1在對照血管系統(tǒng)中不表達。

N-鈣粘蛋白定位于病灶組織的新生內(nèi)膜區(qū)域,在對照標本中未觀察到。也沒有在任何患者樣本的內(nèi)層中觀察到N-鈣粘蛋白。與對照血管系統(tǒng)相比,發(fā)現(xiàn)整合素的活化形式α9/β1在cAVM病灶中下調(diào)。

圖1   腦動靜脈畸形中 EndMT 和主要細胞粘附標志物的失調(diào)。

腦動靜脈畸形表達更高水平的NICD3和NICD4

實驗最初研究了cAVM病灶中所有四個Notch受體基因Notch 1-4的表達,發(fā)現(xiàn)Notch3和Notch4 mRNA在病灶標本中顯著過表達。然后專門研究了激活的Notch受體的表達,即cAVM組織切片和對照腦樣本中的Notch細胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域(NICD)。NICD3被發(fā)現(xiàn)高度表達并定位于血管巢的內(nèi)膜和中膜,表明EndMT。cAVM中的NICD4受體水平較低,并且呈彌散模式,更靠近內(nèi)膜,較少在中膜分布。蛋白質(zhì)印跡分析進一步證實了AVM病灶中NICD3的表達升高。

振蕩流促進 γ-分泌酶依賴性 Notch 受體的激活

為了確定內(nèi)皮細胞中是否發(fā)生振蕩剪切應力依賴性Notch受體活化,實驗使用流動室在暴露于規(guī)定流動條件下的hCMECs中進行基于qRT-PCR的mRNA分析和蛋白質(zhì)免疫熒光測定,分析了暴露于平行剪切應力(15 dyn/cm2)24 h的hCMECs中的基因表達譜。結(jié)果發(fā)現(xiàn),Notch1-4在平行單向流動條件下的mRNA表達與靜態(tài)流動條件下的表達沒有顯著差異(圖2 A)。與靜態(tài)相比,振蕩流(15 dyn/cm2)誘導內(nèi)皮細胞中Notch3(4.11倍)和Notch4(2.06倍)mRNA的過表達。與暴露于平行流的細胞相比,振蕩流分別導致Notch3和Notch4增加了3.2倍和1.96倍。與靜態(tài)條件相比,平行流和振蕩流均未在hCMECs中誘導顯著的Notch1和Notch2表達(圖2 A)。

接下來,研究了暴露于各種流動條件的 hCMECs 中的 NICD 1、3 和 4 蛋白水平表達及其細胞定位。與平行流和靜態(tài)條件相比,暴露于振蕩剪切應力的內(nèi)皮細胞中存在NICD3的過表達。振蕩剪切應力通過促進NICD3的核定位改變了Notch3受體的亞細胞定位。還發(fā)現(xiàn)細胞在24小時后以紡錘狀形態(tài)拉長。NICD4表達略有升高,但定位主要是細胞質(zhì)。NICD1在三種流動條件下的細胞中均未顯著表達,但MFI分析表明暴露于振蕩流的細胞中略有過表達(圖2 B、C)。

此外,還研究了振蕩剪切應力是否通過誘導γ分泌酶活性直接誘導Notch受體激活,用0.5µM DAPT和250 nM RO4929097對暴露于振蕩流24 h 的hCMECs進行處理。兩種抑制劑都對hCMECs中γ-分泌酶誘導的Notch3受體的剪切應力反應產(chǎn)生了負面影響(圖2 D)。然而,RO4929097更具有統(tǒng)計學意義(圖2 E)。蛋白質(zhì)印跡分析進一步證實了暴露于振蕩流的細胞中NICD3蛋白水平表達升高(圖2 F)。

圖2   通過人腦微血管內(nèi)皮細胞(hCMEC/d3)中的振蕩液流激活Notch受體。

振蕩流誘導的 EndMT 需要 Notch 受體激活

hCMECs被用來研究振蕩剪切應力下內(nèi)皮標志物的喪失和間充質(zhì)特征的增強。mRNA表達分析顯示,與靜態(tài)相比,暴露于振蕩剪切應力的細胞中間充質(zhì)CNN1和TAGLN上調(diào)。關(guān)鍵的EndMT標記物SNAI1和SNAI2的mRNA在振蕩流暴露細胞中也分別過表達3.59倍和3.83倍(圖3 A)。在暴露于振蕩流的細胞中,與SNAI1相比,Slug表達略高,證實了cAVM中的發(fā)現(xiàn)。

對暴露于靜態(tài)、平行和振蕩剪切應力的hCMECs中的SNAI1/2進行免疫熒光分析。與其他流動狀態(tài)相比,SNAI1/2 在振蕩流的細胞中過表達并定位于細胞核(圖3 B)。MFI分析表明,與靜態(tài)流和平行流相比,SNAI1/2表達分別增加了3.8倍和3.1倍(圖3 C)。

為了評估hCMECs中Notch通路在剪切應力誘導的EndMT中的參與,在振蕩流過程中使用了GSI DAPT(0.5μM)和RO4929097(250 nM),并監(jiān)測EndMT因子的表達。在振蕩應力期間SNAI1/2在DAPT和RO4929097 下分別降低了約60%和80%,而抑制Notch受體切割消除了此影響(圖4 A、B)。這些數(shù)據(jù)表明,振蕩剪切應力誘導的EndMT需要Notch 信號。γ-分泌酶抑制劑RO4929097在改變流動條件下減少內(nèi)皮細胞的間充質(zhì)表型非常有效。

圖3   微血管內(nèi)皮細胞中的振蕩流對 EndMT 和細胞粘附標志物的差異表達。

圖4   γ-分泌酶抑制劑(GSI)調(diào)節(jié)振蕩剪切誘導的EndMT和細胞侵襲性。

RO4929097促進細胞粘附并減少暴露于振蕩流細胞的侵襲性

為了證實cAVM組織中細胞粘附因子失調(diào)的發(fā)現(xiàn),通過qRT-PCR研究了暴露于各種流動條件的內(nèi)皮細胞中內(nèi)皮VE-鈣粘蛋白,間充質(zhì)N-鈣粘蛋白和整合素亞基α9和β1的基因的mRNA表達。在暴露于振蕩剪切應力的細胞中N-鈣粘蛋白和整合素α9上調(diào),而VE-鈣粘蛋白和整合素β1下調(diào)(圖3 A)。

暴露于剪切應力條件的細胞中這些粘附因子的免疫熒光測定表明,與暴露于靜態(tài)和平行剪切應力的細胞相比,振蕩剪切應力下的細胞中N-鈣粘蛋白上調(diào)。在暴露于振蕩流24 h 的細胞中發(fā)現(xiàn)激活的整合素α9/ β1顯著降低(圖3 B、C)。

DAPT和RO4929097顯著降低了暴露于持續(xù)振蕩流的細胞中的N-鈣粘蛋白。有趣的是,在DAPT和RO4929097 存在下,整合素α9/ β1表達分別增加了45.5%和56.7%(圖4 A、B)。

細胞侵襲性增加是EndMT的一個重要結(jié)果。為了研究hCMECs在流動狀態(tài)下的侵襲特性,使用Matrigel跨膜侵襲測定。先前將細胞暴露于振蕩剪切應力24小時誘導內(nèi)皮侵襲性增加,DAPT和RO4929097均基本阻斷了內(nèi)皮細胞的侵襲性(圖4 C)。與DAPT相比,RO4929097有效防止細胞侵襲(圖4 D)。這一發(fā)現(xiàn)表明,靶向Notch信號通路的藥物干預可以有效降低血流誘導的血管內(nèi)皮細胞侵襲能力和EndMT。

圖5    圖形概要

總之,該研究表明,在人類cAVM病灶中存在Notch受體和EndMT標志物。這是第一份報告,表明改變的血流誘導的Notch信號導致cAVMs中的EndMT,提供了Notch信號在內(nèi)皮細胞暴露于干擾流中增強細胞侵襲性的直接作用的證據(jù)。

參考文獻:Karthika CL, Venugopal V, Sreelakshmi BJ, Krithika S, Thomas JM, Abraham M, Kartha CC, Rajavelu A, Sumi S. Oscillatory shear stress modulates Notch-mediated endothelial mesenchymal plasticity in cerebral arteriovenous malformations. Cell Mol Biol Lett. 2023 Mar 18;28(1):22. doi: 10.1186/s11658-023-00436-x. PMID: 36934253; PMCID: PMC10024393.

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