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如何在體外研究心血管系統的內皮細胞
閱讀：905 發布時間：2023-8-28內皮細胞(ECs)是排列在血管內表面的特化細胞，形成連續的單細胞層。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交換中起著至關重要的作用[1]。內皮細胞根據其在循環系統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，我們將探討內皮細胞的功能，重點是心血管系統的內皮細胞。具體而言，我們將研究如何在體外研究內皮細胞在血管生成、屏障形成、血流不足和炎癥方面的作用。
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基礎情況
新血管生長的過程它在發育生物學、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，即從現有血管形成新血管[2]。毫無疑問，血管生成是高度復雜的。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家能夠專注于血管生成過程的特定成分，從而促進更可控和詳細的分析。
圖1. 研究血管生成過程，如血管發芽和趨化性，對于理解腫瘤血管形成至關重要
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應用實例1：闡明間隙連接
在內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。該研究小組發現，在人微血管內皮細胞(HMEC)中，siRNA敲低Cx43可減少細胞遷移(圖2)。從機制上講，研究小組發現Cx43的功能是通過與酪氨酸磷酸酶SHP-2[3]相互作用介導的。
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：內皮細胞遷移和血管生成需要Cx43，而這是由SHP-2介導的。
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屏障形成中的內皮細胞
血管中的內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重要，最著名的是血腦屏障（BBB）。內皮細胞通過多種途徑積極調節化合物轉運，包括細胞旁水性途徑、跨細胞親脂性途徑、受體介導的跨細胞轉運、載體介導的內流和吸附性跨細胞轉運（圖3）
由于其在藥物遞送、藥理學、毒理學和腫瘤學中的重要性，了解EC屏障的功能和機制是一個備受研究的研究領域。
了解EC屏障的功能和機制是一個備受研究的研究領域，因為它在藥物傳遞、藥理學、毒理學和腫瘤學中具有重要意義。
圖3. ECs(品紅色)在屏障形成中起著關鍵作用。圖片來自Kugler等人, 2021 [5]
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應用實例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的實驗挑戰。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。為了應對這些挑戰，研究人員開發了一種堅固、低成本的裝置，將上部通道連接到 ibidi Pump System ibidi泵系統/流體剪切力系統，建立四天的培養基單向循環以模擬生理條件。
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運。此外，ibidi泵系統和µ-Slide具有評估和復制在人體細胞類型(如腸道或腎臟)中發現的屏障的潛力。
建立一個具有調節流動的系統可以在類似體內的條件下研究內皮細胞，這比靜態系統更好地模擬真實的生理狀態。
圖4.在靜態條件下(a)和靜態流動下(b)培養7天的細胞，顯示內皮單層特化。藍色細胞核、綠色F-肌動蛋白、黃色β-連環蛋白粘附連接和紅色ZO-1緊密連接。圖片來自Choublier等人，2021 [6]
流動中的內皮細胞
血流產生的剪應力對EC細胞極化、蛋白質表達和形態學有直接影響(圖5)。雖然一個主要的研究領域是了解靜態流動導致生理EC，但另一個研究領域是研究紊亂的流動狀態如何導致動脈粥樣硬化等疾病。
圖5. 血流產生的剪切應力直接影響細胞極化、蛋白質表達和形態
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應用實例3：解讀線粒體
在內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皮細胞穩態和健康中的作用。研究結果表明，線粒體斷裂在暴露于紊亂流動的區域增加，而細長的線粒體在單向流動的區域占主導地位。這表明流動模式對線粒體融合/分裂事件有深遠的影響，影響內皮細胞的促炎和代謝狀態。研究人員使用了ibidi Pump System ibidi泵系統/流體剪切力系統來研究流動模式相關的動力學。
總之，這項研究表明，流動對內皮細胞的健康有著至關重要的影響，這在一定程度上是由于線粒體的變化。
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炎癥中的內皮細胞
全身炎癥對內皮細胞以及內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, 趨藥性和跨內皮遷移在炎癥期間升高(圖6)。
圖6. 炎癥過程影響內皮細胞，以及內皮細胞如何與其他細胞相互作用。例如，諸如免疫細胞滾動、趨化性和跨內皮遷移等過程在炎癥期間升高。
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應用實例4：
研究導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凋亡誘導配體（TRAIL）對人主動脈內皮細胞（HAEC）的影響。結果表明，在暴露于振蕩剪切應力的HAEC中，TRAIL使基因表達向抗氧化方向轉變，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。這些發現表明TRAIL通過減少氧化應激對內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/流體剪切力系統和ibidi Channel Slide通道玻片建立了促動脈粥樣硬化振蕩剪切應力培養模型，已知振蕩剪切應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中的內皮細胞以及體外研究內皮細胞的意義。我們旨在了解內皮細胞在不同生理環境中的作用，這使我們能夠認識到，不僅內皮細胞的規格和狀態很重要，而且它們的環境也很重要。
通過在受控條件下進行研究，體外研究為單獨通過體內實驗探索具有挑戰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，我們強調了體外研究的價值。
參考文獻
[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.