[论文解读] The effect of shear stress reduction on endothelial cells : a microfluidic study of the actin cytoskeleton

Locatelli, L., Sinha, P.+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2020

Spaceflight effects on biology参考文献 60被引用 51

一句话总结

这项微流体研究调查了剪切力适应的人脐静脉内皮细胞（HUVECs）在壁面剪切应力从0.4 Pa降至0.08 Pa（即5倍减少）后，其肌动蛋白细胞骨架的快速重排。一小时内，细胞失去应力纤维，肌动蛋白向细胞周边募集，并在中央区域增厚——表明其表型迅速向更少对齐、更圆形的形态转变。值得注意的是，通过神经氨酸酶降解糖萼并未改变应力纤维的组织结构，提示肌动蛋白重排主要依赖于机械感应，而非糖萼依赖。

ABSTRACT

Reduced blood flow, as occurring in ischemia or resulting from exposure to microgravity such as encountered in space flights, induces a decrease in the level of shear stress sensed by the endothelial cells forming the inner part of blood vessels. In the present study, we use a microvasculature-on-a-chip device in order to investigate in vitro the effect of such a reduction in shear stress on shear-adapted endothelial cells. We find that, within one hour of exposition to reduced wall shear stress, human umbilical vein endothelial cells undergo a reorganization of their actin skeleton, with a decrease in the number of stress fibers and actin being recruited into the cells' peripheral band, indicating a fairly fast change in cells' phenotype due to altered flow.

研究动机与目标

• 研究剪切适应的内皮细胞在剪切应力突然降低（模拟缺血或微重力状态）下的动态响应。
• 确定在生理相关的微血管芯片系统中，肌动蛋白细胞骨架组织如何响应血流动力力的降低。
• 评估糖萼降解是否改变细胞骨架对剪切应力降低的响应，以检验其作为机械感受器的作用。

提出的方法

• 使用软光刻法和PDMS制造了具有16条并行微通道（横截面积为30×30 µm²）的微血管芯片装置。
• 内皮细胞在0.4 Pa剪切应力下培养96小时，以建立抗动脉粥样硬化表型，随后降低剪切应力。
• 通过降低流速将剪切应力降低5倍至0.08 Pa，并在剪切应力降低后1小时对细胞反应进行成像。
• 对细胞进行F-肌动蛋白和细胞核染色，使用神经氨酸酶降解糖萼以靶向唾液酸残基。
• 进行荧光成像及肌动蛋白分布、纤维角度和荧光强度的定量分析。
• 数值模拟（CFD）证实，在1 µL/min流速下，装置内各处的壁面剪切应力均匀。

实验结果

研究问题

• RQ1 剪切应力降低5倍后，先前适应0.4 Pa剪切应力的内皮细胞中，肌动蛋白细胞骨架如何重排？
• RQ2 剪切应力刺激的丧失是否导致内皮细胞形态和细胞骨架对齐的快速表型改变？
• RQ3 在剪切应力降低期间，糖萼是否对维持应力纤维组织结构至关重要，还是响应主要由细胞骨架直接机械转导驱动？
• RQ4 肌动蛋白的空间分布如何响应剪切应力降低，特别是在周边带和细胞体区域？
• RQ5 神经氨酸酶诱导的糖萼降解是否改变细胞骨架对剪切应力降低的响应？

主要发现

• 在剪切应力从0.4 Pa降低至0.08 Pa后一小时内，HUVECs显著失去与血流方向对齐的应力纤维。
• 肌动蛋白重排迅速发生，表现为F-肌动蛋白在周边带的聚合增加和募集增强，表明细胞骨架发生重塑。
• 细胞体显著增厚，提示其从伸长、对齐的表型向更圆形、极性更低的形态转变。
• 尽管神经氨酸酶处理后糖萼荧光强度明显降低，但应力纤维数量、取向或分布无显著变化。
• 纤维角度分布和肌动蛋白的空间组织在对照组与糖萼降解组之间无显著差异，表明细胞骨架对剪切应力降低的响应与糖萼完整性无关。
• 数值模拟证实，在1 µL/min流速下，微通道网络中壁面剪切应力均匀，为0.4 ± 0.05 Pa，验证了实验设置的可靠性。