內(nèi)皮細胞(EC)排列在血管腔表面，在健康和疾病中調(diào)節(jié)血管功能方面發(fā)揮著顯著作用。研究表明，EC控制血管張力、通透性、炎癥，甚至血管的生長和消退。由于EC對血管系統(tǒng)內(nèi)血流和血壓產(chǎn)生的剪切應(yīng)力和周向應(yīng)變均具有機械敏感性，因此對血管穩(wěn)態(tài)至關(guān)重要。具體來說，EC在糖尿病和動脈粥樣硬化等病理條件下會出現(xiàn)功能障礙。內(nèi)皮功能障礙通常是血管形態(tài)改變的結(jié)果，并且是許多病理和疾病狀態(tài)的標志，例如動脈粥樣硬化、糖尿病、高血壓和炎癥。

內(nèi)皮細胞持續(xù)暴露于剪切應(yīng)力，這是由血管腔表面上的血流產(chǎn)生的。剪切應(yīng)力可以通過激活機械傳感器、細胞內(nèi)信號、基因表達、細胞形態(tài)和結(jié)構(gòu)重塑來調(diào)節(jié)EC功能。

一般來說，血流可分為層流或振蕩剪切流。前者的特點是平滑的流線型流動，后者的特點是流動逆轉(zhuǎn)區(qū)域。脈管系統(tǒng)內(nèi)不同區(qū)域的剪切應(yīng)力類型有所不同。例如層流剪應(yīng)力通常出現(xiàn)在直動脈區(qū)域，例如胸主動脈和腹主動脈區(qū)域。然而振蕩剪切應(yīng)力存在于動脈粥樣硬化頻繁發(fā)生的分支或彎曲區(qū)域，例如主動脈區(qū)域。

剪切應(yīng)力可以通過調(diào)節(jié)血管內(nèi)皮細胞的基因表達和表型來調(diào)節(jié)內(nèi)皮細胞的功能。層流剪切應(yīng)力激活EC中的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑和基因表達，從而抑制細胞增殖、炎癥和動脈粥樣硬化。相反，振蕩剪切應(yīng)力促進內(nèi)皮細胞易發(fā)生動脈粥樣硬化的表型，并增加內(nèi)皮細胞增殖、炎癥、白細胞粘附，從而促進動脈粥樣硬化形成。

基因表達

內(nèi)皮細胞暴露于血管內(nèi)皮層上的血流引起的剪切應(yīng)力，這是其正常生理狀態(tài)的一部分。在具有層流剪切應(yīng)力流的直動脈區(qū)域，各種動脈粥樣硬化保護基因表達。然而一些促動脈粥樣硬化基因減少，從而導(dǎo)致EC的穩(wěn)定性和靜止。相反，在血流低且振蕩的區(qū)域，動脈粥樣硬化保護基因受到抑制，而促動脈粥樣硬化基因則高度表達。結(jié)果內(nèi)皮細胞形成不同的表型，從而為動脈粥樣硬化的發(fā)生和進展提供位點特異性易感性。剪切應(yīng)力還被證明可以通過改變內(nèi)皮基因表達來調(diào)節(jié)炎癥過程。許多研究分析表明，振蕩剪切應(yīng)力可導(dǎo)致血管壁促炎基因表達。然而，層流剪切應(yīng)力促進抗炎基因表達。

一氧化氮合酶(eNOS)活性

一氧化氮(NO)在內(nèi)皮功能和血管穩(wěn)態(tài)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

增殖

保持EC處于靜止狀態(tài)是血管健康和穩(wěn)態(tài)所必需的。來自體內(nèi)動物模型的證據(jù)表明，EC增殖增加是動脈粥樣硬化形成的早期事件。

遷移

EC遷移在許多生物過程中很重要，包括血管生成和血管疾病的發(fā)展。EC的遷移是傷口愈合和動脈粥樣硬化發(fā)展的重要組成部分。剪切誘導(dǎo)的板狀偽足突出和粘著斑重塑可能在EC遷移中起關(guān)鍵作用。

骨架重組

當觀察細胞形態(tài)時，可以發(fā)現(xiàn)內(nèi)皮細胞被拉長，在高層流剪切應(yīng)力區(qū)域?qū)R。然而EC隨機定向在低層流或振蕩剪切應(yīng)力的區(qū)域。絲狀作用在內(nèi)皮細胞的中央和外周排列，形成應(yīng)力纖維。在正常細胞中，EC的形態(tài)是隨機排列且均勻的多邊形，而在層流剪切應(yīng)力條件下EC從典型的鵝卵石圖案拉長為均勻的紡錘形，其排列方向與層流剪切應(yīng)力下生長的細胞相似。在這種情況下，應(yīng)力纖維變得更粗更長，并且主要沿細胞的縱向延伸。

應(yīng)力纖維錨定質(zhì)膜

應(yīng)力纖維與細胞前緣的質(zhì)膜相關(guān)聯(lián)，這種關(guān)聯(lián)在細胞-細胞連接形成和細胞移動性中發(fā)揮重要作用。例如發(fā)現(xiàn)應(yīng)力纖維在細胞連接處或粘附斑位點與質(zhì)膜連接，在這些位置它們起到促進與基質(zhì)的牢固附著的作用。應(yīng)力纖維和粘著斑的定位和分布受到局部流體剪切應(yīng)力力的影響。