内皮细胞(EC) 是排列在血管内表面的特殊细胞，形成连续的单细胞层。因此，它们是血管壁的一部分，在控制血流和周围组织之间的物质交换方面发挥着至关重要的作用[1]。EC 根据其在循环系统中的位置（如动脉、静脉、毛细血管和淋巴管）进一步细分。在这篇文章中，我们探讨了 EC 的功能，重点关注心血管系统的 EC。具体来说，我们将研究如何在体外研究 EC在血管生成、屏障形成、欠流和炎症方面的作用。

ECs在血管生成中的作用

血管生成是新血管生长的过程。因此，它在发育生物学、伤口愈合以及肿瘤生长中发挥着作用（图1）。血管生成本身由多个步骤组成，包括：

• EC增殖

• 定向迁移（通常通过趋化性）

• 管形成和管腔化

• 成熟：融合、重塑、次级细胞（例如周细胞和血管平滑肌细胞）的募集

这些步骤共同促进了整个血管生成过程，即从现有血管形成新血管[2]。毫无疑问，血管生成是非常复杂的。为了全面了解整个过程，我们需要检查各个组成部分。采用体外测定使科学家能够专注于血管生成过程的特定组成部分，从而促进更加受控和详细的分析。

图 1. 研究血管生成过程，例如血管萌芽和趋化性，对于了解肿瘤血管化至关重要。

应用示例1：阐明间隙连接在EC迁移中的作用

Mannell 等人的这项研究。2021 研究了间隙连接蛋白 connexin 43 (Cx43) 在 EC 迁移和血管生成中的作用。研究小组表明，在人微血管内皮细胞（HMEC）中通过siRNA敲低Cx43可减少细胞迁移（图2）。从机制上讲，该小组表明 Cx43 功能是通过与酪氨酸磷酸酶 SHP-2 相互作用介导的 [3]。

为了研究 EC 迁移中的 CX43，将 ibidi 培养插件放置在 µ-Slide 8 孔中，如之前的研究所述，以评估迁移速度和方向性 [3]。

该小组共同表明，EC 迁移和血管生成需要 Cx43，并且这是由 SHP-2介导的。

图 2. 迁移 HMEC 的代表性单细胞痕迹显示，敲低 Cx43 siRNA 后迁移减少。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的单细胞层对于在血液和周围组织之间形成屏障（最著名的是血脑屏障 (BBB)）的功能至关重要。EC通过多种途径主动调节化合物转运，包括细胞旁水途径、跨细胞亲脂途径、受体介导的转胞吞作用、载体介导的流入和吸附转胞吞作用（图3 ）。

了解 EC 屏障的功能和机制是一个受到高度研究的研究领域，因为它在药物输送、药理学、毒理学和肿瘤学中具有重要意义。

图 3. EC（洋红色）在屏障形成中发挥着关键作用， Figure was reproduced under CC BY 4.0 license from Kugler et al., 2021 [5]

应用实例2：血脑屏障体外模型的建立

Choublier 等人进行的一项研究中。2021 年 [6]，与研究 BBB 相关的实验挑战得到解决。由于血脑屏障位于大脑中，并且需要恒定、层流和均匀的血流，因此 BBB 存在困难。为了应对这些挑战，研究人员开发了一种坚固、低成本的设备，其中上部通道连接到ibidi 泵系统，以建立培养基的单向再循环四天，以模拟生理条件。

ibidi 泵系统

Choublier 及其同事表明，该装置适用于评估屏障功能（图 4）和研究跨 BBB 的药物转运。此外，ibidi 泵系统和 µ-Slide 具有评估和复制肠道或肾脏等人类细胞类型中发现的障碍的潜力。

建立具有调节流量的系统可以在类似体内的条件下研究 EC ，这比静态系统更好地模拟了真实的生理情况。

图 4. 在静态条件 (a) 和静态流动 (b) 下培养 7 天的细胞，显示内皮单层特化。蓝色 - 细胞核，绿色 - F-肌动蛋白，黄色 - β-连环蛋白粘附连接，红色 - ZO-1 紧密连接。Reproduced under CC BY 4.0 Figure 4 from Choublier et al. in 2021 [6].

EC 流量不足

血流产生的剪切应力对 EC 细胞极化、蛋白质表达和形态有直接影响（图 5）。虽然一个主要研究领域是了解静态流如何影响生理 EC，但另一个研究领域是研究扰动流态如何导致动脉粥样硬化等疾病。

图 5. 血流产生的剪切应力直接影响细胞极化、蛋白质表达和形态。

应用示例 3：解读线粒体在 EC 健康中的作用

Hong等人的这项工作。2022 [7] 研究了线粒体在维持 EC 稳态和健康中的作用。研究结果表明，在受到流动干扰的区域中，线粒体碎片增加，而在单向流动区域中，细长的线粒体占主导地位。这表明流动模式对线粒体融合/裂变事件具有深远的影响，影响内皮细胞的促炎和代谢状态。研究人员利用ibidi 泵系统来研究这些与流动模式相关的动力学。

总之，这项研究表明，血流对 EC 健康具有至关重要的影响，部分原因是线粒体的变化。

炎症中的内皮细胞

全身炎症对 EC 以及 EC 与其他细胞相互作用的方式有直接影响。一般来说，内皮细胞形成的屏障变得更加渗漏[8]，并且炎症期间免疫细胞滚动、趋化性和跨内皮迁移等过程增强（图5）

图 5.炎症过程影响 EC，以及 EC 与其他细胞相互作用的方式。例如，炎症期间免疫细胞滚动、趋化性和跨内皮迁移等过程都会增强。

应用实例4：研究导致动脉粥样硬化的因素

在Forde等人的一项研究中。2020年[9]，研究了促动脉粥样硬化条件下肿瘤坏死因子相关凋亡诱导配体（TRAIL）对人主动脉内皮细胞（HAEC）的影响。结果表明，TRAIL 将暴露于振荡剪切应力的 HAEC 中的基因表达转向抗氧化模式，从而具有血管保护作用。此外，TRAIL 显着减少暴露于 TNF-α 和高血糖的 HAEC 中活性氧 (ROS) 的形成。这些发现表明 TRAIL 通过减少氧化应激对内皮细胞具有动脉粥样硬化保护作用。

本研究使用 ibidi 泵系统 和 ibidi 通道玻片建立了最先进的促动脉粥样硬化振荡剪切应力培养模型，已知该模型可促进动脉粥样硬化形成 [10]。

在这篇文章中，我们探讨了心血管系统中的 EC 以及体外研究 EC 的意义。我们的目的是了解 EC 在不同生理环境中的作用，这使我们认识到不仅 EC 的规格和状态很重要，而且它们的环境也很重要。

通过在受控条件下进行研究，体外研究为仅通过体内实验难以或不可能探索的过程提供了有价值的见解。通过检查血管生成、屏障形成、流体和炎症等各种机制和过程，我们强调了体外研究的价值。

参考

[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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