4.3.5　力学发育生物学研究展望

血流动力学因素在个体发育中的作用近年来引起了广泛的关注，过去由于研究手段的局限，很难在体内动态跟踪力学因素在个体发育中的作用。血管系统作为一个复杂的系统，随着其发育进程的推进，涉及的力的种类和作用方式更为复杂，因此研究血管发育过程中力学因素的作用仍然面临着挑战。现在随着高清显微成像系统（如双光子激光共聚焦显微镜）和相关软件的开发利用以及能够测定细胞及分子间作用力的原子力显微镜的广泛应用，不仅可以在体外进行精确的定量的细胞力学相互作用测定，同时还可以在体跟踪细胞运动、观察细胞命运。基于斑马鱼这种模式动物在心血管发育研究领域的开发和应用，利用其胚胎透明的优势进行在体内的力学运动观察和计算，建立活体的血管流体力学网络结构；同时利用多种心血管相关的转基因品系进行力学生物学的研究，如使用没有心跳的转基因斑马鱼可以在体内观察血流动力学的改变对血管发育的影响，将来发育生物学将向这一新的研究领域迈进。同时更多转基因动物品系的获得和人工突变遗传工程实验动物模型的建立, 将为力学发育生物学的研究工作提供宝贵的资源。因此我们有必要抓住这个有利时机，从力学的角度对发育生物学展开系统的研究，为将来建立一门新兴的交叉学科——力学发育生物学（Mechano-developmental Biology）奠定坚实的基础。(https://www.daowen.com)

在这方面，国内的重庆大学、中国科学院动物研究所、中国科学院上海生命科学研究院神经科学研究所等单位开展了富有成效的研究。如重庆大学依托生物力学与组织工程教育部重点实验室（即后来的生物流变科学与技术教育部重点实验室）和重庆国家生物产业基地公共实验中心，在2009年建立了力学发育生物学研究室（Laboratory of Mechanical Developmental Biology），开展了一系列力学发育生物学相关研究。例如，前期，以斑马鱼为模型，首次在体实验验证动脉粥样硬化局灶性血流动力学成因的脂质浓度激化假说，初步阐明了低密度脂蛋白浓度极化致动脉粥样硬化的分子机制。随后以双转基因斑马鱼（flk1: GFP×gata1: DsRed）为研究对象，通过激光共聚焦显微镜结合活体成像技术、基因敲降、基因编辑以及分子细胞生物学等技术，系统地研究了斑马鱼尾部静脉血管丛（CVP）发育的整个过程，并且定量分析血流动力学在CVP血管新生和尾部静脉形成中的作用和机制。研究发现斑马鱼尾部静脉血管发育分为三个清晰的阶段：CVP血管新生阶段、尾部静脉形成阶段、CVP血管消退阶段。改变血流动力学扰乱斑马鱼CVP血管新生。定量分析表明血流切应力的变化和CVP发育的变化呈线性关系。机制上血流动力学通过激活ERK5-klf2a-nos2b信号通路促进CVP血管新生。与此同时，研究发现尾部静脉形成主要包括两个方式：血管融合和血管修剪。随后通过激光共聚焦结合斑马鱼活体成像技术发现：当分叉的两根血管中血流速度相同时，分叉的两根血管进行融合，最终形成尾部静脉。当分叉的两根血管中血流速度不一样的时候，血流速度大的血管将稳定保留下来，最终形成尾部静脉，血流速度小的血管发生内皮细胞重排，被修剪掉。机制上，研究发现血流动力学-klf6atagln2信号通过促进内皮细胞迁移和细胞骨架聚合调控斑马鱼尾部静脉形成。本章研究已建立一套将力学因素引入发育生物学研究的方法，验证了本书作者前期提出的假设（即：血流切应力参与调节血管发育过程，且是通过改变血管内皮细胞的细胞骨架状态、介导ERK5信号通路进而调节klf2a和eNOS基因表达来实现的），为深入理解和阐明血流切应力调节血管发育的力学生物学机制提供了新依据。