2.4 细胞膜张应力累加效应影响大血管内皮细胞ET-1的分泌
血管内皮代谢与血管内皮细胞功能状态密切相关。内皮的各种代谢功能变化包括血管活性物质的生物合成和降解，清除活性氧酶系统的合成，脂蛋白的运输和代谢，细胞外基质成分的分泌和重塑，各种生长因子，细胞因子和类激素物质以及前列腺素和其他强效类胡萝卜素的生物合成等。
流动引起的切应力作用于内皮细胞膜，切应力与血管内皮细胞的功能密切相关。研究认为，内皮细胞的内应力或膜张力与内皮细胞代谢和超微结构的改变直接相关。理论分析表明细胞膜张力或拉伸应力可能会由于流动引起的切应力而累积，当细胞与血液之间的渗透压或静压差为零或更大时（体内环境），细胞膜张力会沿着逆着血流的方向积累，即膜张力将在上游累积。在某些条件下，细胞膜中的拉应力能够沿与血流相反的方向增长，累积到很高的水平，甚至比膜表面的流动切应力高三个或更多个数量级，这种现象称为细胞膜张力累积（cell membrane tension accumulation，CMTA）。
有学者采用干涉显微镜测量流动切应力条件下人血管内皮细胞的三维几何形状，结果表明内皮细胞膜中确实存在拉应力在细胞膜张力累积现象，其大小取决于血液-内皮界面，并且可能对整合素或离子通道产生深远影响，对代谢和生物学功能具有重要意义。因此，在研究内皮细胞的力学行为时应考虑细胞膜张力累积现象。
由于直接测量细胞膜张力非常困难，我们认为，如果拉力或拉应力确实累积并逆着血流而增加，则在相同的切应力环境下血管的平均内皮细胞膜拉应力与血管长度相关，内皮细胞生物活性物质的代谢和分泌速率也可能与血管长度相关。在本研究中，设计了一个配对实验，通过测量暴露于稳定层流切应力的内皮细胞单层的内皮素-1（endothelin-1，ET-1）的分泌来验证该假说。
获得婴儿分娩后4 h内的脐静脉，并用无菌生理盐水将血液冲洗干净。在无菌条件下，将一根脐静脉分为三个静脉段（A、B和C）。静脉段的长度分别为10 cm（A）、15 cm（B）和15 cm（C）。灌注采用前述平行平板流动腔系统，将静脉段与灌流系统连接后，流量监测器测定流量，整个系统保持在37 ℃和pH 7.4。A和B段的切应力为0.48 N/m2，C段的切应力为0.73 N/m2。在24 h的灌注过程中，每2 h从底部储液器抽取1 mL液体样品，在抽取样品后立即补充等量的新培养基，保持整个系统的灌流液总量不变。放射免疫法测定ET-1的含量。通过Marquart非线性回归分析和统计软件包DATA PROCESS SYSTEM（DPS）将测得的ET-1的累积分泌与非线性回归方程拟合，配对t检验进行统计学分析。0.48 N/m2的切应力下持续24 h，15 cm长的静脉（B）ET-1的平均分泌率显著高于10 cm长静脉段的平均分泌率（p＜0.01）（表2-2）。
在相同水平的切应力（0.48 N/m2）下，两个静脉段的ET-1分泌率均随时间线性下降（图2-9）。
表2-2 静脉段ET-1的平均分泌率
Table 2-2 The average secretion rate of ET-1 in the vein
Flow shear time=24 h.(https://www.daowen.com)
图2-9 ET-1的分泌率与静脉长度时间的关系。［引自：Wang G X, et al. The phenomenon of cell membrane tensile stress accumulation and its effect on endothelin-1 secretion by vascular endothelial cells［J］. Colloid Surface B, 2003,（28）: 273-278.］
Figure 2-9 The relationship between the secretion rate of ET-1 and the length of the vein. ［Adapted from: Wang G X, et al. The phenomenon of cell membrane tensile stress accumulation and its effect on endothelin-1 secretion by vascular endothelial cells［J］. Colloid Surface B, 2003,（28）: 273-278.］
当受到不同的切应力水平时，长度具有相同的静脉段（B和C）分泌ET-1的速率明显不同。在24 h内，0.73 N/m2切应力下C段ET-1的平均分泌率为46.289 29±0.118 0 pg/（cm2h），在0.48 N/m2切应力下B段ET-1的平均分泌率为34.915 49±0.983 0 pg/（cm2h），前者比后者高出近30%（p＜0.01）。
在0.73 N/m2的条件下，C段的ET-1分泌率在整个24 h内保持稳定，这与B段在0.48 N/m2的切应力作用下明显不同（图2-10）。
图2-10 ET-1的分泌率与流动剪切时间的关系。［引自：Wang G X, et al. The phenomenon of cell membrane tensile stress accumulation and its effect on endothelin-1 secretion by vascular endothelial cells［J］. Colloid Surface B, 2003（28）: 273-278.］
Figure 2-10 The relationship between the secretion rate of ET-1 and the flow shear time. ［Adapted from: Wang G X, et al. The phenomenon of cell membrane tensile stress accumulation and its effect on endothelin-1 secretion by vascular endothelial cells［J］. Colloid Surface B, 2003（28）: 273-278.］
因为直接测量拉应力非常困难，因此利用生物活性物质的释放与内皮细胞单层长度之间的相关性来推测细胞膜张力累积的假设。测量不同长度（分别为10 cm和15 cm）的人脐静脉血管段的ET-1分泌。将两个静脉段置于相同的流场中，给予相同的剪应力（0.48 N/m2）作用24 h。结果表明，在相同的剪应力水平（0.48 N/m2）下，10 cm长的静脉段（A）和15 cm长的静脉段（B）之间ET-1的分泌速率差异显著。
在0.48 N/m2的切应力下暴露24 h，B段分泌ET-1的速率为34.915 49 ±0.983 0 pg/（cm2h），比A段30.627 49±0.491 2 pg/（cm2h）的平均速率高出近14%。当在不同切应力水平时，具有相同长度（B和C）的静脉段分泌ET-1速率明显不同。由于拉伸应力应与切应力成比例，因此高切应力应引起高拉伸应力，高切应力产生更多的ET-1。这些数据证实，较长的血管段，或者是承受较高切应力的血管段，会在细胞膜上积累更高的拉伸应力，较高的拉应力积累在细胞膜中会导致ET-1分泌更多。
因此，CMTA现象确实发生在血管内皮细胞中，并影响血管内皮细胞的代谢。