化工儀器網(wǎng)技術(shù)文章
如何在體外研究心血管系統(tǒng)的內(nèi)皮細(xì)胞
閱讀：1017 發(fā)布時(shí)間：2023-8-28內(nèi)皮細(xì)胞(ECs)是排列在血管內(nèi)表面的特化細(xì)胞，形成連續(xù)的單細(xì)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(xì)胞根據(jù)其在循環(huán)系統(tǒng)中的位置進(jìn)一步細(xì)分，如動(dòng)脈、靜脈、毛細(xì)血管和淋巴管。在這篇文章中，我們將探討內(nèi)皮細(xì)胞的功能，重點(diǎn)是心血管系統(tǒng)的內(nèi)皮細(xì)胞。具體而言，我們將研究如何在體外研究?jī)?nèi)皮細(xì)胞在血管生成、屏障形成、血流不足和炎癥方面的作用。
*
基礎(chǔ)情況
新血管生長(zhǎng)的過程它在發(fā)育生物學(xué)、傷口愈合以及腫瘤生長(zhǎng)中起作用(圖1)。血管生成本身由多個(gè)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(jí)細(xì)胞的募集(如周細(xì)胞和血管平滑肌細(xì)胞)
總之，這些步驟共同促進(jìn)了整個(gè)血管生成過程，即從現(xiàn)有血管形成新血管[2]。毫無(wú)疑問，血管生成是高度復(fù)雜的。要全面了解整個(gè)過程，我們需要檢查各個(gè)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(jìn)更可控和詳細(xì)的分析。
圖1. 研究血管生成過程，如血管發(fā)芽和趨化性，對(duì)于理解腫瘤血管形成至關(guān)重要
*
應(yīng)用實(shí)例1：闡明間隙連接
在內(nèi)皮細(xì)胞遷移中的作用
Mannell等人2021年的這項(xiàng)研究檢測(cè)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(xì)胞(HMEC)中，siRNA敲低Cx43可減少細(xì)胞遷移(圖2)。從機(jī)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(píng)估遷移速度和方向性[3]。
該小組表明：內(nèi)皮細(xì)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(xì)胞軌跡顯示Cx43 siRNA敲除后遷移減少。圖片來自Mannell等人2021 [3]
了解更多關(guān)于血管生成可點(diǎn)擊查看
ECs in Barrier Formation屏障形成中的內(nèi)皮細(xì)胞
血管中的內(nèi)皮細(xì)胞單細(xì)胞層對(duì)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(xì)胞通過多種途徑積極調(diào)節(jié)化合物轉(zhuǎn)運(yùn)，包括細(xì)胞旁水性途徑、跨細(xì)胞親脂性途徑、受體介導(dǎo)的跨細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)、載體介導(dǎo)的內(nèi)流和吸附性跨細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)（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(jī)制是一個(gè)備受研究的研究領(lǐng)域。
了解EC屏障的功能和機(jī)制是一個(gè)備受研究的研究領(lǐng)域，因?yàn)樗谒幬飩鬟f、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]
*
應(yīng)用實(shí)例2：
血腦屏障體外模型的建立
在Choublier等人在2021年[6]進(jìn)行的一項(xiàng)研究中，解決了與研究血腦屏障相關(guān)的實(shí)驗(yàn)挑戰(zhàn)。血腦屏障由于其在大腦中的位置以及對(duì)恒定、層流和均勻血流的需求而存在困難。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，研究人員開發(fā)了一種堅(jiān)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?xiàng)l件。
Choublier及其同事表明，該裝置適用于評(píng)估屏障功能（圖4）和研究藥物通過血腦屏障的轉(zhuǎn)運(yùn)。此外，ibidi泵系統(tǒng)和µ-Slide具有評(píng)估和復(fù)制在人體細(xì)胞類型(如腸道或腎臟)中發(fā)現(xiàn)的屏障的潛力。
建立一個(gè)具有調(diào)節(jié)流動(dòng)的系統(tǒng)可以在類似體內(nèi)的條件下研究?jī)?nèi)皮細(xì)胞，這比靜態(tài)系統(tǒng)更好地模擬真實(shí)的生理狀態(tài)。
圖4.在靜態(tài)條件下(a)和靜態(tài)流動(dòng)下(b)培養(yǎng)7天的細(xì)胞，顯示內(nèi)皮單層特化。藍(lán)色細(xì)胞核、綠色F-肌動(dòng)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(dòng)中的內(nèi)皮細(xì)胞
血流產(chǎn)生的剪應(yīng)力對(duì)EC細(xì)胞極化、蛋白質(zhì)表達(dá)和形態(tài)學(xué)有直接影響(圖5)。雖然一個(gè)主要的研究領(lǐng)域是了解靜態(tài)流動(dòng)導(dǎo)致生理EC，但另一個(gè)研究領(lǐng)域是研究紊亂的流動(dòng)狀態(tài)如何導(dǎo)致動(dòng)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(xì)胞極化、蛋白質(zhì)表達(dá)和形態(tài)
*
應(yīng)用實(shí)例3：解讀線粒體
在內(nèi)皮細(xì)胞健康中的作用
Hong等人2022 [7]的這項(xiàng)工作，研究了了線粒體在維持內(nèi)皮細(xì)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(dòng)的區(qū)域增加，而細(xì)長(zhǎng)的線粒體在單向流動(dòng)的區(qū)域占主導(dǎo)地位。這表明流動(dòng)模式對(duì)線粒體融合/分裂事件有深遠(yuǎn)的影響，影響內(nèi)皮細(xì)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(dòng)模式相關(guān)的動(dòng)力學(xué)。
總之，這項(xiàng)研究表明，流動(dòng)對(duì)內(nèi)皮細(xì)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。
了解更多關(guān)于流動(dòng)條件下的細(xì)胞培養(yǎng)可點(diǎn)擊查看
炎癥中的內(nèi)皮細(xì)胞
全身炎癥對(duì)內(nèi)皮細(xì)胞以及內(nèi)皮細(xì)胞如何與其他細(xì)胞相互作用有直接影響。一般來說，由內(nèi)皮細(xì)胞形成的屏障會(huì)變得更容易泄漏[8]，并且諸如免疫細(xì)胞滾動(dòng), 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(xì)胞，以及內(nèi)皮細(xì)胞如何與其他細(xì)胞相互作用。例如，諸如免疫細(xì)胞滾動(dòng)、趨化性和跨內(nèi)皮遷移等過程在炎癥期間升高。
*
應(yīng)用實(shí)例4：
研究導(dǎo)致動(dòng)脈粥樣硬化的因素
在Forde等人2020[9]的一項(xiàng)研究中，研究了促動(dòng)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(duì)人主動(dòng)脈內(nèi)皮細(xì)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(dá)向抗氧化方向轉(zhuǎn)變，從而具有血管保護(hù)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(duì)內(nèi)皮細(xì)胞具有動(dòng)脈粥樣硬化保護(hù)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(dòng)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(jìn)動(dòng)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(xì)胞以及體外研究?jī)?nèi)皮細(xì)胞的意義。我們旨在了解內(nèi)皮細(xì)胞在不同生理環(huán)境中的作用，這使我們能夠認(rèn)識(shí)到，不僅內(nèi)皮細(xì)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(jìn)行研究，體外研究為單獨(dú)通過體內(nèi)實(shí)驗(yàn)探索具有挑戰(zhàn)性或不可能的過程提供了有價(jià)值的見解。通過研究各種機(jī)制和過程，如血管生成、屏障形成、血流不足和炎癥，我們強(qiáng)調(diào)了體外研究的價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
[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.