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如何在體外研究心血管系統(tǒng)的內(nèi)皮細胞
閱讀：901 發(fā)布時間：2023-8-28內(nèi)皮細胞(ECs)是排列在血管內(nèi)表面的特化細胞，形成連續(xù)的單細胞層。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)交換中起著至關(guān)重要的作用[1]。內(nèi)皮細胞根據(jù)其在循環(huán)系統(tǒng)中的位置進一步細分，如動脈、靜脈、毛細血管和淋巴管。在這篇文章中，我們將探討內(nèi)皮細胞的功能，重點是心血管系統(tǒng)的內(nèi)皮細胞。具體而言，我們將研究如何在體外研究內(nèi)皮細胞在血管生成、屏障形成、血流不足和炎癥方面的作用。
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基礎(chǔ)情況
新血管生長的過程它在發(fā)育生物學(xué)、傷口愈合以及腫瘤生長中起作用(圖1)。血管生成本身由多個步驟組成，包括:
* EC增殖
* 定向遷移(通常通過趨化性)
* 管道形成和管腔化
* 成熟: 成熟、融合、重塑、次級細胞的募集(如周細胞和血管平滑肌細胞)
總之，這些步驟共同促進了整個血管生成過程，即從現(xiàn)有血管形成新血管[2]。毫無疑問，血管生成是高度復(fù)雜的。要全面了解整個過程，我們需要檢查各個組成部分。采用體外分析使科學(xué)家能夠?qū)Ｗ⒂谘苌蛇^程的特定成分，從而促進更可控和詳細的分析。
圖1. 研究血管生成過程，如血管發(fā)芽和趨化性，對于理解腫瘤血管形成至關(guān)重要
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應(yīng)用實例1：闡明間隙連接
在內(nèi)皮細胞遷移中的作用
Mannell等人2021年的這項研究檢測了間隙連接蛋白43(Cx43)在EC遷移和血管生成中的作用。該研究小組發(fā)現(xiàn)，在人微血管內(nèi)皮細胞(HMEC)中，siRNA敲低Cx43可減少細胞遷移(圖2)。從機制上講，研究小組發(fā)現(xiàn)Cx43的功能是通過與酪氨酸磷酸酶SHP-2[3]相互作用介導(dǎo)的。
為了研究CX43在EC遷移中的作用，如先前研究所述，將 ibidi Culture-Inserts插件放置在 µ-Slide 8 Well（8孔腔室載玻片）中，以評估遷移速度和方向性[3]。
該小組表明：內(nèi)皮細胞遷移和血管生成需要Cx43，而這是由SHP-2介導(dǎo)的。
圖2. HMEC遷移單細胞軌跡顯示Cx43 siRNA敲除后遷移減少。圖片來自Mannell等人2021 [3]
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ECs in Barrier Formation屏障形成中的內(nèi)皮細胞
血管中的內(nèi)皮細胞單細胞層對其在血液和周圍組織之間形成屏障的功能至關(guān)重要，最著名的是血腦屏障（BBB）。內(nèi)皮細胞通過多種途徑積極調(diào)節(jié)化合物轉(zhuǎn)運，包括細胞旁水性途徑、跨細胞親脂性途徑、受體介導(dǎo)的跨細胞轉(zhuǎn)運、載體介導(dǎo)的內(nèi)流和吸附性跨細胞轉(zhuǎn)運（圖3）
由于其在藥物遞送、藥理學(xué)、毒理學(xué)和腫瘤學(xué)中的重要性，了解EC屏障的功能和機制是一個備受研究的研究領(lǐng)域。
了解EC屏障的功能和機制是一個備受研究的研究領(lǐng)域，因為它在藥物傳遞、藥理學(xué)、毒理學(xué)和腫瘤學(xué)中具有重要意義。
圖3. ECs(品紅色)在屏障形成中起著關(guān)鍵作用。圖片來自Kugler等人, 2021 [5]
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應(yīng)用實例2：
血腦屏障體外模型的建立
在Choublier等人在2021年[6]進行的一項研究中，解決了與研究血腦屏障相關(guān)的實驗挑戰(zhàn)。血腦屏障由于其在大腦中的位置以及對恒定、層流和均勻血流的需求而存在困難。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，研究人員開發(fā)了一種堅固、低成本的裝置，將上部通道連接到 ibidi Pump System ibidi泵系統(tǒng)/流體剪切力系統(tǒng)，建立四天的培養(yǎng)基單向循環(huán)以模擬生理條件。
Choublier及其同事表明，該裝置適用于評估屏障功能（圖4）和研究藥物通過血腦屏障的轉(zhuǎn)運。此外，ibidi泵系統(tǒng)和µ-Slide具有評估和復(fù)制在人體細胞類型(如腸道或腎臟)中發(fā)現(xiàn)的屏障的潛力。
建立一個具有調(diào)節(jié)流動的系統(tǒng)可以在類似體內(nèi)的條件下研究內(nèi)皮細胞，這比靜態(tài)系統(tǒng)更好地模擬真實的生理狀態(tài)。
圖4.在靜態(tài)條件下(a)和靜態(tài)流動下(b)培養(yǎng)7天的細胞，顯示內(nèi)皮單層特化。藍色細胞核、綠色F-肌動蛋白、黃色β-連環(huán)蛋白粘附連接和紅色ZO-1緊密連接。圖片來自Choublier等人，2021 [6]
流動中的內(nèi)皮細胞
血流產(chǎn)生的剪應(yīng)力對EC細胞極化、蛋白質(zhì)表達和形態(tài)學(xué)有直接影響(圖5)。雖然一個主要的研究領(lǐng)域是了解靜態(tài)流動導(dǎo)致生理EC，但另一個研究領(lǐng)域是研究紊亂的流動狀態(tài)如何導(dǎo)致動脈粥樣硬化等疾病。
圖5. 血流產(chǎn)生的剪切應(yīng)力直接影響細胞極化、蛋白質(zhì)表達和形態(tài)
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應(yīng)用實例3：解讀線粒體
在內(nèi)皮細胞健康中的作用
Hong等人2022 [7]的這項工作，研究了了線粒體在維持內(nèi)皮細胞穩(wěn)態(tài)和健康中的作用。研究結(jié)果表明，線粒體斷裂在暴露于紊亂流動的區(qū)域增加，而細長的線粒體在單向流動的區(qū)域占主導(dǎo)地位。這表明流動模式對線粒體融合/分裂事件有深遠的影響，影響內(nèi)皮細胞的促炎和代謝狀態(tài)。研究人員使用了ibidi Pump System ibidi泵系統(tǒng)/流體剪切力系統(tǒng)來研究流動模式相關(guān)的動力學(xué)。
總之，這項研究表明，流動對內(nèi)皮細胞的健康有著至關(guān)重要的影響，這在一定程度上是由于線粒體的變化。
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炎癥中的內(nèi)皮細胞
全身炎癥對內(nèi)皮細胞以及內(nèi)皮細胞如何與其他細胞相互作用有直接影響。一般來說，由內(nèi)皮細胞形成的屏障會變得更容易泄漏[8]，并且諸如免疫細胞滾動, 趨藥性和跨內(nèi)皮遷移在炎癥期間升高(圖6)。
圖6. 炎癥過程影響內(nèi)皮細胞，以及內(nèi)皮細胞如何與其他細胞相互作用。例如，諸如免疫細胞滾動、趨化性和跨內(nèi)皮遷移等過程在炎癥期間升高。
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應(yīng)用實例4：
研究導(dǎo)致動脈粥樣硬化的因素
在Forde等人2020[9]的一項研究中，研究了促動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）對人主動脈內(nèi)皮細胞（HAEC）的影響。結(jié)果表明，在暴露于振蕩剪切應(yīng)力的HAEC中，TRAIL使基因表達向抗氧化方向轉(zhuǎn)變，從而具有血管保護作用。此外，TRAIL顯著減少了暴露于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通過減少氧化應(yīng)激對內(nèi)皮細胞具有動脈粥樣硬化保護作用。
本研究使用ibidi Pump System ibidi泵系統(tǒng)/流體剪切力系統(tǒng)和ibidi Channel Slide通道玻片建立了促動脈粥樣硬化振蕩剪切應(yīng)力培養(yǎng)模型，已知振蕩剪切應(yīng)力可促進動脈粥樣硬化的形成[10]。
在這篇文章中，我們探討了心血管系統(tǒng)中的內(nèi)皮細胞以及體外研究內(nèi)皮細胞的意義。我們旨在了解內(nèi)皮細胞在不同生理環(huán)境中的作用，這使我們能夠認識到，不僅內(nèi)皮細胞的規(guī)格和狀態(tài)很重要，而且它們的環(huán)境也很重要。
通過在受控條件下進行研究，體外研究為單獨通過體內(nèi)實驗探索具有挑戰(zhàn)性或不可能的過程提供了有價值的見解。通過研究各種機制和過程，如血管生成、屏障形成、血流不足和炎癥，我們強調(diào)了體外研究的價值。
參考文獻
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[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.
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