從內(nèi)皮細胞到血管生成：從基礎(chǔ)細胞到生命網(wǎng)絡(luò)的漫長征途

血管是人體內(nèi)的重要運輸網(wǎng)絡(luò)，負責(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)皮細胞起著關(guān)鍵作用，負責(zé)從零開始構(gòu)建血管結(jié)構(gòu)。從一個內(nèi)皮細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胞到生命之網(wǎng)的奇妙過程。
 

圖1 實時成像儀拍攝下的人類淋巴管內(nèi)皮細胞（左：熒光,右：明場）

一、內(nèi)皮細胞的激活與響應(yīng)：血管生成的起點 
 

內(nèi)皮細胞是構(gòu)成血管內(nèi)壁的單層細胞，屬于一種特殊的上皮細胞類型。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)皮細胞表面的受體結(jié)合，啟動一系列信號通路，使得內(nèi)皮細胞進入激活狀態(tài)。

 

然而，內(nèi)皮細胞的激活受到多重因素影響，如生長因子的濃度、受體表達的時空特性，以及周圍細胞和細胞外基質(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)皮細胞的旅程
 

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

圖3 內(nèi)皮細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：細胞培養(yǎng)、傷口愈合試驗是表征細胞遷移活性的基本讀數(shù)之一。血管內(nèi)皮細胞在培養(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胞。將細胞培養(yǎng)一段時間后，在JuLI成像儀下觀察細胞遷移圖像。

 

在遷移過程中，細胞需要不斷分泌蛋白酶分解基質(zhì)，以便“打通”前進的道路。同時，細胞協(xié)調(diào)自身增殖，確保有足夠的細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：從單細胞到管狀結(jié)構(gòu)
 

當(dāng)足夠多的內(nèi)皮細胞匯聚到位后，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)皮細胞之間高度協(xié)調(diào)的過程。細胞相互連接、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血管或毛細血管后小靜脈。首先，血管周細胞（綠色）脫落，血管擴張；接著內(nèi)皮細胞（紅色）遷移到血管周圍空間，向腫瘤細胞或宿主細胞產(chǎn)生的血管生成刺激方向遷移；然后內(nèi)皮細胞順著血管生成方向增殖，這一過程可能由周細胞引導(dǎo)；內(nèi)皮細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)歷進一步的成熟和穩(wěn)定化過程，以實現(xiàn)功能的完善。此時，外周細胞（如平滑肌細胞和周細胞）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 

血管成熟的過程需要多種細胞和信號的參與。在這一過程中，內(nèi)皮細胞與平滑肌細胞、周細胞之間的相互作用尤為重要。平滑肌細胞和周細胞的包裹不僅能增強血管的結(jié)構(gòu)強度，還能調(diào)節(jié)血流和血管反應(yīng)性。細胞外基質(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”并有效運行。
 
五、從科學(xué)到臨床：血管生成研究的未來機遇與挑戰(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，能夠為多種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，特別是在臨床試驗的設(shè)計和執(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條件下的血管生成，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，活細胞成像技術(shù)（如實時成像儀、熒光顯微鏡、共聚焦顯微鏡）能夠?qū)崟r監(jiān)測細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)皮細胞，研究人員能夠允許追蹤它們在不同生理條件下的動態(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)皮細胞的體外修復(fù)。A) 內(nèi)皮細胞攝取 FITC 結(jié)合的 CNP。細胞幾乎完全在 4 小時內(nèi)被細胞完全內(nèi)化（約 97%）（n = 3）。B) H2O2 條件下 CNP 清除細胞內(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 處理細胞，再培養(yǎng) 8 小時進行小管形成檢測，培養(yǎng) 22 小時進行細胞活力檢測。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 可挽救瀕死細胞。E,F) 使用JuLI實時細胞記錄儀連續(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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