5.1.4 血流切应力高低对动脉粥样硬化形成的影响
受血液流速特性的影响，动脉和静脉血管树中的切应力各有不同。动脉壁切应力在10～70 dyn/cm2，而相应静脉切应力的正常值比动脉明显要低（1～6 dyn/cm2）。在脉管系统中，高切应力的区域也存在，特别是在因血管解剖结构或几何形状引起湍流或流速增加，如弓动脉样的弯曲、分叉和血管吻合处等。而且由于逆流的存在，切应力的方向也可能会改变，这依赖于血流动力学的状况。低切应力区常伴有不稳定流体的存在，如湍流、血液回流区域、血液“停滞”区域（淤血）等，这些情况常常在大动脉或动脉分叉处可以看到。
AS与诸多危险因素如高血压、高胆固醇血症、低HDL血症、糖尿病以及吸烟等有密切联系，但AS的损害分布是非随机的，呈现高度的局灶性且无明显的个体差。AS斑块大都会发生于冠状动脉、颈动脉、脑动脉、腹主动脉、股动脉等复杂的血液流动区域，且多在动脉的分叉、狭窄或弯曲等几何形状和血流速度都有改变的部位。而血管直径、血流速度和血液黏度决定了切应力的高低。
（1）正常血流切应力的影响
在正常生理状况下，层流切应力是维持血管健康很重要的一个因素，它恒定在一定范围内并保持其方向和大小，可以阻止AS、血栓形成、粒细胞的黏附、VSMCs增殖以及血管重建、内皮细胞凋亡等。它对血管管径的调节、血管壁的细胞增殖、血栓形成及炎症的抑制等是非常重要的。层流切应力可刺激VECs释放多种生物活性物质，如超氧歧化酶（SOD）、谷胱甘肽、NO和ET-1等。NO可引起血管平滑肌舒张松弛，而ET1则使之收缩，两者的平衡能使血管张力保持在一定的范围内。NO还可抑制血小板黏附，抑制VECs过度合成并释放生长因子，并阻止了VSMCs的过度增殖。因此，稳定的层流切应力是抗AS形成的一个重要因素。
近期研究表明，稳定的层流切应力会促进内皮细胞因子的释放、抑制凝血、白细胞迁移、引起VSMCs而导致血管舒张。15～70 dyn/cm2正常生理范围的层流切应力可诱导内皮细胞处于静止期并维持抗AS基因的正常表达。低于4 dyn/cm2的切应力则刺激致AS基因的表达，高于70 dyn/cm2切应力则诱导早期血栓形成。
相关研究表明，稳定的层流可降低VECs的凋亡和TNF-α介导的VECs激活（图5-5），效果与切应力大小成正比。VECs凋亡或激活被认为是斑块缺损的主要原因，并可进一步引起血小板聚集。12 dyn/cm2的稳定层流切应力作用于HUVECs，受TNF-α刺激而激活三个MAP激酶（MAPK）：细胞外信号调节激酶（ERK 1/2）、c-Jun氨基端激酶（JNK）和p38。在HUVECs内，TNF-α激活ERK1/2、JNK和p38最多只需15 min，而预先将HUVECs放置在稳定层流中处理10 min后，JNK的激活即被抑制，而ERK1/2和p38的激活无明显差异。将HUVECs与PD98059（蛋白激酶MEK1/2的专一抑制剂）共孵育，会阻断血流切应力介导的对TNT激活JNK的抑制作用。
图5-5 内皮细胞生物学和切应力。（a）稳定层流切应力促进内皮细胞白血球的凝固和迁移、平滑肌细胞增殖的因子的释放，同时提高内皮细胞的存活率。（b）相比之下，低切应力和扰动流改变分泌因子的轮廓，并使表面分子表达相反的效果，因此导致动脉粥样硬化的发展。PGI2为环前列腺素；tPA为组织纤溶酶原激活物；TGF-β为转换生长因子β；Ang Ⅱ为血管紧张素Ⅱ；ET-1为内皮素1；PDGF为血小板源生长因子；MCP-1为单核细胞趋化蛋白1；VCAM-1为血管细胞黏附分子1。［引自：Yoshizumi M, et al. Stress and vascular responses: atheroprotective effect of laminar fluid shear stress in endothelial cells: possible role of mitogen-activated protein kinases［J］. J Pharmacol Sci, 2003, 91（3）: 172-176.］
Figure 5-5 Endothelial cell biology and shear stress.（a）Steady laminar shear stress promotes release of factors from endothelial cells that inhibit coagulation, migration of leukocytes, and smooth muscle proliferation, while simultaneously promoting endothelial cell survival. （b）In contrast, low shear stress and turbulent flow shift the profile of secreted factors and expressed surface molecules to one that favors the opposite effects, thereby contributing to the development of atherosclerosis. PGI2 indicates prostacyclin; tPA, tissue plasminogen activator; TGF-β; transforming growth factor-β; AngⅡ, angiotensinⅡ; ET-1, endothelin-1; PDGF, plateletderived growth factor; MCP-1, monocyte chemoattractant protein-1; VCAM-1, vascular cell adhesion molecule-1.［Adapted from: Yoshizumi M, et al. Stress and vascular responses: atheroprotective effect of laminar fluid shear stress in endothelial cells: possible role of mitogenactivated protein kinases［J］. J Pharmacol Sci, 2003, 91（3）: 172-176.］
（2）异常血流切应力的影响
在血管的分叉、分支出口以及弯曲处，非层流（湍流或扰流）因为流动方向的混乱，会形成各种旋涡并造成切应力大小的改变（图5-6），这种血流类型的变化可引起血管内皮在细胞和分子水平不同的反应，这些反应与其他全身性危险因素一起协同促进AS形成。(https://www.daowen.com)
1）高切应力的影响：早在1968年，研究认为AS形成的原因是局部的高切应力损伤了血管内皮细胞层，导致血脂质沉积和血小板聚集，进而形成斑块。该项研究所估计的能够损伤内皮细胞的切应力水平在400 dyn/cm2以上，然而，在正常的心血管循环系统中，动脉的最大切应力不超过100 dyn/cm2，因此现在的研究者普遍不支持这种假设。
危当恒等的研究发现，在高切应力区，高切应力使内皮细胞胞间间隙增大，脂质以及炎症细胞容易进入内皮下沉积，最终引发内膜增生和粥样斑块的形成，该过程为一个急性反应的过程，并且导致斑块的不稳定性。而狭窄远心端是振荡的低切应力区，脂质在该区域堆积从而影响内皮细胞的通透性，导致脂质在内皮下沉积，引起平滑肌细胞的迁移和增殖，从而诱导内膜增生的形成和发展，是一个慢性反应过程。
图5-6 血液流型特征。说明流动模式特征的示意图。（a）未受干扰动的层流是一种平滑的流线型流动，其特征是血液同心层沿动脉平行移动。（b）受扰动的层流的特征是反向流动（即，流动分离、再循环和重新附着到正向流动）。（c）在湍流中，任何给定点的血流速度随时间不断变化，即使整体流动是稳定的。Re为雷诺系数。［引自：Chatzizisis YS, et al. Role of endothelial shear stress in the natural history of coronary atherosclerosis and vascular remodeling: molecular, cellular, and vascular behavior［J］. J Am Coll Cardiol, 2007, 49（25）: 2379-2393.］
Figure 5-6 Characteristics of Flow Patterns. Schematic figure illustrating the characteristics of flow patterns.（a）Undisturbed laminar flow is a smooth streamlined flow characterized by concentric layers of blood moving in parallel along the course of the artery.（b）Disturbed laminar flow is characterized by reversed flow（i.e., flow separation, recirculation, and reattachment to forward flow）.（c）In turbulent flow the blood velocity at any given point varies continuously over time, even though the overall flow is steady. Re=Reynolds number.［Adapted from: Chatzizisis YS, et al. Role of endothelial shear stress in the natural history of coronary atherosclerosis and vascular remodeling: molecular, cellular, and vascular behavior［J］. J Am Coll Cardiol, 2007, 49（25）: 2379-2393.］
近期研究显示，在动脉狭窄的近端，越接近狭窄部位，切应力愈高。但高切应力不易于AS发生是在一定范围内的，实验表明，高切应力区出现内皮通透性增高可以解释为超过非生理状态的高切应力，因为在超过400 dyn/cm2时内皮细胞功能将受到损害。由于在近端狭窄部位通透性增高，且切应力急剧升高，有两种类型的紧密连接蛋白的表达明显减少，但仍明显高于远端白蛋白和脂质通透性增高区域。这反映出与低切应力相比，高切应力的确对动脉硬化发生具有一定阻碍作用。
Yusaku Fukumoto等认为局部高切应力可引发AS纤维帽破裂。高血流切应力可降低VECs增殖率和凋亡率，提高血管扩张性化学介质、旁分泌生长抑制因子、纤维蛋白原溶解因子和抗氧化剂的产生；抑制血管收缩性介质、旁分泌生长刺激因子、炎性介质和黏附分子的产生。
2）低切应力的影响：1978年，Caro提出致AS的低切应力作用假说，他认为AS损害发生在管壁切应力相对较低的区域。目前普遍认为，低切应力是动脉疾病最危险的血流动力学因素。处于低切应力或具有涡流区域的动脉壁与局部内皮细胞功能紊乱和AS斑块形成有关。Yoshizumi等的研究表明AS主要发生在血管内湍流和低切应力的区域，而层流和高切应力因能降低CD36（Ox-LDL的受体）的表达和单核细胞黏附以及ET-1的产生、增加NO生成从而具有抗AS形成的作用。
姜宗来用家兔颈总动脉粥样硬化模型和猪颈总动脉体外应力培养模型的研究结果表明，低切应力明显促进了动脉粥样硬化的形成和发展。在低切应力作用下，动脉发生明显重建，VSMCs增殖与凋亡在重建过程中都发挥了重要作用。低切应力使VECs的NO分泌受到抑制，促使VSMCs增殖增加、凋亡减弱。在低切应力作用下，抑癌基因蛋白p53和凋亡抑制基因蛋白Bcl-2表达发生变化，可能调节了VSMCs的凋亡过程。在与切应力有关的VSMCs增殖和凋亡的信号转导过程中，原癌基因C-Fos和C-Myc可能发挥了调节作用，从而参与血管重建。
部分研究认为低切应力状态持续维持48 h以上，血管内皮细胞明显增生，常伴有内皮细胞形态改变和伸展性下降、弹性纤维减少、单核细胞黏附性增加、血管细胞黏附分子表达增加；此外血流切应力下降还可促使血管内皮细胞凋亡，破坏血管内膜完整性，导致局部血栓形成。Chatzizisis等的研究认为，低切应力的大小决定AS斑块的复杂性和异质性，可作为高风险AS斑块（大量脂质沉积、炎症严重、纤维帽变薄、严重的内弹力板退化和过度膨胀重建等）发生发展的独立预测因子（independent predictor）。