Vascular endothelial cells (VEC) are continuously exposed to hemodynamic forces of tensile stress due to blood vessel dilations, and shear stress and pressure due to blood flow. These hemodynamic forces play an important role in VEC physiology and are closely related to the cardiovascular diseases. One such example is the atherosclerosis caused by an unusually low shear stress due to abnormal flow patterns in the blood vessel. Alterations in the shear stress caused by non-physiological flow conditions induce various changes in the structure and function of VEC by regulating the cytoskeleton and intercellular junction proteins. Therefore it is important to investigate the correlation between these protein expressions and the various flow conditions. We first develop a parallel plate flow chamber designed based on 3-D CFD (computational fluid dynamics) technique. In cultured VEC, the effects of various shear stresses and flow chamber geometries on junction and cytoskeleton proteins are observed using immunostaining and conventional microscopy. Experimental results show that cells have tendency of migrating against the flow and orienting more parallel to the direction of flow in a higher stress than a lower stress as time progresses. Moreover, cells divide less frequently as the magnitude of shear stress increases. In addition, the longer and thicker actin stress fibers form across the cytoplasm and connexin43 shows up-regulated expression as the duration of stress increases. In a set of experiments with hemodynamic features of atherosclerotic lesion-prone region, the cells near zero shear stress regions round up and become abnormally aggregated. Our findings provide new insights into the role of the mechanical stress on cytoskeleton rearrangement and the junction protein expression in regions prone to the pathogenesis of cardiovascular diseases such as atherosclerosis.
혈관내피세포는 혈관의 가장 안쪽 면에 한 겹으로 형성되어 있으면서, 혈액과 조직 사이를 구분하며 생화학적 물질을 전달하는 복잡한 기능을 수행하고 있다. 이런 혈관내피세포는 혈관의 수축과 팽창에 의한 인장압축응력과 함께 혈액의 유동에 의한 정수압과 전단응력 등 다양한 기계적인 환경과 자극에 의해 지속적으로 영향을 받고 있다. 이러한 영향들 중에 세포의 구조와 기능은 생리학적으로 비정상적인 혈류 환경에 의하여 있어서 다양한 변화를 겪으며, 이는 죽상동맥경화와 같은 심혈관계 질환과 밀접한 연관 관계를 가지고 있다고 알려져 있다. 그러므로 본 연구는 3차원 전산유체해석기법을 통하여 원하는 전단응력을 가할 수 있는 장비를 설계 제작하고, 세포의 생장에 적합한 시스템을 개발하며, 다양한 전단응력 조건에 의해 나타나는 세포의 구조와 기능의 변화를 관찰하고 해석하는 것을 목표로 다음의 세가지 실험을 진행하였다. 먼저 세포의 운동성과 모양 변화에 대한 실험을 통해, 일정한 전단응력 조건에서 세포들이 유체의 유동 방향을 거슬러 반대로 이동하는 것을 관찰할 수 있었으며, 자극의 세기가 커질수록 유동방향에 평행하게 세포들이 재배열하는 경향과 세포의 분열속도가 감소하는 현상을 확인할 수 있다. 두 번째로 일정하게 가해진 전단응력의 크기에 따라 외력에 저항하여 세포의 모양을 유지시키고 세포의 움직임에 관여하는 세포내골격 F-actin의 재배열과 세포와 세포 사이의 원활한 신호교환을 위한 세포결합 단백질 Connexin43의 발현에 대하여 면역형광법을 통하여 실험하였다. 그 결과로 전단응력이 오래 지속될수록 세포내골격 F-actin이 두껍고 길게 재배열하여 활성화되는 것을 확인할 수 있었으며, Connexin43의 경우에는 전단응력이 가해진 세포들에서 세포핵 주변에 만들어진 단백질들이 세포막으로 활발하게 이동하는 것을 관찰할 수 있었다. 세 번째로 유동장에 설치한 사각형 융기에 의해 발생한 공간적인 전단응력의 변화가 세포에 미치는 영향을 관찰함으로써 혈관의 협착이 일어난 상황을 모사할 수 있었다. 급작스런 융기의 뒤쪽에 나타나는 낮은 전단응력 지점에서 세포들이 구형으로 변형되고 서로 뭉치는 비정상적인 모습이 관찰되었다. 일련의 실험들에서 세포에 전단응력을 가할 수 있는 시스템을 완성하였으며, 전단응력이 세포의 구조와 기능에 다각도로 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다. 앞으로 전단응력과 인장압축응력을 독립적으로 인가할 수 있는 장비를 개발하여 혈관내피세포가 받는 복잡한 기계적 환경들의 영향에 대해 연구할 계획이다. 그 과정에서 실험결과를 다양한 분자생물학적 방법을 통해 정량화하는 노력이 필수적일 것이다. 더 나아가 세포에서 나타나는 다양한 동적 반응을 이론적으로 모델링하고 해석하는 과정을 함께 진행할 것이다. 이런 발견들을 통해 심혈관계 질환의 발병과 치료에 기여할 수 있기를 기대해본다.
