《Journal of Biomechanics》：Pregnancy hormones reversibly dampen single cell vascular smooth muscle traction force and f-actin alignment
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妊娠期雌激素和孕酮通过影响动脉平滑肌细胞（VSMCs）的细胞骨架和力学特性，调节血管张力，其机械记忆效应及激素移除后的可逆性变化被首次揭示。
作者：Paige Nielsen、Kaitlyn Reagen、Nangah Awasum、Patrick Alford、Kyoko Yoshida
美国明尼苏达大学双城分校生物医学工程系，地址：7-136 Nils Hasselmo Hall, 312 Church St. SE, Minneapolis, MN 55455-0153
摘要
在正常妊娠期间，心输出量和血容量增加以支持胎儿的发育。同时，全身血管阻力降低，以防止不良的心血管后果并维持血压。除了这种血管机械负荷的变化外，包括雌激素和孕酮在内的激素水平也逐渐上升。产后，激素水平下降，血流动力学负荷也随之减轻。尽管已知妊娠期间组织层面的心血管功能会发生变化，但妊娠激素对血管平滑肌细胞收缩力和细胞内细胞骨架结构的直接影响及其长期影响仍不清楚。因此，我们研究了人类脐动脉平滑肌细胞在独立于血流动力学负荷、细胞外基质重塑和细胞几何形状的情况下对激素刺激的反应。通过使用微图案牵引力显微镜和荧光肌动蛋白纤维成像技术，我们确定了雌激素和孕酮增加对人类脐动脉平滑肌细胞的影响。细胞被暴露于妊娠晚期的雌激素和孕酮环境中24小时后，我们评估了其牵引力、肌动蛋白纤维排列和核形态的变化。与对照组相比，雌激素和孕酮处理组细胞的牵引力显著降低；然而，在随后被剥夺激素培养基24小时的组中，这种松弛现象并未出现。在肌动蛋白纤维排列方面也观察到了类似的趋势：雌激素和孕酮处理组的纤维排列更加无序，而在激素去除后纤维排列恢复正常。我们的结果表明，妊娠激素可能是妊娠早期和产后动脉机械适应的灵活驱动因素，细胞松弛可能是由于肌动蛋白纤维的无序排列所致。
引言
在妊娠期间，血管细胞驱动多种生理过程，包括血管形成（Padget等人，2019年）、流向母体-胎儿组织的血流调节（Acharya等人，2016年）以及机械敏感的表观遗传变化（Shchuka等人，2020年）。血管机械功能不足会扰乱这些过程，并与母体-胎儿并发症相关，如出血、先兆子痫、早产和流产（Boeldt和Bird，2017年）。此外，心血管疾病可能会延续到产后，导致长期并发症（Schrey-Petersen等人，2021年）。妊娠并发症在医学、经济和情感方面造成了巨大负担（Isaacs和Andipatin，2020年；Law等人，2015年），并且在边缘化社区中这一问题更为严重（Everett等人，2019年；Hoyert，2023年）。
在正常妊娠期间，随着心输出量的增加（Sanghavi和Rutherford，2014年），子宫-胎盘的血流量也会增加（Osol等人，2019年），以满足胎儿的代谢需求。这种血流动力学负荷的变化伴随着全身血管阻力相比非妊娠状态下降40%（Sanghavi和Rutherford，2014年），这可能是通过动脉几何形状/机械性质的被动适应（Vargas等人，2023年）和动脉张力的主动适应（Chapman等人，1998年）实现的。与此同时，激素浓度逐渐升高，包括17β-雌二醇（E2）和孕酮（P4）（Schock等人，2016年）。产后，当胎盘这个低阻力储库被排出体外后（Mone等人，1996年；Robson等人，1987年），E2/P4的水平急剧下降（Dukic和Ehlert，2023年）。
尽管这些变化已经得到了充分研究，但妊娠激素对动脉张力的直接影响仍不明确。一些研究表明E2/P4会导致血管松弛（Cooke和Davidge，2003年；Ezimokhai等人，1994年），而另一些研究则发现妊娠来源的细胞（Eckman等人，2012年）或女性来源的细胞（Karbasion等人，2024年）的收缩力增强。在体内环境中将激素刺激与机械刺激分离非常困难。混杂因素，包括血流动力学负荷（Chapman等人，1998年）、细胞外基质重塑（Lam等人，2009年）和免疫相互作用（Satué等人，2025年），可能会掩盖妊娠期间及妊娠后的独立激素效应，这可能是造成这些差异的原因。在细胞水平上，钙信号通常被视为收缩力的指标（Barbagallo等人，2001年；Freay等人，1997年），而妊娠期间基底下游信号（如基底物变形）则很少被研究。了解细胞骨架组织如何影响细胞水平的收缩力对于更大规模的研究具有重要意义。此外，尽管产后存在显著的并发症，但产后阶段在妊娠研究中的关注度仍然不足。因此，研究妊娠激素的机械记忆效应具有重要的科学价值。
在这里，我们测量了细胞在妊娠晚期激素作用下的收缩力，同时控制了机械环境和细胞形状。牵引力显微镜（TFM）是一种成熟的技术，用于研究药物治疗（Liew等人，2024年）和基于性别的收缩力差异（Karbasion等人，2024年），但据我们所知，该技术尚未被用于探究E2和P4对血管平滑肌细胞（VSMCs）的单独影响。妊娠期间细胞骨架排列对收缩功能的影响也尚未得到充分研究。将细胞限制在模拟体内血管平滑肌细胞（VSMCs）环向排列结构的形状中，有助于我们将细胞结构和功能联系起来。因此，我们用E2和P4处理来自同一供体的微图案化人类脐动脉平滑肌细胞，以测量细胞牵引力的变化。然后，我们将这些观察到的机械变化与细胞骨架组织和核形态联系起来，以了解妊娠和产后激素变化如何驱动细胞适应内分泌环境的变化。
牵引力显微镜（TFM）构建方法
为了在微图案化的可变形凝胶上培养细胞，我们制备了TFM构建体。首先，我们使用标准光刻技术切割了35毫米厚的玻璃底培养板，制作出凸起面积为4000平方微米、长宽比为4:32微米的矩形图案（127微米×32微米），以模拟血管平滑肌细胞（VSMCs）的几何形状（Ye等人，2014年）。同时，将干净的PDMS印章在室温下与0.1毫克/毫升的人源纤维连接蛋白（Corning）一起孵育1小时，以促进细胞附着。
妊娠激素暂时减弱hUASMC的基线收缩力
我们使用微图案化的TFM技术研究了妊娠激素是否会影响hUASMC的基线牵引力。未经处理的对照组细胞在微图案化区域内的牵引力幅度更大（图2A）。在案例1中，激素处理组细胞的平均总牵引力显著低于对照组（0.801 ± 0.0719微牛顿 vs 0.476 ± 0.111微牛顿，p = 0.0439），这表明激素处理组存在轻微的牵引力减弱。
讨论
在本研究中，我们发现妊娠晚期激素与hUASMC的牵引力降低（第3.1节）和F-肌动蛋白排列改变（第3.2节）有关。在激素去除24小时后，这些变化在对照组中消失。根据我们对F-肌动蛋白排列的研究结果，我们预计激素会影响细胞核的形态。我们观察到激素去除前后细胞核的偏心率和大小有显著但不显著的差异（第3.3节）。
作者贡献声明
Paige Nielsen：撰写 – 审稿与编辑、原始稿撰写、可视化、方法学设计、实验设计、数据分析、概念化。
Kaitlyn Reagen：实验设计、数据分析。
Nangah Awasum：数据分析。
Patrick Alford：撰写 – 审稿与编辑、项目监督、资源协调。
Kyoko Yoshida：撰写 – 审稿与编辑、项目监督、资源协调、方法学设计、资金申请、概念化。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了美国心脏协会职业发展奖（3006-11143-00105476）和国家科学基金会（CMMI-2230435）的支持。作者还感谢ARCS基金会的额外资助。
