We have developed an in-vitro system for studying the dynamic response of vascular endothelial cells to controlled levels of fluid shear stress. Cultured monolayers of bovine aortic endothelial cells are placed in a cone-plate apparatus that produces a uniform fluid shear stress on replicate samples. Subconfluent endothelial cultures continuously exposed to 1–5 dynes/cm2 shear proliferate at a rate comparable to that of static cultures and reach the same saturation density (≃ 1.0–1.5 × 105 cells/cm2). When exposed to a laminar shear stress of 5–10 dynes/cm2, confluent monolayers undergo a time-dependent change in cell shape from polygonal to ellipsoidal and become uniformly oriented with flow. Regeneration of linear “wounds” in confluent monolayer appears to be influenced by the direction of the applied force. Preliminary studies indicate that certain endothelial cell functions, including fluid endocytosis, cytoskeletal assembly and nonthrombogenic surface properties, also are sensitive to shear stress. These observations suggest that fluid mechanical forces can directly influence endothelial cell structure and function. Modulation of endothelial behavior by fluid shear stresses may be relevant to normal vessel wall physiology, as well as the pathogenesis of vascular diseases, such as atherosclerosis.

The effects of hemodynamic forces upon vascular endothelial cell turnover were studied by exposing contact-inhibited confluent cell monolayers to shear stresses of varying amplitude in either laminar or turbulent flow. Laminar shear stresses (range, 8-15 dynes/cm2; 24 hr) induced cell alignment in the direction of flow without initiating the cell cycle. In contrast, turbulent shear stresses as low as 1.5 dynes/cm2 for as short a period as 3 hr stimulated substantial endothelial DNA synthesis in the absence of cell alignment, discernible cell retraction, or cell loss. The results of these in vitro experiments suggest that in atherosclerotic lesion-prone regions of the vascular system, unsteady blood flow characteristics, rather than the magnitude of wall shear stress per se, may be the major determinant of hemodynamically induced endothelial cell turnover.

The endothelial lining of blood vessels is constantly exposed to fluid mechanical forces generated by flowing blood. In vitro application of fluid shear stresses to cultured endothelial cells influences the expression of multiple genes, as reflected by changes in their steady-state mRNA levels. We have utilized the B chain of platelet-derived growth factor (PDGF-B) as a model to investigate the mechanisms of shear-stress-induced gene regulation in cultured bovine aortic endothelial cells (BAECs). Northern blot analysis revealed elevated endogenous PDGF-B transcript levels in BAECs, after exposure to a physiological level of laminar shear stress (10 dynes/cm2; 1 dyne = 100 mN) for 4 h. A transfected reporter gene, consisting of a 1.3-kb fragment of the human PDGF-B promoter coupled to chloramphenicol acetyltransferase (CAT), indicated a direct effect on transcriptional activity. Transfection of a series of PDGF-B-CAT deletion mutants led to the characterization of a cis-acting component within the PDGF-B promoter that was necessary for shear-stress responsiveness. In gel-shift assays, overlapping oligonucleotide probes of this region formed several protein-DNA complexes with nuclear extracts prepared from both static and shear-stressed BAECs. A 12-bp component (CTCTCAGAGACC) was identified that formed a distinct pattern of complexes with nuclear proteins extracted from shear-stressed BAECs. This shear-stress-responsive element does not encode binding sites for any known transcription factor but does contain a core binding sequence (GAGACC), as defined by deletion mutation in gel-shift assays. Interestingly, this putative transcription factor binding site is also present in the promoters of certain other endothelial genes, including tissue plasminogen activator, intercellular adhesion molecule 1, and transforming growth factor beta 1, that also are induced by shear stress. Thus, the expression of PDGF-B and other pathophysiologically relevant genes in vascular endothelium appears to be regulated, in part, by shear-stress-induced transcription factors interacting with a common promoter element.

Hemodynamic forces induce various functional changes in vascular endothelium, many of which reflect alterations in gene expression. We have recently identified a cis-acting transcriptional regulatory element, the shear stress response element (SSRE), present in the promoters of several genes, that may represent a common pathway by which biomechanical forces influence gene expression. In this study, we have examined the effect of shear stress on endothelial expression of three adhesion molecules: intercellular adhesion molecule-1 (ICAM-1), which contains the SSRE in its promoter, and E-selectin (ELAM-1) and vascular cell adhesion molecule-1 (VCAM-1), both of which lack the SSRE. Cultured human umbilical vein endothelial cells, subjected to a physiologically relevant range of laminar shear stresses (2.5-46 dyn/cm2) in a cone and plate apparatus for up to 48 h, showed time-dependent but force-independent increases in surface immunoreactive ICAM-1. Upregulated ICAM-1 expression was correlated with increased adhesion of the JY lymphocytic cell line. Northern blot analysis revealed increased ICAM-1 transcript as early as 2 h after the onset of shear stress. In contrast, E-selectin and vascular cell adhesion molecule-1 transcript and cell-surface protein were not upregulated at any time point examined. This selective regulation of adhesion molecule expression in vascular endothelium suggests that biomechanical forces, in addition to humoral stimuli, may contribute to differential endothelial gene expression and thus represent pathophysiologically relevant stimuli in inflammation and atherosclerosis.

In vitro investigations of the responses of vascular endothelium to fluid shear stress have typically been conducted under conditions where the time-mean shear stress is uniform. In contrast, the in vitro experiments reported here have re-created the large gradients in surface fluid shear stress found near arterial branches in vivo; specifically, we have produced a disturbed-flow region that includes both flow separation and reattachment. Near reattachment regions, shear stress is small but its gradient is large. Cells migrate away from this region, predominantly in the downstream direction. Those that remain divide at a rate that is high compared with that of cells subjected to uniform shear. We speculate that large shear stress gradients can induce morphological and functional changes in the endothelium in regions of disturbed flow in vivo and thus may contribute to the formation of atherosclerotic lesions.