機械力與血管形成

新血管形成 (neovascularization) 根據血管生長的機制不同主要分為三種：(1) 血 管 新 生 (vasculogenesis) 由 中 胚 層 來 源之內 皮 前 驅細 胞 或稱 為血 管 母 細 胞 (angioblasts) 分泌內皮細胞遷移所需的生長因子和趨化因子 (chemokines) 重新形 成新的血管，負責胚胎時期原始血管之形成。(2) 血管生成 (angiogenesis) 為低氧 (hypoxia) 所誘導之內皮細胞 (endothelial cells, ECs) 的活化，沿著血管生成訊號的

方向形成小口徑的血管。(3) 動脈生成 (arteriogenesis) 為循環中的白血球被活化的 血管內皮所吸引，形成成熟具功能的側支動脈 (collateral arteries) 以繞開血管阻塞 的部位 (van Oostrom et al., 2008)。在 angiogenesis 過程當中，ECs 從組織中現有之 血管滲入到無血管的空間稱為血管萌芽 (vascular sprouting) (Song and Munn, 2011)。

血管內皮生成因子 (vascular endothelial growth factor, VEGF) 為血管生成主要的調 節因子，從無血管空間的細胞分泌出的 VEGF 形成 VEGF 濃度梯度，提供附近的 血管具有方向性和趨化性的訊號，進而刺激並引導血管萌芽 (Eilken and Adams, 2010)。有研究表示流動血液產生的流體剪力 (fluid shear stress) 會以一氧化氮依賴 的方式 (nitric oxide-dependent manner) 減弱 ECs 的萌芽；另外從血管滲出之血漿 產生的間隙滲流 (interstitial flow) 會引導 ECs 型態發生和萌芽。因此，流體剪力和 VEGF 濃度梯度使 ECs 整合達到血管擴張和萌芽之目的 (Song and Munn, 2011)。

流體剪力 (fluid shear stress, FSS) 是指血液或組織液流動時對組織或細胞所造 成的摩擦力，可促進骨髓來源之內皮前驅細胞 (endothelial progenitor cells, EPCs) 分化為成熟之內皮細胞。EPCs 於體外經 FSS 作用後其黏附、遷移、增殖和管狀形 成能力明顯增強，且內皮細胞特有標記之蛋白質如 Tie2, VEGF-R2, VE-cadherin 等 及其 mRNA 表現量皆明顯上升，而 PI3K/Akt/mTOR 訊息傳遞路徑涉及 EPCs 的增 殖和黏附並與內皮細胞特有標記之蛋白質表現有關 (Obi et al., 2012)。另外抑制分 析顯示 FSS 作用於integrin β1 後會經由 Ras/ERK 或 FAK/Paxillin 兩種訊息傳遞路 徑調節細胞骨架的重新組織 (cytoskeletal rearrangement) 進而導致 EPCs 的分化 (Cheng et al., 2013)。

機械性拉力 (mechanical tension force) 施於大鼠耳部可觀察到真皮層血管的 直徑以及內皮細胞的標記 PECAM-1 都有明顯增加，而且拉力作用後的血管口徑呈 現異質性 (heterogeneity) 和高度彎曲，這些皆為血管重塑 (vascular remodeling) 的 早期特徵 (Pietramaggiori et al., 2007)。此外拉力作用的過程中會造成組織短暫性缺 氧，RT-PCR 分析結果顯示週期性拉力可明顯提升 hypoxia-inducible factor 1-alpha (HIF-1α) 的基因表現，其為低氧環境所活化之血管生成轉錄因子 (Chin et al., 2010)。

此 外 ， 負 壓 使 用 於 傷 口 修 復 的 方 式 於 臨 床 上 稱 為 封 閉 式 負 壓 引 流 技 術 (vacuum-assisted closure, VAC)，最早於 1997 年用以治療糖尿病患之創傷修復，經 動物和臨床實驗證實可有效刺激血管生成，並且可防止傷口細菌感染和協助肉芽 組織 (granulation tissue) 的形成達到加速傷口癒合之目的 (Argenta and Morykwas, 1997)。VAC 裝置通常包括填充材料例如多孔性泡棉 (porous foam) 放置於創傷部 位，半開放式傷口敷料 (semiocclusive wound dressing) 用來隔離傷口環境，並允許 真空裝置傳輸低於大氣壓的壓力於傷口床 (wound bed)，以及連接管 (connecting hydrochloride 染色及 Western Blot 分析結果顯示，VAC-foam 與傷口介面處因低含 氧量進而驅使厭氧性巨噬細胞 (hypoxic macrophages) 形成 VEGF 濃度梯度，促使 (Lancerotto et al., 2013)。

VAC 作用時會增加皮下組織壓力，導致小血管的收縮。而皮下組織因局部性 血流量的減少所產生缺氧梯度 (hypoxia gradient)，會誘導皮下組織細胞之 HIF-1α 表現量增加，進而刺激 VEGF 的表現。根據組織中的缺氧梯度從組織深層到外部 逐漸嚴重的情況，細胞所表現的 VEGF 會從組織外部往深層逐漸減少，而產生 VEGF 濃度梯度 (concentration gradient) ，能誘導血管往靠近表皮的方向生長 (Huang et al., 2014) (圖 22)。

(Lancerotto et al., 2012) 圖 21. 封閉式負壓引流主要作用機制。

Figure 21. The primary mechanisms of action of VAC.

(Huang et al., 2014) 圖 22. 封閉式負壓引流造成氧氣和 VEGF 濃度梯度引導血管生長。

Figure 22. VAC establishes hypoxia and a subsequent VEGF gradient that drives the directionalized blood vessel growth.

Hypoxia-inducible factors (HIFs) 為異質二聚體 (heterodimeric) 的轉錄因子，

由 HIF-1α/HIF-1β 和 HIF-2α/HIF-1β 分別組成 HIF-1 和 HIF-2，其所調節目標基因 之表現包括厭氧代謝、血管生成、紅血球生成和細胞增殖或凋亡等，使細胞能在低 氧條件下存活 (Dunwoodie, 2009; Rankin and Giaccia, 2008)。在常氧情況下 (氧含 量>5%)，HIF-1α 的半衰期會變得非常短 (<5 分鐘)，細胞的氧氣感應器 (cellular oxygen sensors)：脯胺酸羥基化酶 (prolyl hydroxylase, PHD)，會在 HIF-1α 中特定 的脯胺酸進行羥基化 (Pro402 和 Pro564)，經由 E3 ubiquitin ligase 或稱為 von Hippel-Lindau protein (pVHL) 調節，最終在蛋白酶體進行降解 (proteosomal degradation)。

而在低氧情況下 (氧含量<5%)，會被 2-oxoglutarate-dependent 和 Fe²⁺-dependent prolyl hydroxylases 所偵測，使 HIF-1α 活化而不被泛素 (ubiquitin) 作用降解，然後 HIF-1α 累積並轉移到細胞核內做為轉錄因子，與 HIF-1β 形成二聚體 (dimers) 並 且與其它活化因子結合至 hypoxia-responsive genes 中的 promoter：hypoxia response element (HRE) 啟動目 標基因的表現，包括醣解酵素進行厭氧代 謝 (anaerobic metabolism) 以及 VEGF 會被分泌到細胞外與其受體結合後促進血管生成 (Maes et al., 2012) (圖 23)。

(Maes et al., 2012) 圖 23. HIF-1α-VEGF 訊息路徑。

Figure 23. The HIF-1α-VEGF signal pathway.

2.5 豬為動物模式於生物醫學之研究 品種，其中一些被歸類為小型豬 (miniature swine)，或通稱的迷你豬 (minipigs)。

豬的性成熟早，繁殖週期為一年 (breed year-round)，且單一窩仔數多達 10~12 隻；