
血管リモデリングは、未熟な心臓が収縮し始め、初期の血管系に体液を押し出すときに起こるプロセスです。このプロセスは通常、ヒトの胚発生の 22 日目に始まり、10 週目まで続きます。この最初の体液通過により、せん断応力や円周応力などの物理的刺激に基づいてシグナルカスケードと細胞運動が開始されます。これは、血管ネットワークのリモデリング、動脈と静脈の同一性、血管新生、およびメカノトランスダクションによる遺伝子の調節に必要です。この胚のプロセスは、成熟した血管ネットワークの将来の安定性に必要です。[2]
血管形成は、血管ネットワークまたは血管樹の構成要素の初期確立です。これは遺伝的要因によって決定され、循環器系の予備的な概要を定めること以外に固有の機能はありません。体液の流れが始まると、血管形成によって確立されたシステムに生体力学的および血行動態的入力が適用され、活発なリモデリング プロセスが開始されます。
圧力、速度、流れのパターン、せん断応力などの物理的シグナルは、分岐形態形成、高流量領域での血管の拡張、血管新生、静脈弁の発達など、さまざまな方法で血管ネットワークに作用することが知られています。血管壁の内皮細胞と平滑筋細胞へのこれらの物理的シグナルの機械的伝達は、血管拡張、細胞配列、その他のせん断応力緩和因子を担う特定の遺伝子の促進または抑制を引き起こすこともあります。遺伝学と環境のこの関係は明確に理解されていませんが、研究者は、遺伝子除去モデル生物や組織などの信頼性の高い遺伝学的手法と、生体内での流れのパターン、速度プロファイル、圧力変動を測定および追跡するために開発された新しい技術を組み合わせることで、この関係を明らかにしようとしています。[2]
この複雑なプロセスを理解するには、 in vivo研究とモデリングの両方が必要なツールです。血管リモデリングは、創傷治癒、および組織移植と臓器提供の適切な統合に関連しています。場合によっては、活発なリモデリング プロセスを促進することで、患者の回復を早め、提供された組織の機能的使用を維持できる可能性があります。ただし、創傷治癒以外では、成人の慢性血管リモデリングは、心血管疾患の症状であることがよくあります。したがって、この生物医学的現象に対する理解を深めることで、アテローム性動脈硬化症などの疾患と闘うための治療法や予防策の開発に役立つ可能性があります。
歴史的視点
100年以上前、トーマは局所的な血流の増加が血管の直径の拡大を引き起こすことを観察、さらに血流が血管の成長と発達の原因であるかもしれないという仮説まで立てました。 [3]その後、チャップマンは1918年にニワトリの胚の心臓を取り除くとリモデリングプロセスが妨げられるものの、血管形成によって形成された初期の血管パターンはそのまま残ることを発見しました。次に、1926年にマレーは血管の直径は血管壁のせん断応力の大きさに比例すると提唱しました。つまり、血管はせん断応力などの環境からの物理的シグナルに基づいて流れのパターンに積極的に適応するということです。
数学者でコンピュータ科学者の アラン・チューリングが1952年に書いた「形態形成の化学的基礎」では、栄養素の分子拡散に基づくさまざまな生物学的モデルが提唱されました。[4]しかし、血管の発達の拡散モデルは、毛細血管床や動脈と静脈の絡み合ったネットワークの複雑さには及ばないようです。 [4] [5] 2000年に、フルーリーは、血管樹の分岐形態形成の責任を担う拡散分子の代わりに、長距離モルフォゲンが関与している可能性があると提案しました。このモデルでは、移動圧力波がせん断応力を介して血管に作用し、増加した血流を運ぶ血管を広げ、流体の流れの開始時にネットワークを再配置することにより、枝を最もエネルギーの少ない構成に再配置します。[4] [6]機械的な力が血管樹の形態と複雑さに劇的な影響を与える可能性があることが知られています。 [5] [6]しかし、これらの力は、血管樹に比較的ほとんど影響を与えません。栄養素の拡散であり、したがって栄養素と酸素の獲得が胎児の血管リモデリングにおいて重要な役割を果たす可能性は低いと思われる。[5]
胎児の血管リモデリングは血管形成とは異なるプロセスであることが現在では広く受け入れられています[曖昧な言葉] [誰が? ]。しかし、これら 2 つのプロセスは密接に関連しています。血管形成は血管リモデリングの前に発生しますが、血管ネットワークの発達に必要なステップであり、血管が動脈または静脈のいずれかとして識別されることを意味します。心臓の収縮が始まると、生体力学的シグナルと流体力学から生じる力の相互作用によって血管リモデリングが進行し、これが機械変換によって細胞レベルと遺伝子レベルでの変化に変換されます。
血管形成

血管形成は、遺伝的要因によって規定される初期の血管系の形成である。[7]血管芽細胞が内皮細胞と赤血球に分化することで、卵黄嚢の中胚葉層に血島と呼ばれる構造が形成される。[7]次に、内皮細胞が血島から外側に移動し、連続した糸のランダムなネットワークを形成すると、毛細血管叢が形成される。[7]これらの糸はその後、内皮細胞が固いコードから中空のチューブに自発的に再配置される、内腔形成と呼ばれるプロセスを経る。[8]
胚の内部では背側大動脈が形成され、最終的に心臓と卵黄嚢の毛細血管叢がつながります。[7]これにより、堅い内皮チューブの閉ループシステムが形成されます。血管形成のこの初期段階でも、血流が始まる前に、チューブシステムの一部が動脈または静脈のアイデンティティの遺伝子マーカーであるエフリンまたはニューロピリンを発現することがあります。[7]これらのアイデンティティはまだある程度柔軟ですが、初期の特性評価は胚のリモデリングプロセスにとって重要です。[2]
血管新生も初期ネットワークの複雑さに寄与している。血管内皮細胞増殖因子(VEGF)の発現によって促進される押し出しのようなプロセスによって、噴出する内皮芽が形成される。 [8]これらの内皮芽は親血管から離れて成長し、新しい領域に達する小さな娘血管を形成する。 [8] 1本の管が分裂して2本の分岐管を形成する現象である腸重積も血管新生に寄与している。 [ 8]血管新生は一般に、個々の臓器系に血管を定着させる役割を担っているが、血管形成はネットワークの初期のパイプラインを敷設する。[9]血管新生は血管のリモデリング中に発生することも知られている。[9]
動脈と静脈の同一性

血管芽細胞を動脈または静脈として識別される細胞に分類することは、適切な分岐形態を形成するために不可欠です。 [2]初期血管系の動脈セグメントはエフリンB2とDLL4を発現し、静脈セグメントはニューロピリン-2とEPHB4を発現します。これはループの動脈-静脈セクションからの血流の誘導を助けると考えられています。[2]しかし、心臓の最初の収縮によって提供される機械的な合図は、完全なリモデリングに依然として必要です。[2]
生体力学による階層的リモデリングの最初のイベントは、心拍開始直後に、いくつかの小さな毛細血管が融合して卵黄動脈が形成されるときに発生します。その後、側枝が主動脈から分離して静脈ネットワークに再接続し、事実上、そのアイデンティティが変わります。[10]これは、動脈ラインの管腔圧が高く、枝が動脈血管に再接続するのを防ぐためであると考えられています[誰が? ] 。 [10]これにより、ネットワークの2つのコンポーネント間のシャントの形成も防止されます。 [5] Moyon らは、動脈の内皮細胞が静脈になり、その逆も可能であることを示しました。[11]彼らは、以前に動脈マーカーを発現していたウズラの内皮チューブのセクションをニワトリの静脈に(またはその逆)移植し、システムの可塑性を示しました。動脈や静脈の血流パターンの逆転も同様の効果をもたらす可能性があるが、これが静脈血流と動脈血流の物理的または化学的特性(圧力プロファイルや酸素分圧など)の違いによるものかどうかは不明である。[10]
動脈と静脈の流動性を示すもう一つの例は、体節間血管である。初期段階では、この血管は大動脈とつながっており、動脈ネットワークの一部となっている。[2]しかし、心臓静脈から生じた血管が体節間血管と融合し、徐々に大動脈から分離して静脈となる。[2]このプロセスは完全には解明されていないが、圧力や灌流などの機械的力のバランスをとる必要性から生じる可能性がある。[2]
胎児の血管リモデリングの初期段階では、動脈と静脈のアイデンティティは柔軟であり、動脈セグメントはしばしば静脈ラインにリサイクルされ、セグメントの物理的構造と遺伝子マーカーはネットワーク自体とともに活発にリモデリングされます。[10] これは、システム全体が、一時的な血流パターンと血行動態シグナルによって形作られる程度の可塑性を示していることを示していますが、遺伝的要因は血管のアイデンティティの初期の仕様決定において役割を果たします。[2]
バイオメカニクス
心臓が鼓動し始めると、機械的な力が初期の血管系に作用し始め、血管系は急速に拡張して再編成され、組織の代謝に役立てられるようになる。[9] 血流のない胚では、内皮細胞は血管芽細胞に似た未分化の形態を維持する(成熟した血管系に見られる扁平化した上皮細胞と比較して)。[2]心臓が鼓動し始めると、内皮細胞の形態と挙動が変化する。[2] [12]心臓は心拍数を変化させることで、系に作用する灌流や圧力を制御し、新しい血管の発芽を誘発することもできる。[2]今度は、新しい血管の発芽は、成長するにつれて血管を圧迫する他の胚組織の拡張によってバランスが取られる。 [5]これらの力の均衡は血管のリモデリングに大きな役割を果たしますが、新しい血管の発芽を誘発するために必要な血管新生メカニズムは研究されているものの、不要な枝の成長を抑制するために必要なリモデリングプロセスについてはほとんどわかっていません。[2]

血液がシステムを灌流すると、血管壁にせん断力と圧力がかかります。同時に、心血管系の外側の組織の成長が血管壁の外側を押し返します。胚体のすべての組織に栄養素と酸素を低コストで供給するための効率的なエネルギー状態を得るには、これらの力をバランスさせる必要があります。[2]卵黄嚢(外部組織)の成長が制限されると、血管力と組織力のバランスが変わり、圧縮された組織を通り抜ける新しい経路を形成できないため、リモデリングプロセス中に一部の血管枝が切断または減少することがあります。[2]一般に、これらの組織の剛性と抵抗によって、変形の程度と生体力学的力が組織に及ぼす影響が決まります。 [2]
血管網の発達は、組織膨張の圧縮力と血管壁の円周方向の伸張のバランスにより、組織内の各ポイントで自己組織化されます。 [5]時間の経過とともに、移動する線は曲がるのではなく直線になります。これは、2つの移動する境界が互いに押し合っているのを想像するのに似ています。[5]直線の血管は通常、等圧線と平行です。境界が圧力勾配を平衡化するように機能しているためです。[5]さらに、血管の方向は、最も急な応力勾配の法線方向に従う傾向があります。[5]
さらに、胎児血管内の生体力学的力は重要なリモデリング効果を持っています。圧力変動は応力とひずみの変動につながり、生物の発達の後半で血管が負荷に耐えられるように「訓練」することができます。 [9]複数の小血管の融合により、血圧と流量が大きい血管樹の領域に大きな血管が生成されることもあります。[10] マレーの法則は、親血管の半径と分岐の半径の関係であり、循環器系に当てはまります。これは、血管サイズによってもたらされる最も低い流れ抵抗(大径血管は圧力降下が低いため)と、無限に拡散できない生体組織としての血液自体の維持との間のバランスを概説しています。[2]したがって、臓器系に血液を供給するには複雑な分岐が必要であり、拡散だけではこれを説明できません。[誰によると? ] [オリジナルの研究? ]
生体力学は血管網の接続にも作用する。管腔圧は血管セグメントを高圧領域に再循環させることが示されており[5]、血管セグメントを動脈ラインから切り離し、静脈ラインに再接続してネットワークを形成することを制御している。[7] このタイプの血管の破損は、剥離と移動がなければ、胚の大きな組織塊が血液供給から切り離されたままになるため、一部の器官系の発達と大型生物の進化に間接的に関与している可能性もある。 [5]血管が親動脈から分離すると、血管新生を起こしてネットワークの残りの部分の遠位組織に侵入することもある。 [2]
流体力学

流体力学も血管リモデリングにおいて重要な役割を果たしている。血管壁にかかるせん断応力は、流体の粘度と流動パターンに比例する。流動パターンの乱れは弁の形成を促進し、圧力の上昇は血管の放射状成長に影響を与える可能性がある。 [9]原始心臓は収縮後数日間は蠕動ポンプとして最もよく説明されるが、3日後には血流が脈動するようになる。[9] 脈動血流は血管リモデリングにおいて重要な役割を果たしており、血流パターンは内皮細胞へのストレスの機械的伝達に影響を与える可能性がある。[7] [13]
レイノルズ数やウォマーズリー数などの無次元関係は、初期の血管系の流れを説明するために使用できます。[7]すべての初期の血管に存在する低いレイノルズ数は、流れが這う層流であると考えられることを意味します。[7]ウォマーズリー数が低いということは、粘性効果が流れの構造を支配し、境界層が存在しないと考えられることを意味します。[7]これにより、流体力学の計算は、数学を簡素化する特定の仮定に基づいて行うことができます。[独自の研究? ]
胎児の血管リモデリングの初期段階では、大口径血管にのみ高速流が存在するわけではありませんが、血流開始から 2 日間の血管リモデリングの影響により、この状態は自然に改善されます。[14]胎児の血管は圧力の上昇に応じて血管径を拡大することがわかっています[誰が? ] 。 [9]成体の血管で弾性支持を提供する平滑筋細胞と糖衣がないため、発達中の胎児の血管は血流に対してはるかに抵抗力があります。[7]これは、流量や圧力の上昇に対して、成体の血管で経験するより緩やかな伸張と拡張ではなく、血管径の急速で半永久的な拡張によってのみ対応できることを意味します。[7]
ラプラス関係式とポアズイユ関係式を整理すると、半径方向の成長は円周方向の伸張の結果として起こり、円周方向の成長はせん断応力の結果として起こることが示唆される。[9]せん断応力は、血管内の速度と、血管壁上の2つの固定点間の圧力降下に比例する。[5]血管リモデリングの正確なメカニズムは、血管の内壁にかかる高応力が成長を誘発し、血管壁の両側で均一な圧縮応力と引張応力に向かうことであると考えられている。 [9]一般に、円周方向の残留応力は圧縮応力と引張応力であり、内皮管の内層が外層よりも成長することを示していることが発見されている[誰が? ] 。 [15]
メカノトランスダクションと遺伝子制御

異なるタイプのフローパターンやその他の物理的シグナルが胎児の血管リモデリングに異なる影響を及ぼすメカニズムは、メカノトランスダクションと呼ばれています。発達中の血管系でよく見られる乱流は、乱流に関連する逆流を防ぐ心臓弁の形成に役割を果たしています。[16]また、大血管内の不均一なフローパターンが非対称性を生み出すことも示されていますが、これはおそらく血管の片側でPITX2などの遺伝子を優先的に活性化するか、片側で円周方向の伸張を誘発して反対側で退縮を促進することによって生じます。[6] [17]層流にも、アポトーシスの減少、増殖の抑制、細胞を流れの方向に整列させる、多くの細胞シグナル伝達因子の調節などの遺伝的影響があります。[7]メカノトランスダクションは正または負のフィードバックループによって作用し、血管にかかる物理的ストレスや緊張に反応して特定の遺伝子を活性化または抑制する可能性があります。
細胞は、細胞外マトリックスとアクチン細胞骨格の間に機械的なリンクを提供する受容体であるインテグリン感知を介して流れパターンを「読み取ります」 。このメカニズムは、細胞が流れパターンにどのように反応するかを指示し、新しい血管の発芽に特に関連する細胞接着を媒介することができます。 [2]メカノトランスダクションのプロセスを通じて、せん断応力は多くの異なる遺伝子の発現を調節することができます。次の例は、バイオメカニクスによる血管リモデリングの文脈で研究されています。
- 内皮型一酸化窒素合成酵素(eNOS)は、心拍開始時に一方向の流れを促進し、せん断応力によってアップレギュレーションされる[18]
- 血小板由来成長因子(PDGF)、形質転換成長因子ベータ(TGFβ)、クルッペル様因子2(Klf-2)はせん断応力によって誘導され、乱流に対する内皮細胞の反応を扱う遺伝子にアップレギュレーション効果をもたらす可能性がある[7]
- せん断応力はVEGF受容体のリン酸化を誘導し、血管の発達、特に新生血管の発芽に関与する[2] [7]
- 低酸素症は、低酸素症誘導因子1(HIF-1)またはVEGFの発現を誘発し、酸素が不足している胚の領域に新しい芽の成長を誘導する可能性がある[2]
- PDGF-β、VEGFR-2、およびconnexion43は異常な血流パターンによってアップレギュレーションされる[2]
- せん断応力はNF-κBをアップレギュレーションし、マトリックスメタロプロテアーゼを誘導して血管の拡張を引き起こす[19]
異なる血流パターンとその持続時間は、せん断応力制御遺伝子に基づいて非常に異なる反応を引き起こす可能性がある。[7]遺伝子制御と物理的力の両方が胎児の血管リモデリングのプロセスに関与しているが、これらの要因が同時に研究されることはほとんどない。[2] [7]
生体内勉強
胎児の血管リモデリングの生体内研究における主な困難は、物理的刺激の効果と、血管リモデリングに影響を与える可能性のある栄養素、酸素、その他のシグナル伝達因子の送達とを切り離すことであった。[7]これまでの研究では、初期の心血管系の流れにおける血液粘度の制御、例えば赤血球の血漿への侵入を防ぎ、それによって粘度とそれに伴うせん断応力を低下させることが行われた。[18] 粘度とせん断応力を高めるために、デンプンを血流に注入することもできる。 [18]研究では、胎児の血管リモデリングは、酸素送達を担う赤血球が存在しない状態で進行することが示されている。 [18]したがって、血管リモデリングは酸素の存在に依存せず、実際には灌流組織が酸素送達を必要とする前に起こる。[7]しかし、他の栄養素や遺伝的因子が血管リモデリングに促進効果を持つかどうかはまだ不明である。[18]
生きた胚の血管における放物線状の速度プロファイルの測定は、血管壁が層流応力と剪断応力のレベルにさらされていることを示しており、これが生体活性効果をもたらす可能性がある。[14]マウスやニワトリの胚の血管系にかかる剪断応力は、 1~5 dyn/cm2 の範囲である。 [14 ]これは、血管の断面を切断し、残留応力を軽減するために曲がる開口部の角度を観察するか、[15]血管内のヘマトクリットを測定して流体の見かけの粘度を計算することで測定できる。[7]
生きた胚の発達を画像化することや、粘度、圧力、速度、流れの方向の小さな値を正確に測定することの難しさから、このプロセスの正確なモデルを開発することがますます重要になってきています。この方法により、これらの効果をin vitro で研究するための効果的な方法が見つかるかもしれません。[誰によると? ]
モデリング
胚の血管リモデリングに対する流体の影響を説明するモデルが数多く提案されている。これらの類推でしばしば見落とされている点が 1 つある。それは、このプロセスが生体システム内で発生するという事実である。つまり、行き止まりは折れて別の場所で再接着し、枝は接合部で閉じたり開いたり、あるいは弁を形成し、血管は極めて変形しやすく、新しい状態にすばやく適応して新しい経路を形成することができる。理論的には、血管樹の形成はパーコレーション理論の観点から考えることができる。管のネットワークはランダムに発生し、最終的には 2 つの別個の未接続のポイント間に経路を確立する。ある臨界数の発芽管が以前は占有されていなかった領域に移動するやいなや、フラクタルと呼ばれる経路がこれら 2 つのポイント間に確立される。[8]フラクタルは表面積の無限大の増加に依存するため、生物学的に有用な構造であり、これは生物学的に言えば、栄養素と老廃物の輸送効率の大幅な向上につながる。[8]フラクタル経路は柔軟である。一つの接続が壊れると、別の接続が形成されて経路が再構築されます。[8]これは、モデルとして使用することはできませんが、血管樹の形成方法を示す便利な例です。拡散限界凝集モデルは、生体内の血管樹と比較して最も近いシミュレーション結果を示しています。このモデルは、血管の成長が血管壁のせん断応力の勾配に沿って発生し、その結果、血管の半径が成長することを示唆しています。[20]拡散限界凝集では、凝集体はランダムウォーカーの融合によって成長し、ランダムウォーカー自体が圧力勾配に沿って歩くことを提案しています。[5]ランダムウォークは、単に拡散方程式の確率ベースバージョンです。[5]したがって、このモデルを血管樹に適用するには、システム全体の圧力のバランスをとるために、小さくて抵抗のある血管を、大きくて伝導性のある血管に置き換える必要があります。[5]このモデルでは、主要なラインよりも先端の方がランダムな構造が生成されますが、これは、速度が圧力勾配に対して負の場合にラプラス定式化が安定するという事実に関連しています。[5]主要な系統では常にそうなるが、小さな芽では速度が0付近で変動し、不安定でランダムな動作につながる。[5]
リモデリング過程のもう一つの大きな要素は、分岐した血管の切断であり、その後、血液を均一に供給するために、分岐した血管は遠位領域に移動する。[5]分岐形態形成は、十分な流量のある血管のみが拡大し、他の血管は閉じるという点で、誘電破壊モデルに従うことがわかっている。 [5]血管内で 1 本の管から 2 本の管が分岐する場所では、分岐した血管の 1 つの腕が閉じて分離し、静脈ラインに向かって移動し、そこで再び接続する可能性が高い。分岐が閉じると、主ラインの流量が増加して乱流が少なくなり、血液は不足している領域に向かって流れ始める。[5]どの分岐が閉じるかは、流量、方向、分岐角度によって決まります。一般に、分岐角度が 75° 以上の場合は、小さい方の分岐を閉じる必要があります。[5]
このように、拡散律速凝集と誘電破壊を組み合わせたモデルを使用することで、血管リモデリングの重要なパラメータをいくつか記述することができます。つまり、枝が閉じる確率(血管分裂の可塑性)、血管が静脈ラインに再接続する確率(芽の再生の可塑性)、芽生えの先端の収縮抵抗(外部圧縮と内部せん断応力のバランス)、外部組織の成長と内部血管の拡張の比率です。ただし、このモデルでは、胎児の血管リモデリングで役割を果たす可能性のある酸素の拡散やシグナル伝達因子は考慮されていません。[5]これらのモデルは、いくつかの異なる特殊なケースで生体内で見られる血管のほとんどの側面を一貫して再現します。 [5]
疾患進行の研究への応用
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非胚組織における血管リモデリングは、疾患進行の兆候であると考えられている。心血管疾患は依然として世界中で最も一般的な死亡原因の1つであり[22]、血管の閉塞または狭窄を伴うことが多く、劇的な生体力学的影響を及ぼす可能性がある。急性および慢性のリモデリングでは、閉塞した血管の直径の減少によるせん断応力の増加により血管拡張が起こり、それによって通常のせん断応力レベルが回復する可能性がある。[6] [23]しかし、拡張は血管を通る血流の増加にもつながり、充血を引き起こし、罹患血管の下流の生理学的調節作用に影響を与え、破裂につながる可能性のあるアテローム性動脈硬化性プラークへの圧力を高める可能性がある。[6]血管の閉塞は現在、外科的にステントを挿入して血管の直径を強制的に開き、正常な血流を回復させることによって治療されている。せん断応力の増加が恒常性調節因子に与える影響を理解することで、血管閉塞を治療するための、より侵襲性の低い代替法が開発される可能性があります。
腫瘍の成長は、新しい組織に血液を灌流し、その増殖を維持するために、血管の成長と血管リモデリングの再活性化につながることがよくあります。[2]腫瘍の成長は自己組織化しており、成人の組織よりも胚の組織に似た挙動を示すことが示されています。[24]また、腫瘍内の血管の成長と血流ダイナミクスは、発達中の胚の血管の成長を再現すると考えられています[誰が? ] 。 [2]この意味で、胚の血管リモデリングは、腫瘍の成長で活性化されるのと同じ経路のモデルと見なすことができ、これらの経路の理解が深まれば、腫瘍形成を阻害する新しい治療法につながる可能性があります。[独自の研究? ]
逆に、血管新生と血管リモデリングは、創傷治癒と組織移植の長期安定性の重要な側面です。[2]血流が妨げられると、血管新生によって血管が芽生え、それが栄養不足の組織に移動して灌流を回復します。したがって、血管リモデリングの研究は、創傷治癒を改善し、拒絶反応の発生率を下げることで移植組織の統合に役立つ新しい技術の開発にも重要な洞察をもたらす可能性があります。[誰によると? ]
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