內(nèi)皮細(xì)胞(EC) 是排列在血管內(nèi)表面的特殊細(xì)胞，形成連續(xù)的單細(xì)胞層。因此，它們是血管壁的一部分，在控制血流和周圍組織之間的物質(zhì)交換方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[1]。EC 根據(jù)其在循環(huán)系統(tǒng)中的位置（如動(dòng)脈、靜脈、毛細(xì)血管和淋巴管）進(jìn)一步細(xì)分。在這篇文章中，我們探討了 EC 的功能，重點(diǎn)關(guān)注心血管系統(tǒng)的 EC。具體來(lái)說(shuō)，我們將研究如何在體外研究 EC在血管生成、屏障形成、欠流和炎癥方面的作用。

ECs在血管生成中的作用

血管生成是新血管生長(zhǎng)的過(guò)程。因此，它在發(fā)育生物學(xué)、傷口愈合以及腫瘤生長(zhǎng)中發(fā)揮著作用（圖1）。血管生成本身由多個(gè)步驟組成，包括：

• EC增殖

• 定向遷移（通常通過(guò)趨化性）

• 管形成和管腔化

• 成熟：融合、重塑、次級(jí)細(xì)胞（例如周細(xì)胞和血管平滑肌細(xì)胞）的募集

這些步驟共同促進(jìn)了整個(gè)血管生成過(guò)程，即從現(xiàn)有血管形成新血管[2]。毫無(wú)疑問(wèn)，血管生成是非常復(fù)雜的。為了全面了解整個(gè)過(guò)程，我們需要檢查各個(gè)組成部分。采用體外測(cè)定使科學(xué)家能夠?qū)Ｗ⒂谘�管生成過(guò)程的特定組成部分，從而促進(jìn)更加受控和詳細(xì)的分析。

圖 1. 研究血管生成過(guò)程，例如血管萌芽和趨化性，對(duì)于了解腫瘤血管化至關(guān)重要。

應(yīng)用示例1：闡明間隙連接在EC遷移中的作用

Mannell 等人的這項(xiàng)研究。2021 研究了間隙連接蛋白 connexin 43 (Cx43) 在 EC 遷移和血管生成中的作用。研究小組表明，在人微血管內(nèi)皮細(xì)胞（HMEC）中通過(guò)siRNA敲低Cx43可減少細(xì)胞遷移（圖2）。從機(jī)制上講，該小組表明 Cx43 功能是通過(guò)與酪氨酸磷酸酶 SHP-2 相互作用介導(dǎo)的 [3]。

為了研究 EC 遷移中的 CX43，將 ibidi 培養(yǎng)插件放置在 µ-Slide 8 孔中，如之前的研究所述，以評(píng)估遷移速度和方向性 [3]。

該小組共同表明，EC 遷移和血管生成需要 Cx43，并且這是由 SHP-2介導(dǎo)的。

圖 2. 遷移 HMEC 的代表性單細(xì)胞痕跡顯示，敲低 Cx43 siRNA 后遷移減少。The figure was reproduced under CC BY 4.0 from Mannell et al. 2021 [3] Figure 1D.

屏障形成中的 EC

血管中EC的單細(xì)胞層對(duì)于在血液和周圍組織之間形成屏障（最著名的是血腦屏障 (BBB)）的功能至關(guān)重要。EC通過(guò)多種途徑主動(dòng)調(diào)節(jié)化合物轉(zhuǎn)運(yùn)，包括細(xì)胞旁水途徑、跨細(xì)胞親脂途徑、受體介導(dǎo)的轉(zhuǎn)胞吞作用、載體介導(dǎo)的流入和吸附轉(zhuǎn)胞吞作用（圖3 ）。

了解 EC 屏障的功能和機(jī)制是一個(gè)受到高度研究的研究領(lǐng)域，因?yàn)樗�在藥物輸送、藥理學(xué)、毒理學(xué)和腫瘤學(xué)中具有重要意義。

圖 3. EC（洋紅色）在屏障形成中發(fā)揮著關(guān)鍵作用， Figure was reproduced under CC BY 4.0 license from Kugler et al., 2021 [5]

應(yīng)用實(shí)例2：血腦屏障體外模型的建立

Choublier 等人進(jìn)行的一項(xiàng)研究中。2021 年 [6]，與研究 BBB 相關(guān)的實(shí)驗(yàn)挑戰(zhàn)得到解決。由于血腦屏障位于大腦中，并且需要恒定、層流和均勻的血流，因此 BBB 存在困難。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，研究人員開發(fā)了一種堅(jiān)固、低成本的設(shè)備，其中上部通道連接到ibidi 泵系統(tǒng)，以建立培養(yǎng)基的單向再循環(huán)四天，以模擬生理?xiàng)l件。

ibidi 泵系統(tǒng)

Choublier 及其同事表明，該裝置適用于評(píng)估屏障功能（圖 4）和研究跨 BBB 的藥物轉(zhuǎn)運(yùn)。此外，ibidi 泵系統(tǒng)和 µ-Slide 具有評(píng)估和復(fù)制腸道或腎臟等人類細(xì)胞類型中發(fā)現(xiàn)的障礙的潛力。

建立具有調(diào)節(jié)流量的系統(tǒng)可以在類似體內(nèi)的條件下研究 EC ，這比靜態(tài)系統(tǒng)更好地模擬了真實(shí)的生理情況。

圖 4. 在靜態(tài)條件 (a) 和靜態(tài)流動(dòng) (b) 下培養(yǎng) 7 天的細(xì)胞，顯示內(nèi)皮單層特化。藍(lán)色 - 細(xì)胞核，綠色 - F-肌動(dòng)蛋白，黃色 - β-連環(huán)蛋白粘附連接，紅色 - ZO-1 緊密連接。Reproduced under CC BY 4.0 Figure 4 from Choublier et al. in 2021 [6].

EC 流量不足

血流產(chǎn)生的剪切應(yīng)力對(duì) EC 細(xì)胞極化、蛋白質(zhì)表達(dá)和形態(tài)有直接影響（圖 5）。雖然一個(gè)主要研究領(lǐng)域是了解靜態(tài)流如何影響生理 EC，但另一個(gè)研究領(lǐng)域是研究擾動(dòng)流態(tài)如何導(dǎo)致動(dòng)脈粥樣硬化等疾病。

圖 5. 血流產(chǎn)生的剪切應(yīng)力直接影響細(xì)胞極化、蛋白質(zhì)表達(dá)和形態(tài)。

應(yīng)用示例 3：解讀線粒體在 EC 健康中的作用

Hong等人的這項(xiàng)工作。2022 [7] 研究了線粒體在維持 EC 穩(wěn)態(tài)和健康中的作用。研究結(jié)果表明，在受到流動(dòng)干擾的區(qū)域中，線粒體碎片增加，而在單向流動(dòng)區(qū)域中，細(xì)長(zhǎng)的線粒體占主導(dǎo)地位。這表明流動(dòng)模式對(duì)線粒體融合/裂變事件具有深遠(yuǎn)的影響，影響內(nèi)皮細(xì)胞的促炎和代謝狀態(tài)。研究人員利用ibidi 泵系統(tǒng)來(lái)研究這些與流動(dòng)模式相關(guān)的動(dòng)力學(xué)。

總之，這項(xiàng)研究表明，血流對(duì) EC 健康具有至關(guān)重要的影響，部分原因是線粒體的變化。

炎癥中的內(nèi)皮細(xì)胞

全身炎癥對(duì) EC 以及 EC 與其他細(xì)胞相互作用的方式有直接影響。一般來(lái)說(shuō)，內(nèi)皮細(xì)胞形成的屏障變得更加滲漏[8]，并且炎癥期間免疫細(xì)胞滾動(dòng)、趨化性和跨內(nèi)皮遷移等過(guò)程增強(qiáng)（圖5）

圖 5.炎癥過(guò)程影響 EC，以及 EC 與其他細(xì)胞相互作用的方式。例如，炎癥期間免疫細(xì)胞滾動(dòng)、趨化性和跨內(nèi)皮遷移等過(guò)程都會(huì)增強(qiáng)。

應(yīng)用實(shí)例4：研究導(dǎo)致動(dòng)脈粥樣硬化的因素

在Forde等人的一項(xiàng)研究中。2020年[9]，研究了促動(dòng)脈粥樣硬化條件下腫瘤壞死因子相關(guān)凋亡誘導(dǎo)配體（TRAIL）對(duì)人主動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)胞（HAEC）的影響。結(jié)果表明，TRAIL 將暴露于振蕩剪切應(yīng)力的 HAEC 中的基因表達(dá)轉(zhuǎn)向抗氧化模式，從而具有血管保護(hù)作用。此外，TRAIL 顯著減少暴露于 TNF-α 和高血糖的 HAEC 中活性氧 (ROS) 的形成。這些發(fā)現(xiàn)表明 TRAIL 通過(guò)減少氧化應(yīng)激對(duì)內(nèi)皮細(xì)胞具有動(dòng)脈粥樣硬化保護(hù)作用。

本研究使用 ibidi 泵系統(tǒng) 和 ibidi 通道玻片建立了最先進(jìn)的促動(dòng)脈粥樣硬化振蕩剪切應(yīng)力培養(yǎng)模型，已知該模型可促進(jìn)動(dòng)脈粥樣硬化形成 [10]。

在這篇文章中，我們探討了心血管系統(tǒng)中的 EC 以及體外研究 EC 的意義。我們的目的是了解 EC 在不同生理環(huán)境中的作用，這使我們認(rèn)識(shí)到不僅 EC 的規(guī)格和狀態(tài)很重要，而且它們的環(huán)境也很重要。

通過(guò)在受控條件下進(jìn)行研究，體外研究為僅通過(guò)體內(nèi)實(shí)驗(yàn)難以或不可能探索的過(guò)程提供了有價(jià)值的見解。通過(guò)檢查血管生成、屏障形成、流體和炎癥等各種機(jī)制和過(guò)程，我們強(qiáng)調(diào)了體外研究的價(jià)值。

 

 

參考

[1] Krüger-Genge A, Blocki A, Franke RP, Jung F. Vascular Endothelial Cell Biology: An Update. Int J Mol Sci. 2019 Sep 7;20(18):4411. doi: 10.3390/ijms20184411. 

[2] Adair TH, Montani JP. Angiogenesis. San Rafael (CA): Morgan & Claypool Life Sciences; 2010. Chapter 1, Overview of Angiogenesis. 

[3] Mannell H, Kameritsch P, Beck H, Pfeifer A, Pohl U, Pogoda K. Cx43 Promotes Endothelial Cell Migration and Angiogenesis via the Tyrosine Phosphatase SHP-2. Int J Mol Sci. 2021 Dec 28;23(1):294. doi: 10.3390/ijms23010294. 

[4] Kameritsch P, Kiemer F, Mannell H, Beck H, Pohl U, Pogoda K. PKA negatively modulates the migration enhancing effect of Connexin 43. Biochim Biophys Acta Mol Cell Res. 2019 May;1866(5):828-838. doi: 10.1016/j.bbamcr.2019.02.001.

[5] Kugler EC, Greenwood J, MacDonald RB. The "Neuro-Glial-Vascular" Unit: The Role of Glia in Neurovascular Unit Formation and Dysfunction. Front Cell Dev Biol. 2021 Sep 27;9:732820. doi: 10.3389/fcell.2021.732820.

[6] Choublier N, Müller Y, Gomez Baisac L, Laedermann J, de Rham C, Declèves X, Roux A. Blood–Brain Barrier Dynamic Device with Uniform Shear Stress Distribution for Microscopy and Permeability Measurements. Appl. Sci. 2021 Nov; 11(12):5584. doi.org/10.3390/app11125584 

[7] Hong SG, Shin J, Choi SY, Powers JC, Meister BM, Sayoc J, Son JS, Tierney R, Recchia FA, Brown MD, Yang X, Park JY. Flow pattern-dependent mitochondrial dynamics regulates the metabolic profile and inflammatory state of endothelial cells. JCI Insight. 2022 Sep 22;7(18):e159286. doi: 10.1172/jci.insight.159286. 

[8] Obermeier B, Daneman R, Ransohoff RM. Development, maintenance and disruption of the blood-brain barrier. Nat Med. 2013 Dec;19(12):1584-96. doi: 10.1038/nm.3407.

[9] Forde H, Harper E, Rochfort KD, Wallace RG, Davenport C, Smith D, Cummins PM. TRAIL inhibits oxidative stress in human aortic endothelial cells exposed to pro-inflammatory stimuli. Physiol Rep. 2020 Oct;8(20):e14612. doi: 10.14814/phy2.14612. 

[10] Davies PF. Hemodynamic shear stress and the endothelium in cardiovascular pathophysiology. Nat Clin Pract Cardiovasc Med. 2009 Jan;6(1):16-26. doi: 10.1038/ncpcardio1397. 

 

 

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