促進肝臟生長的血流力量

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原網址：Blood flow forces liver growth

原作者：Sina Y.Rabbany&Shahin Rafii

導言：如今，人們發現肝臟血管中生物機械力的增加將能激活兩種機械力敏感的蛋白質。它們能夠激活血管細胞，使其釋放再生因子從而驅動肝臟生長。

在發育期間中或受傷後啟動和維持肝臟生長的分子路徑，一部分是由沿肝臟血管分布的特異性肝竇內皮細胞(liver sinusoidal endothelial cell(s),LSEC(s))分泌的刺激與抑制的各種因子間惟妙惟肖的平衡所精準調控的(參文1-4)。但是有一件事我們並不清楚(4)，那就是肝臟的脈管系統是如何察覺到應該動手生產這些血管生成之類的生長因子，比如肝細胞生長因子(hepatocyte growth factor,HGF)以及Wnt蛋白，來引導恰當的器官生長機制的呢？一篇2018年9月26日發表在Nature的論文中(5)，Lorenz團隊向我們展示了在小鼠體內，由肝臟內血管通道所開拓的機動力量激活一系列信號通路，從而使血管生成因子上調、促進肝臟（實質）細胞增殖的方式。

肝臟內的機械感應不但要依靠門靜脈和肝動脈所輸送的血液量，而且是有賴於血管壁的拉伸強度的，而血管壁的拉伸強度又是一束一束的膠原纖維所賦予的。凈血流量（灌注）使肝竇內皮細胞受到兩種主要力量的支配(6)。首先，由血壓導致的血管壁的緊張和機械變形，導致了細胞的周期性拉伸；其次，由擁有一定粘性的血流在血管壁上引起的摩擦引起了流體切變應力的產生。這些協同作用的生物機械力量引發多種機械感應蛋白上調，從而引發肝竇內皮細胞產生諸如一氧化氮、活性氧這樣的調節脈管系統的，以及那些「更強勁」的刺激肝再生的血管生成因子。然而，所謂的生物機械力量激活肝竇內皮細胞這種強大的血管生成，從而編程了肝細胞增殖的具體機制從未被具體闡明(7)。

Lorenz團隊通過從懷孕母鼠體內轉移到體外培養的老鼠胚胎，來著手研究這種機制。他們首先在不同的發育階段觀察到了肝臟內一種與加強的血液灌注有關的肝生長速率的上調。在肝臟中，大多數增殖的細胞被局限在那些被血液灌注的區域。研究者還發現，血管灌注的水平與兩種位於肝竇內皮細胞表面，用以感應和反應受力的受體蛋白的激活程度有關。這兩種蛋白分別是整合素β1(integrin β1)和血管內皮生長因子受體3(vascular endothelial growth factor receptor 3,VEGFR3)。這些蛋白將能夠依次促進關鍵的血管生成因子HGF的分泌。

論文的作者隨後通過藥物改變了體外培養小鼠胚胎的灌注速率，以此來暫停或加速胎兒心跳。遭到堵塞的肝臟血管灌注減少了HGF的分泌，並由此造成了肝生長的減弱，與在體內於肝竇內皮細胞被剪除了整合素β1與VEGFR3的編碼基因的小鼠胚胎出現了相同效應。與此相反，升高的血液灌注速率增強了HGF的分泌，而這又一次被證實受到了整合素β1和VEGFR3的影響。

接下來，Lorenz等轉向了從成年小鼠，並將它們的肝臟轉移到體外培養，並通過注射緩衝液來增加血液灌注或移除70%的肝臟（這樣做將導致大量血液以高壓重新導向切除的殘葉），然後使用一種叫作超聲造影的成像技術來測定灌注速率。結果發現，強化的灌注導致了肝竇內皮細胞直徑增加，而增加的血容量和流量使得剪切壓力陡增，引起了整合素β1與VEGFR3的激活上調。

綜合說來，這些實驗為老鼠身上的血管中機械感應在胎兒與成年小鼠都存在的激活所導致血管生成信號促進的肝細胞增殖提供了證據——很可能的情況是，使得胚胎髮育、成年維持和再生期間的肝生長賦予了可能。但團隊的實驗沒有就此結束。Lorenz等人轉向了體內培養的人類細胞。同樣地，LSEC樣細胞的機械拉伸，以及抗體依賴的整合素β1激活不僅強勁地提升了HGF的分泌，就連其他血管生成因子也受到影響。它們促進了人類肝細胞的增殖和生活力。團隊的研究最終揭示，在新陳代謝健康的人群中，全身血壓的上升與顯著大的肝臟有關。

Lorenz及同事用了一些複雜的方法，將機械力與血管生成調節的肝臟發育和生長聯繫了起來。然而，一些問題仍然未能被解決。比如，體內肝竇內皮細胞當血管暴露在加快的血液灌注中引發伸張時所經歷的周期性拉伸是「二軸的」，這意思是說，細胞其實是被緣血管和斜側的方向拉伸的。與之相反，Lorenz與其同事的實驗只考慮了單軸的周期性拉伸(8)。這樣的不同將導致團隊的觀察數據與信號通路和血管生成通路的輸出有所偏差。其他的血管機械感知受體是否在引發血管生成因子的增加方面扮演一定角色，則需要進一步闡明(9)。

此外，在損傷期間生物機械反應通路的角色仍然優待仔細剖析。剪切應力的過度增加（比如肝臟遭受嚴重損失）將是有害的，具體說，將使肝臟再生的進程進行得並不順利。Lorenz團隊也未能直接對整合素β1與VEGFR3的生物機械激活（在譬如糖尿病的疾病中可能會出現）的缺乏是否將導致肝臟的再生力反而減少而做出評估(1,2)。

在未來，生理上引升血管生成因子的周期性拉伸/剪切應力的理想強度需要被深入地研究。循環內皮祖細胞(circulating endothelial progenitor cell(s),EPC(s))的募集被認為為肝臟提供了HGF的來源，它們也能受到剪切依賴肝竇內皮細胞激活的影響，從而更加深遠地改變肝臟血管生成因子的供應(10)。的確，上升的生物機械力如何改變再生調節因子/物質，或者細胞如包括循環內皮祖細胞、炎性細胞和血小板向肝臟的傳遞，從而在不促使疤痕形成的情況下驅動肝臟生長（再生）需要更多研究。

整合素β1與VEGFR3上調血管生成因子的確切機制是什麼？目前流體剪切應力引發整合素介導的特定轉錄因子的核定位，以及這樣促進血管生成因子基因表達的說法較為可靠(2-4)。此外，由剪切應力引起的整合素介導對肝細胞周圍外基質彈性的調節亦可以用以影響肝細胞增殖。但VEGFR3呢？VEGFR家族的蛋白被磷酸化作用所激活。LSECs表面VEGFR2的磷酸化激活了AKT蛋白，後者將使轉錄因子Id1募集到包括Wnt2與HGF基因的DNA區段(2)。但是VEGFR3的磷酸化通過什麼機制啟動血管生成因子的表達卻是未知的。

儘管抱著這些問題，Lorenz團隊的工作還是將體內LSECs所暴露的生物物理環境的複雜性充分考慮了進來，因此解決了一個困擾生物學家們以十年計的一個謎團。在肝臟脈管系統中精確調控剪切應力強度和周期性拉伸的發育策略能夠在病理（比如肝硬化、肝炎與血管異常）條件下恢復血管生成依賴的肝臟再生功能。這相應地將能夠打開更有效的治療性肝再生的大門。

參考文獻：

1.Rafii, S., Butler, J. M. & Ding, B.-S.Nature529, 316–325 (2016).

2.Ding, B.-S.et al.Nature468, 310–315 (2010).

3.Hu, J.et al.Science343, 416–419 (2014).

4.Rocha, A. S.et al.Cell Rep.13, 1757–1764 (2015).

5.Lorenz, L.et al.Nature562, 128–132 (2018).

6.Rabbany, S. Y., Ding, B.-S., Larroche, C. & Rafii, S. inMechanical and Chemical Signaling in Angiogenesis(ed. Reinhart-King, C. A.) 19–45 (Springer, 2012).

7.Song, Z.et al.Semin. Cell Dev. Biol.71, 153–167 (2017).

8.Wang, J. H.-C., Goldschmidt-Clermont, P., Wille, J. & Yin, F. C.-P.J. Biomech.34, 1563–1572 (2001).

9.Baeyens, N., Bandyopadhyay, C., Coon, B. G., Yun, S. & Schwartz, M. A.J. Clin. Invest.126, 821–828 (2016).

10.DeLeve, L. D.J.Clin. Invest.123, 1861–1866 (2013).

（侵刪）