血管是人體內(nèi)的重要運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)為組織輸送氧氣和營養(yǎng)物質(zhì)，清除代謝廢物，并維持體內(nèi)環(huán)境的平衡。人體中分布著錯綜復(fù)雜的血管網(wǎng)絡(luò)，由超過1000億條大大小小的血管組成。如果將這些血管首尾相連，成人的血管總長度可達(dá)約96,000公里，相當(dāng)于地球赤道周長的兩倍以上。然而，這個龐大網(wǎng)絡(luò)的形成背后，是一個更為復(fù)雜且精妙的生物學(xué)過程——血管生成（Angiogenesis）。

在血管生成的過程中，內(nèi)皮細(xì)胞起著關(guān)鍵作用，負(fù)責(zé)從零開始構(gòu)建血管結(jié)構(gòu)。從一個內(nèi)皮細(xì)胞到一條功能性血管的形成，是一個橫跨多個障礙的復(fù)雜過程。這個過程依賴于細(xì)胞間的協(xié)作與微環(huán)境的動態(tài)調(diào)節(jié)。本文將帶您深入了解這一從微小細(xì)胞到生命之網(wǎng)的奇妙過程。
 

圖1 實(shí)時成像儀拍攝下的人類淋巴管內(nèi)皮細(xì)胞（左：熒光,右：明場）

一、內(nèi)皮細(xì)胞的激活與響應(yīng)：血管生成的起點(diǎn) 
 

內(nèi)皮細(xì)胞是構(gòu)成血管內(nèi)壁的單層細(xì)胞，屬于一種特殊的上皮細(xì)胞類型。它們鋪展在血管的最內(nèi)層，直接與血液接觸，形成了一層薄而連續(xù)的屏障。盡管內(nèi)皮細(xì)胞看似簡單，卻在維持血管健康和功能中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

 

血管生成始于內(nèi)皮細(xì)胞對外部信號的感知。生長因子（如血管內(nèi)皮生長因子，VEGF）是這些信號的主要“信使”，它們通常在缺氧、創(chuàng)傷或腫瘤微環(huán)境中大量釋放。VEGF與內(nèi)皮細(xì)胞表面的受體結(jié)合，啟動一系列信號通路，使得內(nèi)皮細(xì)胞進(jìn)入激活狀態(tài)。

 

然而，內(nèi)皮細(xì)胞的激活受到多重因素影響，如生長因子的濃度、受體表達(dá)的時空特性，以及周圍細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)的調(diào)節(jié)。如果激活過程不夠精確，可能會導(dǎo)致異常的血管生成，例如腫瘤中的異常血管或糖尿病患者中的血管缺陷。
 

圖2 腫瘤中的異常血管

 
二、從激活到遷移：內(nèi)皮細(xì)胞的旅程
 

內(nèi)皮細(xì)胞的遷移開始于生長因子的介入，內(nèi)皮細(xì)胞響應(yīng)激活信號后首先開始脫離原有血管并進(jìn)行定向遷移。因此，定向遷移是內(nèi)皮細(xì)胞激活的一個標(biāo)志。在定向遷移的過程中，內(nèi)皮細(xì)胞不可避免的需要在復(fù)雜的細(xì)胞外基質(zhì)中穿梭，這個過程中又涉及到復(fù)雜的細(xì)胞骨架的重組以及細(xì)胞黏附分子的調(diào)控。正因?yàn)閮?nèi)皮細(xì)胞從激活到遷移都仍存在許多尚未探明的機(jī)制，因此針對內(nèi)皮細(xì)胞的研究吸引了越來越多學(xué)者的關(guān)注。
 

圖3 內(nèi)皮細(xì)胞遷移是血管生成的標(biāo)志之一，也是血管生成級聯(lián)反應(yīng)的早期步驟之一。傷口愈合試驗(yàn)：細(xì)胞培養(yǎng)、傷口愈合試驗(yàn)是表征細(xì)胞遷移活性的基本讀數(shù)之一。血管內(nèi)皮細(xì)胞在培養(yǎng)皿中培養(yǎng)至融合，用刀片/移液管尖端在孔的中間形成一個直的間隙。洗滌并去除漂浮的細(xì)胞。將細(xì)胞培養(yǎng)一段時間后，在JuLI成像儀下觀察細(xì)胞遷移圖像。

 

在遷移過程中，細(xì)胞需要不斷分泌蛋白酶分解基質(zhì)，以便“打通”前進(jìn)的道路。同時，細(xì)胞協(xié)調(diào)自身增殖，確保有足夠的細(xì)胞參與新生血管的形成。在此過程中，VEGF（血管內(nèi)皮生長因子）和纖維連接蛋白質(zhì)等分子具有重要的引導(dǎo)作用。

 

如果血管內(nèi)皮細(xì)胞遷移失控，可能導(dǎo)致血管生成異常，例如形成紊亂的血管網(wǎng)絡(luò)或血管外延長。

 
三、血管結(jié)構(gòu)的成型：從單細(xì)胞到管狀結(jié)構(gòu)
 

當(dāng)足夠多的內(nèi)皮細(xì)胞匯聚到位后，它們會開始相互連接，形成管狀結(jié)構(gòu)，這就是血管生成中的管腔化過程。細(xì)胞間的相互作用、粘附和排列在這一階段顯得尤為關(guān)鍵。

 

管腔化是內(nèi)皮細(xì)胞之間高度協(xié)調(diào)的過程。細(xì)胞相互連接、折疊并重新排列，逐漸形成空腔，使得血管具備輸送血液的功能。這個過程中，細(xì)胞間的緊密連接（如VE-Cadherin介導(dǎo)的連接）確保了管腔的穩(wěn)定性。
 

圖4 腫瘤新血管形成過程：腫瘤的血管生成起源于腫瘤中已存在的毛細(xì)血管或毛細(xì)血管后小靜脈。首先，血管周細(xì)胞（綠色）脫落，血管擴(kuò)張；接著內(nèi)皮細(xì)胞（紅色）遷移到血管周圍空間，向腫瘤細(xì)胞或宿主細(xì)胞產(chǎn)生的血管生成刺激方向遷移；然后內(nèi)皮細(xì)胞順著血管生成方向增殖，這一過程可能由周細(xì)胞引導(dǎo)；內(nèi)皮細(xì)胞相互粘附并形成一個管腔，并伴隨著基底膜的形成和周細(xì)胞的附著。最后，血管芽會與其他芽融合，建立新的循環(huán)系統(tǒng)。
 
但初步形成的管腔結(jié)構(gòu)仍然脆弱，缺乏支撐，仍需經(jīng)歷進(jìn)一步的成熟和穩(wěn)定化過程，以實(shí)現(xiàn)功能的完善。此時，外周細(xì)胞（如平滑肌細(xì)胞和周細(xì)胞）的招募至關(guān)重要。血小板源性生長因子（PDGF）和轉(zhuǎn)化生長因子-β（TGF-β）在這一過程中發(fā)揮引導(dǎo)作用，使新生血管逐漸成熟并增強(qiáng)穩(wěn)定性。
 
四、血管的成熟與穩(wěn)定化：通往功能性血管的終點(diǎn) 

血管成熟的過程需要多種細(xì)胞和信號的參與。在這一過程中，內(nèi)皮細(xì)胞與平滑肌細(xì)胞、周細(xì)胞之間的相互作用尤為重要。平滑肌細(xì)胞和周細(xì)胞的包裹不僅能增強(qiáng)血管的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，還能調(diào)節(jié)血流和血管反應(yīng)性。細(xì)胞外基質(zhì)的重建和生物信號的調(diào)控確保血管具有足夠的彈性和功能性，能夠應(yīng)對體內(nèi)的各種壓力變化。
 
此外，新生血管還需與現(xiàn)有的血管網(wǎng)絡(luò)對接，形成穩(wěn)定的血流循環(huán)。這個過程中，細(xì)胞之間的交流和微環(huán)境的調(diào)控決定了血管能否真正“上線”并有效運(yùn)行。
 
五、從科學(xué)到臨床：血管生成研究的未來機(jī)遇與挑戰(zhàn) 

血管生成是生物學(xué)中的重要過程，同時對醫(yī)學(xué)也具有關(guān)鍵意義。深入理解和調(diào)控這一過程，能夠?yàn)槎喾N疾病的治療提供新的視角，比如抑制腫瘤血管生成療法和缺血性疾病的血管再生策略，均依賴于對內(nèi)皮細(xì)胞及其調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的了解。
 
然而，血管生成是一個復(fù)雜的生物過程，受到多種因素的調(diào)控，包括細(xì)胞類型、微環(huán)境和信號穩(wěn)定性；同時，盡管基礎(chǔ)研究取得了進(jìn)展，但將這些發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)化為臨床應(yīng)用仍然面臨障礙，特別是在臨床試驗(yàn)的設(shè)計(jì)和執(zhí)行方面。
 
現(xiàn)有的體外和動物模型往往無法充分模擬人類生理?xiàng)l件下的血管生成，腫瘤微環(huán)境、缺氧狀態(tài)和炎癥等因素都會影響這一過程，從而限制研究結(jié)果的臨床轉(zhuǎn)化。
 
但在現(xiàn)代成像技術(shù)（如成像儀和共聚焦顯微鏡）的輔助下，活細(xì)胞成像技術(shù)（如實(shí)時成像儀、熒光顯微鏡、共聚焦顯微鏡）能夠?qū)崟r監(jiān)測細(xì)胞行為和血管生成過程。這使得研究人員可以觀察內(nèi)皮細(xì)胞在血管生成過程中的遷移、分裂和形態(tài)變化。例如，通過標(biāo)記內(nèi)皮細(xì)胞，研究人員能夠允許追蹤它們在不同生理?xiàng)l件下的動態(tài)遷移路徑，了解它們?nèi)绾雾憫?yīng)血管生成信號。
 

圖5 CNP 在 ROS 損傷條件下對內(nèi)皮細(xì)胞的體外修復(fù)。A) 內(nèi)皮細(xì)胞攝取 FITC 結(jié)合的 CNP。細(xì)胞幾乎完全在 4 小時內(nèi)被細(xì)胞完全內(nèi)化（約 97%）（n = 3）。B) H2O2 條件下 CNP 清除細(xì)胞內(nèi) ROS 的效果（n = 10）。組間差異以不同字母表示（P < 0.05）。）ROS損傷下細(xì)胞和小管形成的修復(fù)。用 CNP 培養(yǎng) 2 小時后，用不同濃度的 H2O2 處理細(xì)胞，再培養(yǎng) 8 小時進(jìn)行小管形成檢測，培養(yǎng) 22 小時進(jìn)行細(xì)胞活力檢測。C,D) CNP 介導(dǎo)的根據(jù)活/死染色（n = 3）和線粒體酶測定（n = 6），CNP 可挽救瀕死細(xì)胞。E,F) 使用JuLI實(shí)時細(xì)胞記錄儀連續(xù)觀察管狀結(jié)構(gòu)的形成（n = 5），并使用 Image J 分析拍攝后 10 小時的圖像。


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