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Role of vascular smooth muscle cell clonality in atherosclerosis

Luo, Lingfeng; Fu, Changhao; Bell, Caitlin F. et al. · 2023 · Frontiers in Cardiovascular Medicine

Metadata

Authors: Luo, Lingfeng; Fu, Changhao; Bell, Caitlin F.; Wang, Ying; Leeper, Nicholas J.

DOI: 10.3389/fcvm.2023.1273596

Tags: #atherosclerosis #vascular-G&R

摘要概述

本综述回顾血管平滑肌细胞（SMC）在动脉粥样硬化中的克隆性扩张现象。早期 X 染色体失活研究因分辨率和敏感度不足，对斑块 SMC 是否单克隆来源存在争议。近年来多色谱系示踪技术（ROSA26R-Confetti/Rainbow + Myh11-CreERT2）的进展在小鼠模型中确立了共识：中膜 SMC 呈多克隆模式，而斑块内 SMC 呈单克隆或少克隆扩张。核心未解问题是克隆扩张的启动者——是否存在"动脉粥样硬化干细胞"（pre-existing progenitor 假说），还是所有中膜 SMC 均有扩张潜力但少数被"选中"（survival advantage 假说）。机制线索包括 Sca1+ SMC 亚群、补体 C3 自分泌驱动增殖、efrrocystosis 逃逸、Itgb3/TET2/TNF 信号介导的 SMC-巨噬细胞交互，以及衰老骨髓对克隆模式的调控。作者讨论了靶向克隆扩张的转化前景与风险，强调单克隆与多克隆的"优劣"可能随年龄和疾病阶段而变。

综述问题、范围与选择标准

  • 要回答的问题：动脉粥样硬化斑块中的 SMC 是否以克隆方式扩张？如果是，由谁启动、如何维持、能否作为治疗靶点？
  • 覆盖范围：从1970年代 Benditt & Benditt 的 X 染色体失活研究到2023年的多色谱系示踪和单细胞转录组学；研究对象以小鼠模型为主，兼顾人类和猪的少量证据；聚焦 SMC 在中膜和斑块中的克隆模式。
  • 文章性质：narrative review
  • 文献选择方法：未报告。未说明数据库检索式或纳入/排除标准。

主题综合

主题 1：谱系示踪技术演进与克隆性共识的确立

  • 核心论点：SMC 克隆性研究的方法学经历了三代演进。第一代为 X 染色体失活分析（G6PD 酶谱/PCR），Benditt & Benditt 1973年发现斑块纤维帽细胞呈单一 G6PD 同工酶型，提出单克隆假说（文献 27），但 Thomas 等在更大样本中发现斑块各区域呈混合 X 失活模式，支持多克隆（文献 42）。第一代方法受限于低分辨率、无法区分细胞类型且受 SMC 表型可塑性干扰。第二代为嵌合体小鼠（eGFP+/Apoe−/− + Apoe−/−），Jacobsen 等发现中膜 SMC 呈小斑块多克隆分布（文献 22）。第三代为多色 Rainbow/Confetti 谱系示踪系统，Feil 等（文献 14）和 Chappell 等（文献 15）使用 Myh11-CreERT2 驱动的 Confetti 系统在 Apoe−/− 小鼠中明确观察到斑块 SMC 呈少克隆扩张——多数斑块 SMC 来自1-2个祖细胞。Misra 等（文献 21）进一步用 Rainbow 系统发现所有斑块 SMC 标记为单一颜色（单克隆），且 Itgb3 基因敲除可将克隆模式从单克隆转向多克隆。综合这些研究，小鼠斑块 SMC 单/少克隆扩张已成为共识。
  • 代表证据定位：Fig. 1, Table 1, 文献 27, 文献 42, 文献 14, 文献 15, 文献 21, 文献 22
  • 共识程度：稳固。至少4个独立研究组（Feil、Chappell、Jacobsen、Misra/Leeper）使用不同 Cre 驱动子（SM22α、Myh11、Acta2）和不同报告系统（Confetti、Rainbow）在小鼠不同血管床（主动脉根、头臂动脉、颈动脉）得到一致结论。Table 1 系统汇总了全部10项关键研究的物种、方法、结论与局限。
  • 分歧或限制：小鼠证据以 Apoe−/− 高脂饮食模型为主，人类证据仍滞后。X 失活研究受限于动脉内预存的大面积 X 失活斑块，无法区分"单个祖细胞扩张"与"同一预存克隆的亚群扩张"（文献 38, 39）。Newman 等发现辐照可影响特定血管床的 SMC 扩张，这对解读骨髓移植实验构成警示（文献 46）。

主题 2：克隆扩张的启动者——progenitor 假说 vs. 选择假说

  • 核心论点：克隆扩张的启动机制存在两种非互斥假说。(A) Pre-existing progenitor 假说：中膜存在一小群"致敏"祖细胞更易扩张。Dobnikar 等使用 Sca1-GFP 转基因小鼠和 Myh11-CreERT2-Confetti 系统，发现健康血管中存在稀少的 Sca1+ 中膜 SMC（占0.2%-1.6%），其表达谱与斑块 SMC 相似，增殖相关基因上调（文献 50）。本综述作者团队也发现 Sca1+ SMC 在斑块核心富集而非纤维帽，且随病变进展 Sca1 表达逐渐升高（文献 44）。(B) Selection 假说：所有中膜 SMC 均有扩张潜力，少数因生存优势被"选中"。Worssam 等的 scRNA-seq 研究支持增殖可能是 SMC 的普遍内在特性，Sca1 仅是已进入表型切换的细胞标记（文献 51）。选择机制包括增殖优势、免疫监视逃逸（C3 依赖的 anaphylatoxin 产生 + efferocytosis 缺陷，文献 44）、侧向抑制（lateral inhibition，文献 21）。两种假说的关键区别在于：若存在 progenitor，则靶向特定亚群可行；若所有 SMC 等概率，则需针对选择机制本身干预。
  • 代表证据定位：Fig. 2, §"Who starts the party?", 文献 44, 文献 50, 文献 51, 文献 21
  • 共识程度：有争议。Sca1 作为 progenitor 标记存在分歧——Wang 等和 Tang 等的谱系示踪发现 Sca1 在健康血管中主要限于内皮和外膜，对斑块 SMC 贡献不显著（文献 52, 53），与 Dobnikar/Jørgensen 团队结果矛盾。分歧可能源于他莫昔芬剂量导致的 Cre 重组效率差异（文献 51）。
  • 分歧或限制：现有谱系示踪均为回顾性标记（tamoxifen pulse 后追踪），无法捕捉克隆启动的"第零时刻"。Sca1+ 细胞可能是在斑块形成早期（高脂饮食前 Apoe−/− 已有血脂异常）获得的表型，而非预存的祖细胞。需要双报告小鼠（同时追踪 SMC 标记和 Sca1）和 SMC 特异性 Sca1 条件敲除小鼠来解决矛盾。

主题 3：SMC-巨噬细胞交互对克隆模式的调控与转化前景

  • 核心论点：SMC 克隆模式受细胞间交互调控，而非仅由 SMC 内在特性决定。Kabir/Misra 等发现 Itgb3（编码整合素β3）在骨髓源细胞中敲除后，促进中膜 SMC 转分化并将斑块 SMC 从单克隆转向多克隆（文献 21）。进一步发现衰老骨髓中 TET2 表达降低、Itgb3 表观遗传沉默、TNF 信号增强，移植衰老骨髓同样使斑块 SMC 从单克隆转向多克隆，而抗 TNF 抗体可恢复单克隆并减小病变（文献 43）。本团队发现 Sca1+ SMC 高表达补体 C3，通过自分泌促进增殖，并通过 anaphylatoxin 加重炎症；同时这些细胞逃逸 efferocytosis（因斑块巨噬细胞 efferocytosis 缺陷），抗 CD47 治疗可清除优势克隆、恢复多克隆并缩小斑块（文献 44）。关键矛盾在于：抗 TNF 使克隆趋向单克隆（老年小鼠），抗 CD47 使克隆趋向多克隆（年轻小鼠），提示克隆模式的"优劣"可能随年龄而变。TRF2 过表达绕过复制衰老可增加帽厚度和稳定性（文献 84），选择性清除衰老泡沫细胞可稳定纤维帽（文献 85），提示克隆扩张后期可能从保护性转为有害。
  • 代表证据定位：Fig. 2C-D, 文献 21, 文献 43, 文献 44, 文献 84, 文献 85
  • 共识程度：有限。SMC-巨噬细胞交互调控克隆模式已有多项独立证据，但交互的方向性（促进 vs. 抑制克隆扩张）和年龄依赖性的机制仍不清晰。TET2 作为 CHIP 最常见突变基因之一（文献 34），将克隆性造血与 SMC 克隆扩张联系起来，但因果关系待验证。
  • 分歧或限制：抗 CD47 和抗 TNF 对克隆模式方向相反的结果尚无统一解释，作者归因于年龄差异（6-32周 vs. 18月龄），但未排除其他变量差异。所有治疗实验均在小鼠完成，人类转化面临谱系示踪工具缺失的瓶颈。非选择性清除 SMC 克隆可能是双刃剑——核心区 SMC 清除有益，但帽部 SMC 增殖受抑制可能损害稳定性。

关键图表、Box 与分类框架

  • 定位：Fig. 1, Fig. 2, Table 1
  • 内容：Fig. 1 展示克隆模式示意——中膜 SMC 多克隆，斑块 SMC 可呈单/少/多克隆（取决于环境信号），并附 Myh11-CreERT2/ROSA26R-Rainbow/Apoe−/− 小鼠斑块横截面代表性图像。Fig. 2 呈现四种机制模型：(A) pre-existing progenitor 假说；(B) selection 假说（体细胞突变/efrrocystosis 逃逸/侧向抑制）；(C) C3high Sca1+ SMC 自分泌促增殖 + 巨噬细胞 efferocytosis 缺陷；(D) 衰老骨髓源髓系细胞将克隆模式从单克隆转向多克隆。Table 1 系统汇总10项关键研究的物种、性别、血管床、方法、克隆结论、局限性和文献编号。
  • 价值：Table 1 是该领域最完整的证据汇总表，便于横向比较不同方法学的分辨率与局限。Fig. 2 的四模型框架将克隆启动、维持、交互和年龄效应整合在一张图中，是理解该领域全景的导航图。
  • 局限：Fig. 1 和 Fig. 2 均为示意性图示，缺乏定量数据（如克隆大小分布、增殖率比较）。Table 1 未包含最新的 scRNA-seq 研究结果（如文献 50, 51），仅覆盖谱系示踪研究。

共识、争议与研究空白

相对稳固的共识

小鼠动脉粥样硬化模型中，斑块 SMC 呈单/少克隆扩张，而中膜 SMC 呈多克隆分布。这一结论由至少4个独立研究组使用不同的 Cre 驱动子（SM22α、Myh11、Acta2）和报告系统（Confetti、Rainbow）在多个血管床（主动脉根、头臂动脉、颈动脉）一致验证（Fig. 1B, Table 1, 文献 14, 15, 21, 22）。中膜 SMC 多克隆性在人类 X 染色体失活研究中亦得到支持（文献 27, 38, 39）。

尚存争议

克隆扩张的启动者是 pre-existing progenitor 还是所有 SMC 等概率被选择，目前无定论。Sca1 作为 progenitor 标记存在直接矛盾——Dobnikar/Jørgensen 团队在健康中膜中检出 Sca1+ SMC 亚群（文献 50），而 Wang/Tang 团队谱系示踪发现 Sca1 主要限于内皮和外膜（文献 52, 53）。此外，抗 TNF 使克隆趋向单克隆而抗 CD47 使克隆趋向多克隆，这一方向性矛盾尚无统一解释（§"Imagining the therapeutic potential", PDF p. 8-9）。

作者提出的研究空白

作者明确指出以下未解问题：(1) 表型切换发生在克隆扩张之前还是之后？(2) SMC 进入斑块的路径——是先到帽部再到核心，还是分别迁移？(3) 启动与维持克隆扩张的机制是否不同？(4) 人类 SMC 克隆性的在体验证方法亟待开发（目前仅有基于线粒体 DNA 变异测序的前景，文献 57）。(5) 发育起源（第二心场 vs. 心脏神经嵴）和解剖位置是否影响克隆扩张模式（§"Do developmental origins...", PDF p. 7）。

我识别的遗漏

本综述未讨论血流动力学因素对 SMC 克隆扩张的影响——仅在末尾提及"perturbed flow and shear stress"作为未来方向（PDF p. 7），但未回顾现有 WSS 与 SMC 表型切换的文献。考虑到中膜 SMC 的力学环境（环向应力、剪切应力）对其增殖和表型的已知影响，这是一个显著的理论空白。此外，所有克隆性证据均来自 Apoe−/− 高脂饮食模型，缺乏其他动脉粥样硬化模型（如 Ldlr−/− 或人源化模型）的交叉验证，模型的泛化性存疑。

个人批注

与我的工作的关系

本综述揭示的 SMC 克隆性扩张现象为血管 G&R 仿真提供了重要的生物学约束——如果斑块内 SMC 来自1-2个祖细胞，那么 G&R 模型中"均匀分布的 SMC 生产率"假设需要修正。constrained mixture theory 中各组分的生产函数 mα(τ) 可能不是空间均匀的，而应由克隆扩张的时空模式驱动。此外，Sca1+ SMC 亚群的 C3 自分泌环路提示力学-化学耦合在克隆选择中的作用，与 mechanobiology 框架中的 set-point 偏差驱动 G&R 概念一致。

可复用框架

Table 1 的证据汇总格式可复用于其他需要跨研究方法学比较的综述主题。Fig. 2 的四模型框架（progenitor vs. selection + 自分泌 + 细胞交互）可作为构建 SMC 克隆扩张多尺度模型的生物学假设库。

疑问与后续动作

疑问：constrained mixture theory 中的沉积预拉伸 Gα(τ) 是否可能在不同克隆来源的 SMC 中有不同值——如果克隆扩张的 SMC 有不同的表型（如 Sca1+），它们沉积的 ECM 的力学性质是否也不同？后续动作：检查本地队列中 2016-GlagovRemodeling-Fok 和 2017-VSMC-ArterialStiffening-Lacolley 是否提供了 SMC 表型与 ECM 沉积力学性质的关联数据。

与上下文的关系

本文建立在

本综述建立在 Benditt & Benditt 1973 的 SMC 单克隆假说（文献 27）和 Feil 等 2014 的 Confetti 谱系示踪技术（文献 14）之上。SMC 表型可塑性概念建立在 Owens/Gomez 的工作上（文献 4, 5）。克隆性造血（CHIP）与动脉粥样硬化的联系建立在 Fuster 等和 Steensma 等的工作上（文献 34, 35）。SMC-巨噬细胞交互对克隆模式的调控建立在 Misra/Kabir 的工作上（文献 21, 43）。

已核实的后续引用

本次未检索。

同类综述对比

与本地队列中的 2017-VSMC-ArterialStiffening-Lacolley 相比，后者聚焦 VSMC 在动脉僵硬化中的表型转换和力学响应，覆盖衰老和疾病中的血管重塑，但未涉及克隆性；本综述聚焦克隆扩张的细胞起源和选择机制，是 SMC 生物学更细粒度的视角。与 2021-ArterialMechanoProgram-Johnson 相比，后者关注 SMC 的力学编程（mechanical programming）在健康和衰老中的表型调控，但未触及克隆扩张——两者在 SMC 可塑性层面有交集但切入点不同。

与本地论文队列的关系

摘要概述

这篇综述系统梳理了血管平滑肌细胞（SMC）在动脉粥样硬化斑块中 clonal expansion 的研究历程。早期依赖 X-chromosome inactivation（G6PD zymogram、androgen receptor PCR）的研究分辨率不足、结论分歧大；近年来多色 lineage tracing 技术（ROSA26R-Confetti/Rainbow + Myh11-CreERT2）在 Apoe−/− 小鼠中提供了较为确凿的证据，表明 media 中的 SMC 呈 polyclonal 分布，而斑块内 SMC 以 monoclonal 或 oligoclonal 方式扩张。综述进一步讨论了两大未解问题——是否存在 "atherosclerotic stem cell"（如 Sca1+ progenitor）还是所有 medial SMC 均有扩张潜能但少数因 survival advantage（somatic mutation、efferocytosis evasion、lateral inhibition）被选中，以及 SMC-macrophage crosstalk（TET2/Itgb3/TNFα、C3/complement、CD47-SIRPα axis）如何调控克隆命运。最后作者展望了靶向 SMC clonality 的转化前景及其 context-dependent（年龄、病变阶段）的风险。

关键图表

  • Figure 1 — (A) 总结 media（polyclonal）与 plaque（mono-/oligo-/polyclonal）的克隆模式示意；(B) Myh11-CreERT2 × ROSA26R-Rainbow × Apoe−/− 小鼠斑块横截面，展示 SMC 被随机标记为单一 Rainbow 颜色，直观呈现 oligoclonal 扩张。
  • Figure 2 — (A)/(B) 两种 SMC 扩张模型对比：pre-existing progenitor 假说 vs. all-equal-but-selected 假说；(C) C3high Sca1+ SMC 自分泌促增殖 + 巨噬细胞 efferocytosis 缺陷导致 dominant clone 逃脱免疫清除；(D) aged bone marrow（TET2↓ → Itgb3↓ → TNF↑）将 SMC 从 monoclonal 推向 polyclonal。

与我的关联

本综述聚焦 SMC clonality 的生物学机制，与我的计算力学/G&R 建模不直接重叠，但其梳理的 lineage tracing 证据和 SMC-macrophage crosstalk 机制可为构建 SMC 增殖-表型切换的计算模型提供生物学约束，尤其是克隆扩张的时空动力学和 complement/CD47 通路对 plaque stability 的双向影响值得作为模型假设的来源。