Sci Adv｜邓汉强用新计算建模方法鉴定内皮细胞周期调控血流剪切力介导的血管重构

心脑血管疾病依旧是全世界范围内发病率和死亡率第一的疾病，对人类健康和生命构成了严重的威胁，具有高患病率、高致残率、高死亡率的特点。很多心血管疾病通常伴随着异常的血管重构，比如高血压、动脉粥样硬化、糖尿病伴随的血管病变，血管会变狭窄甚至堵塞，介导血管重构的分子机制还有待进一步挖掘。血管重构是一个重要的适应性机制，使动脉直径满足各种生理和病理条件下的血流变化。内皮细胞 （ECs） 形成血管最内层，持续暴露在血流作用下。血流会对内皮细胞产生一种摩擦力，称为血流剪切力 （fluid shear stress）【1】。由于血管复杂的几何结构和血流动力学变量的差异，不同血管区域的剪切应力大小及方向模式各不相同。位于直动脉段的内皮细胞受到的剪切力是高的单向的，称为层流剪切力 （laminar shear stress） ；相比之下，动脉的分支和弯曲部位内皮细胞受到的剪切力是低的多向的，称为振荡剪切力 （oscillatory shear stress） 。

自上世纪九十年代起，越来越多的研究证明血流剪切力的变化是导致血管发生重构的一个重要因素。近十年来工作表明内皮细胞有一个维持血管稳态的血流剪切力设定值 （set point） ，内皮细胞对血流剪切力的感应支配着血管重构，使剪切力在稳态的血管中保持在一个特定的设定值范围内【2】。当血流剪切力降低至设定值以下，动脉会发生内向重构；反之，当血流剪切力升高，动脉会发生外向重构。血流剪切力的变化会激活内皮细胞内不同的信号通路，引发不同的血管重构，探索这些分子机制有助于开发新的治疗靶点。

近日，Science Advances杂志在线发表耶鲁大学Martin Schwartz教授实验室 （第一作者邓汉强博士） 和都柏林大学Boris Kholodenko教授实验室 （共一作者Oleksii Rukhlenko博士） 合作的题为cSTAR analysis identifies endothelial cell cycle as a key regulator of flow-dependent artery remodeling的研究论文【3】。研究人员利用一种强大的新型计算建模方法cSTAR（cell State Transition Assessment and Regulation）【4】分析不同剪切力下内皮细胞的转录组数据，以及一系列体外和体内实验验证，鉴定内皮细胞周期是调控血流剪切力介导的血管重构的关键因素，解析新的分子机制为治疗心血管疾病提供潜在的靶向依据。

作者实验室之前的工作聚焦于低剪切力介导的内向重构在高血压和动脉粥样硬化中的作用，发现低血流剪切力激活ALK5-Smad2/3通路诱导血管内向重构5-7。2024年实验室又揭示了一条新的KLF2-BMPER-Smad1/5通路调控高血流剪切力介导的血管外向重构8，为治疗缺血性疾病提供了潜在的治疗方法。然而这些通路仅是冰山一角，为了更快速解析血流剪切力调控血管重构的信号网络。研究人员决定借助于最新发表的强大计算建模方法cSTAR来预测新的调控网络。研究人员首先收集了不同剪切力下内皮细胞的转录组测序数据，包括引发血管内向重构的低剪切力 （low shear stress, LSS） 、维持血管稳态的生理性剪切力 （physiological shear stress, PSS） 、引发血管外向重构的高剪切力 （high shear stress, HSS） 、诱导疾病易感性的振荡剪切力 （oscillatory shear stress, OSS） 以及无剪切力静息状态下共五组。然后构建动态表型描述符 （Dynamic Phenotype Descriptors, DPDs） 对细胞表型状态定量评分，用于描述与血流剪切力和血管稳定性及重构相关的细胞表型特征。进而结合公开的LINCS数据库中关于内皮细胞响应药物处理的转录组数据，研究人员推断出了调控内皮细胞状态的网络，并作出了一系列新颖预测。尤其是预测抑制细胞周期依赖性激酶CDK2会诱导血管向内重塑并促进动脉粥样硬化的发生。

在体外实验中，研究人员利用FUCCI （基于荧光泛素化的细胞周期指示剂） 系统和传统的EdU实验验证了不同剪切力能够诱导内皮细胞进入不同的细胞周期。简而言之，振荡剪切力 （OSS） 促进细胞增殖进入S-G2-M期，低剪切力 （LSS） 诱导内皮细胞进入G1早期停滞，生理性剪切力 （PSS） 诱导内皮细胞进入G1晚期停滞，高剪切力 （HSS） 诱导内皮细胞越过G1晚期停滞重新进入增殖期。为了验证CDK2的作用，研究人员利用一种检测CDK2活性的报告系统证实CDK2被生理剪切力激活。利用FUCCI系统发现内皮细胞在缺失CDK2后会进入G1早期停滞，利用cSTAR方法预测内皮细胞缺失CDK2后在生理剪切力下会诱导血管内向重构。

为了进一步在体内证明CDK2在血管重构中的作用，研究人员构建了内皮细胞特异性敲除CDK2的小鼠。发现内皮细胞特异性敲除CDK2导致动脉内向重构，诱导肺动脉和全身性高血压，并加速了高脂血症小鼠中动脉粥样硬化的进展。具体的分子机制是CDK2在生理性剪切力下磷酸化Smad2/3 linker区域，抑制Smad2/3过度活化3,5。以上结果验证了cSTAR模型对内皮细胞状态和体内血管行为的预测能力，揭示了不同血流剪切力条件下内皮细胞表型的意外特征，并确定了CDK2是介导血管重构的内皮细胞调控网络中的关键因素。除此之外，利用cSTAR方法分析研究人员还得出了其他的一些结论，比如传统观点认为振荡剪切力 （OSS） 和低剪切力 （LSS） 有很多共性，都是导致动脉粥样硬化的因素，但cSTAR分析发现OSS和LSS的基因表达谱是很不同的，LSS诱导血管内向重构但单独的OSS不足以，而OSS会增加内皮细胞对炎症和代谢应激的易感性。另外，OSS和LSS会诱导内皮细胞差异性表达不同的趋化因子，OSS诱导CCL2表达来招募巨噬细胞，而LSS诱导CXCL2/CXCL8表达来招募中心粒细胞。很多研究表明巨噬细胞在动脉粥样硬化进展中起了很重要的作用，但中性粒细胞如何促进血管内向重构还有待进一步探索。

综上所述，这项研究结合创新计算建模方法、生物信息学分析、体外细胞实验和体内小鼠模型，通过跨学科交叉验证，解析新的血流剪切力介导血管重构的分子机制。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado9970

制版人：十一

参考文献

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3. Deng H, Rukhlendo OS, Joshi D, Hu X, Junk P, Tuliakova A, Kholodenko BN, Schwartz MA. cSTAR analysis identifies endothelial cell cycle as a key regulator of flow-dependent artery remodeling.Science Advances.2025;11. doi: 10.1126/sciadv.ado9970

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6. Deng H, Xu Y, Hu X, Zhuang ZW, Chang Y, Wang Y, Ntokou A, Schwartz MA, Su B, Simons M. MEKK3-TGFbeta crosstalk regulates inward arterial remodeling.Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America.2021;118:e2112625118. doi: 10.1073/pnas.2112625118

7. Deng H, Schwartz MA. High Fluid Shear Stress Inhibits Cytokine-Driven Smad2/3 Activation in Vascular Endothelial Cells.Journal of the American Heart Association.2022;11:e025337. doi: 10.1161/JAHA.121.025337

8. Deng H, Zhang J, Wang Y, Joshi D, Pi X, De Val S, Schwartz MA. A KLF2-BMPER-Smad1/5 checkpoint regulates high fluid shear stress-mediated artery remodeling.Nat Cardiovasc Res. 2024;3:785-798. doi: 10.1038/s44161-024-00496-y

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