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第 10 章：剪切应力、肌源性反应与血流自身调节（Shear Stress, Myogenic Response, and Blood Flow Autoregulation）

10.1 引言（Introduction）

血流对血管壁持续施加的机械力可分为两个主要分量：一是平行于血管壁、由血流对内皮层的摩擦力所定义的剪切应力（shear stress），二是垂直于血管壁、与血管内血压相关的张应力（tensile stress）。剪切应力主要作用于血管内皮，而源于血压的张应力则传递到血管壁的所有层（Hill-Eubanks 等 2014）。Schretzenmayr 于 1933 年首次报告动脉在血流量增加（即剪切应力增加）时发生舒张（Davies 等 2005），如今已明确剪切应力通过内皮源性物质——包括一氧化氮（NO）、前列腺素 I₂ 和内皮源性超极化因子（EDHF）——对血管张力和血管重塑产生急性和慢性影响（Holtz 等 1984；Rubanyi 等 1986；Busse 和 Fleming 2006；Chiu 和 Chien 2011；Baeyens 等 2016）。血压升高引起血管收缩，血压降低则引起血管舒张，这种被命名为肌源性反应（myogenic response）的现象最早由 Bayliss 于 1902 年报告（Bayliss 1902）。肌源性反应构成了在生理血压范围内将血流维持在相对稳定水平的基本机制，即血流自身调节（blood flow autoregulation）。与代谢调节及其他机制相结合，自身调节活动对组织灌注和功能至关重要（Hall 2015；Carlström 等 2015）。本章将讨论剪切应力、肌源性反应和血流自身调节在血管活动调控中作用的现有认识。

10.2 剪切应力（Shear Stress）

在血管中，剪切应力被定义为作用于内皮的血流切向力。在直管中剪切应力大小（τ）可用公式 τ = 4μQ/πr³ 估算，其中 μ 为血液黏度、Q 为血流量、π 为圆周长与直径之比、r 为血管半径。生理条件下，人类动脉的剪切应力范围为 10–70 dyn/cm²，静脉系统为 1–6 dyn/cm²（Papaioannou 和 Stefanadis 2005；Davies 2009）。一项研究显示小鼠和大鼠肾下主动脉的剪切应力明显高于人类（分别为 87.6、70.5 和 4.8 dyn/cm²），这种差异至少部分是由于小鼠和大鼠肾下主动脉的半径（约 3.5 和 8.5 mm）远小于人类（约 65 mm）；而剪切应力与动脉半径的立方成反比（Greve 等 2006）。每段血管很可能都存在一个最佳值或设定点（set point），是偏离该设定点而非剪切应力的绝对水平激活了血管反应（Baeyens 等 2015）。

剪切诱导血管反应的机械转导可能通过多种离子通道和膜受体实现，包括 K⁺、Cl⁻ 和 Ca²⁺ 通道、瞬时受体电位（TRP）通道、G 蛋白偶联受体（GPCRs）和酪氨酸激酶受体（TKRs）。多种黏附蛋白如整合素（integrins）、血小板内皮细胞黏附分子（PECAM-1，CD31）和血管内皮钙黏蛋白（VE-cadherin，CD144）也参与其中，导致下游信号转导通路的激活。剪切应力的变化会影响糖萼（glycocalyx）的构象，糖萼是围绕细胞膜的糖蛋白-多糖包覆物。剪切应力还会引起初级纤毛（primary cilia）的偏转，初级纤毛是膜覆盖的杆状细胞器，从细胞表面突出；初级纤毛的弯曲可能激活定位于纤毛内的阳离子通道并引起 Ca²⁺ 内流。黏附蛋白、糖萼和初级纤毛在细胞内均与细胞骨架相连，细胞骨架不仅稳定细胞的结构和形状，还把剪切介导的信号转递到远离管腔面的亚细胞位点。小窝（caveolae）—— 50–100 nm 的烧瓶状质膜内陷 —— 也参与介导剪切应力信号。此外，质膜本身可能直接作为剪切应力感受器（Ando 和 Yamamoto 2013；Ye 等 2014；Zhou 等 2014）（图 10.1）。

整合素是跨膜糖蛋白，由 α 和 β 亚基组成。亚基的胞外域与细胞外基质蛋白直接结合，胞质域则与黏着斑蛋白相互作用。在编码 α1 整合素基因敲除的小鼠中，剪切应力引起的肠系膜阻力动脉 NO 介导的舒张反应减弱，同时磷脂酰肌醇 3-激酶（PI3-kinase）和蛋白激酶 B（Akt）的磷酸化降低（Loufrani 等 2008）。黏着斑中的细胞 Src 激酶（c-Src）被剪切应力快速激活。当整合素受到剪切应力作用时，c-Src/PI3-kinase/Akt 级联的激活可刺激内皮型 NO 合酶（eNOS）的活性，进而引起 NO 依赖的血管舒张（Loufrani 等 2008；Ando 和 Yamamoto 2013）。PECAM-1 是另一种黏附蛋白，集中于细胞间连接区域，已被证明与 VE-cadherin 和血管内皮生长因子受体-2（VEGFR-2）形成机械感受复合体，其中 PECAM-1 直接传递机械力，VE-cadherin 起衔接蛋白作用，VEGFR-2 激活 PI3-kinase。剪切应力施加于 PECAM-1 的张力激活 c-Src，导致 VEGFR-2 的配体非依赖性反式激活，随后激活 Akt，磷酸化 eNOS 的 1177 位丝氨酸（S1177），并产生 NO。VEGFR-2 的激活也可通过 cAMP 依赖性蛋白激酶（PKA）引起 S1177 磷酸化。热休克蛋白 90（Hsp90）是一种组成性表达的分子伴侣，当与 eNOS 结合时可将 Akt 招募到 eNOS 复合体中并维持 Akt 活性（Tzima 等 2005；Davies 2009；Ando 和 Yamamoto 2013；Baeyens 等 2016）。

在动脉的直段，内皮受到单向层流产生的剪切应力。剪切应力的急性变化通过释放 NO、前列腺素和超极化因子等内皮源性因子调节血管张力。局部血动力学的慢性变化则通过内皮依赖性的基因和蛋白表达调节促进血管壁的适应性结构重塑（Davies 2009）。然而，在动脉分支和分叉处及弯曲段（如主动脉弓），血流的特征为平均剪切应力低、剪切应力梯度不断变化、由血流反转引起的振荡流以及多频多向的次级流，这种模式的流动称为扰动流（disturbed flow）。动脉直段由于单向层流诱导的抗炎、抗氧化和抗血栓基因（特别是流依赖性转录因子 Krüppel 样因子 2（KLF2）和核因子（红细胞衍生 2）样 2（NRF2））而免于动脉粥样硬化。相比之下，受到扰动流暴露的动脉区域即使在对照条件下也呈现低度的慢性炎症，使血管更易发生动脉粥样硬化（Davies 2009；Chiu 和 Chien 2011；Baeyens 等 2016）。

10.3 肌源性反应（Myogenic Response）

血管对管腔内压力升高发生收缩反应，对管腔内压力降低发生舒张反应，这种被称为肌源性反应的现象在微动脉中最为显著，但也可在动脉、微静脉、静脉甚至淋巴管中观察到（Hall 2015）。肌源性反应一般被认为是血管平滑肌细胞（VSMCs）的固有特性。它由压力诱导的血管壁牵张引起，进而引起 VSMC 牵张；VSMC 牵张启动一个去极化事件，激活电压门控 Ca²⁺ 通道，随后 Ca²⁺ 内流增加。牵张还可能引起肌浆网 Ca²⁺ 释放增加、肌丝 Ca²⁺ 敏感度增加，并最终引起血管收缩。大量证据支持肌源性反应在血管阻力设定、微血管血流的局部自身调节以及毛细血管流体静压控制中起关键作用（Drummond 等 2008；Hill 和 Meininger 2012；Kauffenstein 等 2012）。

VSMC 牵张转化为细胞信号转导的机制多种多样，包括细胞膜的机械形变导致机械敏感性离子通道的开放、由锚定的细胞外基质或细胞骨架传递的力激活离子通道，以及力敏感受体和酶产生的第二信使（Drummond 等 2008；Hill 和 Meininger 2012；Liu 和 Montell 2015）。

哺乳动物瞬时受体电位（TRP）超家族由 28 个非选择性阳离子通道组成，分为六个亚家族：经典型、香草酸型、褪黑素型、锚蛋白型、多囊型和粘脂型 TRP（分别为 TRPC、TRPV、TRPM、TRPA、TRPP 和 TRPML）。TRP 通道并不具有典型的电压感受器，但能感受包括压力、剪切应力和机械牵张在内的多种其他刺激（Earley 和 Brayden 2015；Yue 等 2015）。在离体大脑中动脉中，用反义寡核苷酸抑制 TRPC6 或 TRPM4 表达可消除压力诱导的去极化和收缩，表明这些 TRP 通道在肌源性血管收缩中起关键作用（Welsh 等 2002；Earley 等 2004）。研究显示细胞膜的牵张引起膜变薄和 TRPC6 通道的构象变化，从而导致其开放状态。或者，当 G 蛋白偶联受体被激活时，位于 TRPC6 通道附近的磷脂酰肌醇 4,5-二磷酸（PIP₂）的大带电肌醇 1,4,5-三磷酸（IP₃）头部基团被磷脂酶 C（PLC）切割出来，在二酰甘油（DAG）上形成小的不带电的头部基团，从而引起脂质几何形状的剧烈变化，进而引起 TRPC6 通道的应力和/或暴露并使其开放（Spassova 等 2006）。在脑动脉平滑肌细胞中，由于牵张依赖的 DAG 生成或直接机械刺激引起 TRPC6 通道激活所致的 Ca²⁺ 内流，增加了肌浆网 IP₃ 依赖的 Ca²⁺ 释放，进而激活邻近的 TRPM4 通道。TRPM4 通道又促进 Na⁺ 内流和细胞去极化，随后通过电压门控 Ca²⁺ 通道增加 Ca²⁺ 内流并引起血管收缩（Earley 和 Brayden 2015）。在脑实质微动脉中，肌源性张力的发展还被发现源于嘌呤受体的机械激活，随后通过 Rho 激酶（ROCK）介导增强 TRPM4 通道的 Na⁺ 内流以及 ROCK 介导的肌丝 Ca²⁺ 敏感度增加（Li 等 2014；Li 和 Brayden 2017）。

在肾叶间动脉、肾入球微动脉和大脑中动脉中，上皮钠通道（ENaC）蛋白和密切相关的酸敏感离子通道（ASIC）已被提议形成一个离子通道（ENaC–ASIC）作为机械感受器参与血管肌源性反应（Drummond 等 2008；Drummond 2015）。ASIC 和 ENaC 都是 ENaC/DEG（退化蛋白）家族中对阿米洛利敏感的 Na⁺ 通道的成员。所有 ENaC/DEG 家族成员共享一个共同的膜拓扑结构：两个跨膜片段、胞内 N 端和 C 端，以及一个占通道蛋白质量一半以上的巨大胞外环。ENaC 目前已知有 5 个亚基（α、β、γ、δ 和 ε），ASIC 有 6 个亚基（1a、1b、2a、2b、3 和 4）。基于 ASIC1 的晶体结构预测，ASIC 和 ENaC 均为三聚体（Drummond 等 2008；Kellenberger 和 Schild 2015；Boscardin 等 2016）。

在 VSMCs 中 βENaC 和 γENaC 亚基是主要表达的 ENaC 蛋白，而 αENaC 亚基较为少见。考虑到（1）βENaC、γENaC 和 ASIC2 表达于类似的 VSMC 群体，（2）γENaC 在其他系统中与 ASIC2 发生生化相互作用，（3）ASIC2、βENaC 和 γENaC 的缺失产生相同的表型（压力诱导的血管收缩丧失），Drummond 及其同事提出这些蛋白形成一个异三聚机械敏感性通道。基于在线虫中为相关 DEG 蛋白开发的通用机械转导模型，他们假设 VSMC 中的 ENaC/ASIC 通道很可能是一个大型异多聚通道复合体，包含细胞外基质蛋白和连接蛋白、形成孔道的通道、胞内连接蛋白和细胞骨架蛋白。机械力通过细胞外基质转导以门控通道，细胞骨架也可能参与所施力的转导并稳定细胞表面的孔道。当通道被门控开放时，Na⁺ 和可能的 Ca²⁺ 内流引起膜去极化和随后的血管收缩（Drummond 等 2008）。

在离体小鼠肾叶间动脉中，用低浓度阿米洛利和苯甲脒抑制 ENaC 通道可减弱压力诱导的血管收缩以及胞质 Ca²⁺ 和 Na⁺ 的增加，但不影响苯肾上腺素诱导的血管收缩（Jernigan 和 Drummond 2005）。在同样的标本中，用显性负性或小干扰 RNA 分子特异性敲低 βENaC 或 γENaC 也可抑制压力诱导的血管收缩（Jernigan 和 Drummond 2006）。ENaC 通道在肌源性血管收缩中的关键作用也已在小鼠和大鼠入球微动脉以及大鼠大脑后动脉中得到证实（Guan 等 2009；Ge 等 2012；Kim 等 2013）。如前所述，ENaC 和 ASIC 可能形成功能性复合体以介导肌源性血管收缩。与这一假说一致，ASIC2(±) 和 ASIC2(−/−) 小鼠肾叶间动脉的肌源性收缩受损（Gannon 等 2015）。

10.4 血流自身调节（Blood Flow Autoregulation）

在身体大多数组织中，尽管体循环动脉压有大幅波动，血流仍保持在一个狭窄范围内。当受到动脉压急性升高时，血流立即升高，但在不到一分钟内就几乎恢复到正常水平，即使动脉压保持升高。这种现象被称为血流自身调节。自身调节在很大程度上不依赖于外源性神经或循环激素，主要由肌源性和代谢机制进行局部调节。反应的启动来自血管壁牵张。由于机械感受机制检测的是血管壁的周向牵张而非血流，它不太可能作为维持血流相对稳定的主要因素。更可能的情况是，代谢因素可覆盖肌源性机制使血流与组织代谢需求相匹配。自身调节对于在生理血压范围内保持血液供应充足以及防止压力波传递到细小脆弱的微血管至关重要。当灌注压升高时，自身调节避免了在血流已经足够的组织中浪费灌注；当灌注压降低时，自身调节维持毛细血管压力和毛细血管血流，这对于某些对缺血和缺氧敏感的器官尤为重要（Hall 2015）。自身调节在冠脉、脑和肾血流的调节中已得到更广泛的研究。前两者的相关内容将在第 15 章和第 16 章中分别讨论，肾血流的自身调节将在以下段落中讨论。

肾血流量（RBF）通常占心输出量的约 22%，这可从肾脏作为身体血液天然过滤器以清除水溶性废物并维持电解质和液体稳态的功能中预期。为完成这一功能，维持恒定的肾小球滤过率（GFR）至关重要。这要求在血压变化时肾血流量保持稳定，这一任务天然适合血流自身调节。事实上，肾自身调节能够在从 75 mmHg 低到 160 mmHg 高这一宽血压范围内维持血流相对稳定。肾自身调节是肾脏所固有的，不依赖于外源性神经或循环激素。它主要由肌源性反应和致密斑-管球反馈（MD–TGF）反应的协调作用完成。根据反应的幅度和动力学评估，肌源性反应对肾自身调节的贡献约为 50%，MD–TGF 约 35%，以及由连接小管-肾小球反馈系统调节的一种尚未完全表征的第三机制贡献约 10–20%。肌源性反应通过收缩入球微动脉（对灌注压升高）和舒张入球微动脉（对灌注压降低）迅速起作用。更具延迟的 MD–TGF 反应由 GFR 改变引起的致密斑细胞 NaCl 吸收增加或减少所调节，导致血管活性物质的释放，从而引起邻近入球微动脉的收缩或舒张（Burke 等 2014；Carlström 等 2015；Hall 2015）。

MD–TGF 反应依赖于球旁复合体的特殊解剖结构，其中致密斑细胞通过使用小管液中的 NaCl 作为指示剂作为 GFR 的感受器，并将邻近的肾入球微动脉作为效应器。当远曲小管中 NaCl 浓度因高灌注压引起的肾小球过度滤过而增加时，更多的钠被转运到致密斑细胞中，主要通过管腔侧的 Na⁺/K⁺/2Cl⁻ 2 型（NKCC2）协同转运体。致密斑细胞胞质 NaCl 浓度增加导致胞内 Ca²⁺ 升高，ATP 通过基底外侧的非选择性 Maxi 阴离子通道释放。ATP 随后被外核苷酸酶转化为腺苷。腺苷通过腺苷 A1 受体（A1ARs）收缩入球微动脉。在大鼠中阻断 A1ARs 可基本消除 MD–TGF 引起的单个肾单位 GFR 和肾小球毛细血管压的降低。在 A1AR 缺陷的小鼠中也发现了类似现象，表明腺苷是 MD–TGF 反应的主要介导者（Bell 等 2003；Schnermann 和 Briggs 2008；Carlström 等 2015）。除腺苷外，越来越多令人信服的证据表明至少 10 种甚至更多的血管活性物质受到致密斑/髓袢升支粗段感受位点处 NaCl 的影响，它们不同程度地参与了 MD–TGF 反应的血管活动。这些物质包括收缩性的和舒张性的两类。前者包括 20-羟基二十烷四烯酸（20-HETE）、血管紧张素 II、血栓素、超氧化物和 ATP 以及肾神经；后者包括 NO、一氧化碳、激肽和腺苷（通过腺苷 A2 受体起作用）。毫无疑问，多种血管活性物质参与了 MD–TGF 反应。反应的幅度代表了这些物质的总效应，其中收缩效应超过舒张效应（Schnermann 2015）。

本章个人批注

本章涵盖了血管活动的两个非神经、非代谢的机械性调节机制——剪切应力和肌源性反应——并把它们与血流自身调节统一起来。可以从结构上感受到一个清晰的层次：10.2 节集中讨论内皮细胞一侧的机械感受（PECAM-1/VE-cadherin/VEGFR-2 复合体、整合素、糖萼、初级纤毛、小窝、TRP 通道等），10.3 节则把焦点移到血管平滑肌细胞一侧的牵张激活（TRPC6/TRPM4、ENaC/ASIC 异多聚体）；二者通过"机械力 → 离子通道 → 膜电位/Ca²⁺ → 收缩或舒张"这一共同的下游逻辑汇合于 10.4 节讨论的自身调节。

几个我自己的观察和疑问：

  1. 感受器图谱的冗余与层级。图 10.1 描绘的多种感受器（离子通道、整合素、PECAM-1 复合体、糖萼、初级纤、小窝、质膜本身）几乎不可能是平行等价的；从行文看，TRP 通道和 ENaC/ASIC 更像是真正启动 Ca²⁺/Na⁺ 内流的"末梢效应器"，而整合素、PECAM-1 复合体、糖萼、纤毛更多是"力的收集和传递器"——把力转导到这些效应器或细胞骨架。文中并未把这种层级关系讲得很清楚，是一个需要从其他综述里交叉印证的点。

  2. TRPC6 的双重激活机制。Spassova 等 2006 提出的"PIP₂ 头部基团被 PLC 切走 → 脂质几何变化 → TRPC6 张力/暴露"这个模型相当有趣，它把机械门控和受体门控统一在同一种分子机制（脂质双层的形变）下，这与我之前把 TRP 通道的开放理解为纯构象变化不同。值得后续读 Earley & Brayden 2015 综述。

  3. ENaC/ASIC 异三聚体假说的证据强度。Drummond 团队的论证主要来自三组间接证据：共表达、biochemical interaction（来自其他系统）、基因敲除表型相同。这种"三个独立 knockout 同表型"是漂亮的遗传学证据，但缺少直接的结构生物学证据（例如纯化三聚体并重建机械门控）。文中明确说 ASIC1 的三聚体结构是预测性的，而非直接测定的 ENaC/ASIC 复合体结构——这是一个相对薄弱的环节。

  4. MD–TGF 中腺苷是不是"主要"介导者。文中说腺苷是 primary mediator（A1AR 敲除基本消除反应），但紧接着又列出"至少 10 种甚至更多"的血管活性物质并参与，且收缩效应总和超过舒张效应。这两段话有微妙的张力：腺苷"主要"是相对于单个通路而言，还是相对于"总和贡献"而言？可能需要回看 Bell 2003、Schnermann 2015 才能确定。

  5. RBF 占心输出量 22% 这个数字与 Hall 生理学教材长期引用的 20–25% 一致，但具体场景（静息、饱食、禁食、麻醉）会影响这个数；文中没说明基线条件。

  6. 肾自身调节中三种机制的比例（50/35/10–20）似乎来自特定物种/品系/麻醉条件下的实验，文中没有详细交代是否在人类中得到验证。

  7. 第 10 章与第 15/16 章的衔接。10.4 节末段明说冠脉和脑血流的自身调节分别在 Ch15 和 Ch16 详细讨论。这意味着本章的"自身调节"是以肾为最详尽案例，冠脉和脑留到具体器官章节。本书整体结构是先讲普适的力学感受（Ch10）→ 代谢感受（Ch9）→ 内皮源性因子（Ch8）→ 神经递质（Ch7），再下沉到器官（Ch15–18），最后到细胞内信号（Ch11–14，Part III）。这是一个"由一般到特殊"的展开——我猜测 Part III 会在分子信号水平上把前 10 章的机制收拢。

与上下章的衔接（一段话）

承上：第 9 章讨论的是局部代谢因素（O₂、CO₂/pH、K⁺、腺苷、乳酸等）介导的血管活动调节，与本章的力学性调节形成对照——前者由组织代谢需求驱动，后者由血流动力学本身（剪切应力、压力）驱动；二者合起来才是组织灌注稳态的完整图景。第 7、8 章分别从神经递质（交感、副交感）和内皮源性舒张/收缩因子（NO、PGI₂、EDHF、内皮素等）切入，是血管活动的另两条调节轴；与本章力学调节一起构成血管活动的四大调节源——神经、内皮代谢、局部代谢、力学——这与 Hall 2015 教材中把血管阻力调控拆分为"myogenic、metabolic、neural、humoral"四种机制的传统分类基本一致。启下：10.4 节明确把冠脉和脑血流的自身调节细节延后到第 15、16 章讨论，意味着本章是"原理 + 肾为最详尽案例"的范式：作者在第 10 章打地基，10.4 节末段指明何处再深入；进入 Part III 的第 11–14 章后，作者将从器官生理学下沉到细胞内 Ca²⁺ 调节、MLC 磷酸化、cAMP/cGMP 信号等分子层面，把前 10 章描述的"机械力 → 离子通道 → Ca²⁺/膜电位 → 收缩/舒张"的下游路径在分子细节上展开。力学激活的 TRPC6/TRPM4 和 ENaC/ASIC 通道在第 11 章（细胞内 Ca²⁺ 调节）和第 12 章（MLC 磷酸化调控）应该会再次出现，作为把"细胞膜事件"和"细胞内信号事件"衔接起来的具体节点。