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如何在體外研究心血管系統(tǒng)的內(nèi)皮細(xì)胞

更新時(shí)間:2023-08-28   點(diǎn)擊次數(shù):984次


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內(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。

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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(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,對于理解腫瘤血管形成至關(guān)重要

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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] 


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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]

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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(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)流動的系統(tǒng)可以在類似體內(nèi)的條件下研究內(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(xì)胞

血流產(chǎn)生的剪應(yīng)力對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)流動導(dǎo)致生理EC,但另一個(gè)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(xì)胞極化、蛋白質(zhì)表達(dá)和形態(tài)

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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

圖片

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的區(qū)域增加,而細(xì)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(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)來研究流動模式相關(guān)的動力學(xué)。


總之,這項(xiàng)研究表明,流動對內(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)胞形成的屏障會變得更容易泄漏[8],并且諸如免疫細(xì)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(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、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(shí)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(xiàng)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(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)激對內(nèi)皮細(xì)胞具有動脈粥樣硬化保護(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)胞以及體外研究內(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.


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[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.


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[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.


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