《Natural Sciences》：From Single Forces to Integrated Signals: A Systematic Review of Endothelial Responses to Multifactorial Mechanics
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血管内皮在生理状态下同时暴露于多种机械刺激构成的力场中，包括血流产生的剪切应力（shear stress, SS）、心脏搏动引起的循环应变（cyclic strain, CS）以及由血管壁决定的基底刚度（extracellular matrix stiffne
血管内皮在生理状态下同时暴露于多种机械刺激构成的力场中，包括血流产生的剪切应力（shear stress, SS）、心脏搏动引起的循环应变（cyclic strain, CS）以及由血管壁决定的基底刚度（extracellular matrix stiffness, ES）。尽管存在这种固有的复杂性，体外力学生物学研究长期以来主要依赖于简化的单刺激范式。本系统性综述遵循PRISMA指南进行，发现针对两种及以上并发机械约束的多因素研究存在严重匮乏。关键的是，数据表明许多实验设计超出了功能性体内工作带宽，被归类为“生理性”的范围往往缺乏共识。分子图谱进一步证明，联合力学作用常常逆转或放大单一力学线索的表型效应。此外，研究人员识别出关键的方法学空白，例如过度依赖胎儿静脉细胞模型以及对基底粘弹性的忽视。因此，本研究提供了整合性内皮机械转导的新颖图谱，并为改进实验标准化提出了可操作的框架。这些发现对于组织工程和血管类器官开发中体外数据的转化相关性具有直接影响，强调了构建能够更真实地重现血管非线性力学环境的多因素平台的必要性。
1.引言
内皮作为血液与血管壁之间的活性界面，持续暴露于随心跳节律变化的机械环境中。该环境主要包括血流产生的剪切应力（SS）、心脏搏动引起的循环应变（CS）以及决定细胞基底物理刚度的细胞外基质刚度（ES）（图1）。自早期血管生理学研究以来，这些力的汇聚及其对血管功能的影响已被充分认识。随着Furchgott和Zawadzki发现内皮在调节血管功能中的关键作用，描述通过该组织的力学约束整合的研究兴趣重新兴起。当前认知认为机械约束并非均匀一致，其不同特性可能对内皮生理产生特定影响，进而调节血管壁组成和血管张力。
2.综述策略
本综述依据PRISMA 2020声明进行，旨在全面识别、筛选并综合关于血管内皮细胞（ECs）暴露于联合力学刺激下的基因和/或蛋白反应的科学证据。
2.1 数据来源、资格标准与研究选择
检索于2025年4月至7月间进行，并在2025年12月进行了后验证，覆盖PubMed/MEDLINE等多个数据库。检索词包括内皮细胞与剪切应力或流体剪切、循环应变或机械应变、基底刚度或细胞外基质刚度或基质刚性等组合。纳入标准为报告了至少应用SS、CS或ES中两种力学因素的原始研究，排除仅关注单一因素或缺乏直接分子测量的研究。筛选由三位评审员完成，第二位评审员独立评估了20%的记录样本，一致性达到100%。
2.2 数据提取与质量评估
采用标准化表格进行数据提取，收集研究特征、细胞模型、各力学线索参数、主要结果（基因/蛋白表达）及次要结果等信息。使用为体外力学生物学定制设计的检查表评估偏倚风险，结果用于背景化证据的稳健性而非排除标准。
2.3 数据综合
鉴于研究间高度的方法学和概念异质性，采用叙述性综合方法。所有显著调控的分子标记被提取并按功能类别手动聚类（如屏障完整性、炎症、血管张力）。按力学刺激组合和生理情境分组，定性比较实验结果，识别最常出现的信号通路。
3.报告分析
3.1 研究选择
初始检索识别出119篇文章，去重后筛选111篇，最终纳入17项研究进行定性综合。排除的主要原因是仅关注单一机械刺激。
3.2 机械刺激表征与研究焦点
SS值范围从0.01至20 Pa，层流或单向流（0.1-5.0 Pa）模拟健康动脉的保护性血流动力学，扰动流或极低幅度流（<0.5 Pa）模拟易致动脉粥样硬化条件。ES水平呈现广泛多样性，从模拟健康组织的软水凝胶（0.2-30 kPa）到模拟纤维化或老化的中等刚度材料（10-100 kPa），而玻璃或塑料等高刚度基底用作对照。CS通常在2%-10%范围内模拟正常动脉扩张性，低于此范围的值用于模拟与动脉硬化相关的扩张性降低。
3.3 关键基因、蛋白质与信号通路
次要分析识别出一组可能受力学刺激组合一致调控的分子介质，可分为几类：屏障完整性与细胞粘附（如VE-cadherin、桩蛋白、FAK、F-肌动蛋白）；促炎与致动脉粥样硬化通路（如NF-κB、ICAM-1、VCAM-1）；血管张力与稳态调节（如eNOS/NO）；经典机械转导通路（如Rho/ROCK、ERK1/2、YAP/TAZ）。研究显示，NF-κB轴是一个典型例子：单向SS以刚度依赖性方式抑制其激活，而SS与CS的组合则增加其活性，表明层流的保护作用可能被额外力学输入所覆盖。NO调节也呈现类似模式：层流SS在较软基底上更早激活eNOS，但较高刚度会抵消此效应。在结构层面，SS以刚度依赖性方式调节整合素和FAK水平，基底刚度改变SDC-1在粘着斑处的结合伙伴。YAP在联合SS与ES下的激活呈性别依赖性。这些结果表明，一种物理约束可以逆转、放大或重定向另一种约束的效果。
3.3.1 关键分子参与者
单向层流促进保护性和抗炎状态，而扰动流导致促炎和致动脉粥样硬化表型。CS调节血管活性分子的产生并影响多种内皮过程，通过激活关键转录因子驱动基因调控。细胞外基质重塑影响ES，从而定义ECs感知力学约束的设定点。研究提供的直接证据表明，这些通路不仅受单一力调控，还受它们之间相互作用的调控。例如，联合振荡SS与CS促进NO合成，而高刚度则会减少NO。在凋亡方面，刚性基底上的SS促进DAPK和caspase-3/7介导的凋亡，较低刚度下则减弱。未来研究应扩展至Piezo1和Talin1等重要机械转导分子，这些分子虽具潜在重要性，但尚未在同时传递至少两种机械刺激的体外系统中进行研究。
3.3.2 关于剪切应力的精细调节
主要观察结果是研究间存在巨大的方法学异质性。被定义为生理性和非生理性的范围差异显著。例如，动脉模型的生理SS报道为1.0-5.0 Pa，而微血管研究则认为应使用低于0.6 Pa的值。同样，生理刚度范围取决于各研究对健康组织的定义，从约2.5 kPa的软水凝胶到超过100 kPa的更硬聚合物不等。这种变异性使得直接比较和定量荟萃分析变得困难，但本身构成了有价值的发现。越来越多的体内研究和计算模拟挑战了层流模型和生理SS值的有效性。
3.3.3 静态刚度忽视了粘弹性
本综述识别出关于ES的一个重要问题，即频繁使用超生理刚度的对照条件。许多研究将ES报告为单一的恒定弹性模量（E），将仿生水凝胶和天然血管组织视为线性和纯弹性材料。然而，血管组织本质上是各向异性和粘弹性的，其被动机械特性沿血管树表现出显著的区域异质性。表观刚度并非静态属性，而是高度依赖于应变率、施力方向和测定方法。血管壁的被动机械行为因其复杂的细胞外基质组成而高度非线性，其“生理”弹性模量不能定义为一个单一数值，而应定义为由被动基质力学和主动收缩状态共同决定的动态工作范围。推导血管生物力学参数的方法也会影响选定的体外力学约束水平。
3.3.4 应对多重机械约束的静态刚度
大多数纳入研究未在其设计中考虑基底粘弹性或非线性“分子离合器”机制。分子离合器是由整合素、Talin1、vinculin和肌动蛋白细胞骨架在粘着斑处形成的物理连接。细胞通过粘着斑的机械感知需要最低限度的基底阻力才能激活，但当基质变得过于刚性时会饱和，导致粘着斑激活和基因表达进入平台期。因此，“软”基底可能无法提供足够的应力来触发机械转导，而“硬”对照可能超出内皮整合素的饱和极限。研究发现，SDC-1在软基底上将其结合偏好从Src、PKA和FAK转变为在硬基底上与肌动蛋白和肌球蛋白IIb结合，这是离合器依赖性机械转导转变的直接例证。性别依赖的YAP反应表明，男性和女性ECs可能对相同基底具有不同的饱和阈值。
3.3.5 细胞起源与机械敏感性
大部分研究报告依赖HUVECs或BAECs。虽然这些模型稳健且具有历史意义，但它们可能不足以代表成年动脉或微血管床的特异性力学生物学。例如，HUVECs是静脉起源的胎儿细胞，却常用于模拟动脉粥样硬化。这引发了对研究结果外部效度的问题。
