血管是人体内的重要运输网络，负责为组织输送氧气和营养物质，清除代谢废物，并维持体内环境的平衡。人体中分布着错综复杂的血管网络，由超过1000亿条大大小小的血管组成。如果将这些血管首尾相连，成人的血管总长度可达约96,000公里，相当于地球赤道周长的两倍以上。然而，这个庞大网络的形成背后，是一个更为复杂且精妙的生物学过程——血管生成（Angiogenesis）。

在血管生成的过程中，内皮细胞起着关键作用，负责从零开始构建血管结构。从一个内皮细胞到一条功能性血管的形成，是一个横跨多个障碍的复杂过程。这个过程依赖于细胞间的协作与微环境的动态调节。本文将带您深入了解这一从微小细胞到生命之网的奇妙过程。
 

图1 实时成像仪拍摄下的人类淋巴管内皮细胞（左：荧光,右：明场）

一、内皮细胞的激活与响应：血管生成的起点 
 

内皮细胞是构成血管内壁的单层细胞，属于一种特殊的上皮细胞类型。它们铺展在血管的最内层，直接与血液接触，形成了一层薄而连续的屏障。尽管内皮细胞看似简单，却在维持血管健康和功能中发挥着至关重要的作用。

 

血管生成始于内皮细胞对外部信号的感知。生长因子（如血管内皮生长因子，VEGF）是这些信号的主要“信使”，它们通常在缺氧、创伤或肿瘤微环境中大量释放。VEGF与内皮细胞表面的受体结合，启动一系列信号通路，使得内皮细胞进入激活状态。

 

然而，内皮细胞的激活受到多重因素影响，如生长因子的浓度、受体表达的时空特性，以及周围细胞和细胞外基质的调节。如果激活过程不够精确，可能会导致异常的血管生成，例如肿瘤中的异常血管或糖尿病患者中的血管缺陷。
 

图2 肿瘤中的异常血管

 
二、从激活到迁移：内皮细胞的旅程
 

内皮细胞的迁移开始于生长因子的介入，内皮细胞响应激活信号后首先开始脱离原有血管并进行定向迁移。因此，定向迁移是内皮细胞激活的一个标志。在定向迁移的过程中，内皮细胞不可避免的需要在复杂的细胞外基质中穿梭，这个过程中又涉及到复杂的细胞骨架的重组以及细胞黏附分子的调控。正因为内皮细胞从激活到迁移都仍存在许多尚未探明的机制，因此针对内皮细胞的研究吸引了越来越多学者的关注。
 

图3 内皮细胞迁移是血管生成的标志之一，也是血管生成级联反应的早期步骤之一。伤口愈合试验：细胞培养、伤口愈合试验是表征细胞迁移活性的基本读数之一。血管内皮细胞在培养皿中培养至融合，用刀片/移液管尖端在孔的中间形成一个直的间隙。洗涤并去除漂浮的细胞。将细胞培养一段时间后，在JuLI成像仪下观察细胞迁移图像。

 

在迁移过程中，细胞需要不断分泌蛋白酶分解基质，以便“打通”前进的道路。同时，细胞协调自身增殖，确保有足够的细胞参与新生血管的形成。在此过程中，VEGF（血管内皮生长因子）和纤维连接蛋白质等分子具有重要的引导作用。

 

如果血管内皮细胞迁移失控，可能导致血管生成异常，例如形成紊乱的血管网络或血管外延长。

 
三、血管结构的成型：从单细胞到管状结构
 

当足够多的内皮细胞汇聚到位后，它们会开始相互连接，形成管状结构，这就是血管生成中的管腔化过程。细胞间的相互作用、粘附和排列在这一阶段显得尤为关键。

 

管腔化是内皮细胞之间高度协调的过程。细胞相互连接、折叠并重新排列，逐渐形成空腔，使得血管具备输送血液的功能。这个过程中，细胞间的紧密连接（如VE-Cadherin介导的连接）确保了管腔的稳定性。
 

图4 肿瘤新血管形成过程：肿瘤的血管生成起源于肿瘤中已存在的毛细血管或毛细血管后小静脉。首先，血管周细胞（绿色）脱落，血管扩张；接着内皮细胞（红色）迁移到血管周围空间，向肿瘤细胞或宿主细胞产生的血管生成刺激方向迁移；然后内皮细胞顺着血管生成方向增殖，这一过程可能由周细胞引导；内皮细胞相互粘附并形成一个管腔，并伴随着基底膜的形成和周细胞的附着。最后，血管芽会与其他芽融合，建立新的循环系统。
 
但初步形成的管腔结构仍然脆弱，缺乏支撑，仍需经历进一步的成熟和稳定化过程，以实现功能的完善。此时，外周细胞（如平滑肌细胞和周细胞）的招募至关重要。血小板源性生长因子（PDGF）和转化生长因子-β（TGF-β）在这一过程中发挥引导作用，使新生血管逐渐成熟并增强稳定性。
 
四、血管的成熟与稳定化：通往功能性血管的终点 

血管成熟的过程需要多种细胞和信号的参与。在这一过程中，内皮细胞与平滑肌细胞、周细胞之间的相互作用尤为重要。平滑肌细胞和周细胞的包裹不仅能增强血管的结构强度，还能调节血流和血管反应性。细胞外基质的重建和生物信号的调控确保血管具有足够的弹性和功能性，能够应对体内的各种压力变化。
 
此外，新生血管还需与现有的血管网络对接，形成稳定的血流循环。这个过程中，细胞之间的交流和微环境的调控决定了血管能否真正“上线”并有效运行。
 
五、从科学到临床：血管生成研究的未来机遇与挑战 

血管生成是生物学中的重要过程，同时对医学也具有关键意义。深入理解和调控这一过程，能够为多种疾病的治疗提供新的视角，比如抑制肿瘤血管生成疗法和缺血性疾病的血管再生策略，均依赖于对内皮细胞及其调控网络的了解。
 
然而，血管生成是一个复杂的生物过程，受到多种因素的调控，包括细胞类型、微环境和信号稳定性；同时，尽管基础研究取得了进展，但将这些发现转化为临床应用仍然面临障碍，特别是在临床试验的设计和执行方面。
 
现有的体外和动物模型往往无法充分模拟人类生理条件下的血管生成，肿瘤微环境、缺氧状态和炎症等因素都会影响这一过程，从而限制研究结果的临床转化。
 
但在现代成像技术（如成像仪和共聚焦显微镜）的辅助下，活细胞成像技术（如实时成像仪、荧光显微镜、共聚焦显微镜）能够实时监测细胞行为和血管生成过程。这使得研究人员可以观察内皮细胞在血管生成过程中的迁移、分裂和形态变化。例如，通过标记内皮细胞，研究人员能够允许追踪它们在不同生理条件下的动态迁移路径，了解它们如何响应血管生成信号。
 

图5 CNP 在 ROS 损伤条件下对内皮细胞的体外修复。A) 内皮细胞摄取 FITC 结合的 CNP。细胞几乎完全在 4 小时内被细胞完全内化（约 97%）（n = 3）。B) H2O2 条件下 CNP 清除细胞内 ROS 的效果（n = 10）。组间差异以不同字母表示（P < 0.05）。）ROS损伤下细胞和小管形成的修复。用 CNP 培养 2 小时后，用不同浓度的 H2O2 处理细胞，再培养 8 小时进行小管形成检测，培养 22 小时进行细胞活力检测。C,D) CNP 介导的根据活/死染色（n = 3）和线粒体酶测定（n = 6），CNP 可挽救濒死细胞。E,F) 使用JuLI实时细胞记录仪连续观察管状结构的形成（n = 5），并使用 Image J 分析拍摄后 10 小时的图像。


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