血管是人體內的重要運輸網絡，負責為組織輸送氧氣和營養(yǎng)物質，清除代謝廢物，并維持體內環(huán)境的平衡。人體中分布著錯綜復雜的血管網絡，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，相當于地球赤道周長的兩倍以上。然而，這個龐大網絡的形成背后，是一個更為復雜且精妙的生物學過程——血管生成（Angiogenesis）。

在血管生成的過程中，內皮細胞起著關鍵作用，負責從零開始構建血管結構。從一個內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)調節(jié)。本文將帶您深入了解這一從微小細胞到生命之網的奇妙過程。
 

圖1 實時成像儀拍攝下的人類淋巴管內皮細胞（左：熒光,右：明場）

一、內皮細胞的激活與響應：血管生成的起點 
 

內皮細胞是構成血管內壁的單層細胞，屬于一種特殊的上皮細胞類型。它們鋪展在血管的最內層，直接與血液接觸，形成了一層薄而連續(xù)的屏障。盡管內皮細胞看似簡單，卻在維持血管健康和功能中發(fā)揮著至關重要的作用。

 

血管生成始于內皮細胞對外部信號的感知。生長因子（如血管內皮生長因子，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與內皮細胞表面的受體結合，啟動一系列信號通路，使得內皮細胞進入激活狀態(tài)。

 

然而，內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的調節(jié)。如果激活過程不夠精確，可能會導致異常的血管生成，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：內皮細胞的旅程
 

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

圖3 內皮細胞遷移是血管生成的標志之一，也是血管生成級聯(lián)反應的早期步驟之一。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，以便“打通”前進的道路。同時，細胞協(xié)調自身增殖，確保有足夠的細胞參與新生血管的形成。在此過程中，VEGF（血管內皮生長因子）和纖維連接蛋白質等分子具有重要的引導作用。

 

如果血管內皮細胞遷移失控，可能導致血管生成異常，例如形成紊亂的血管網絡或血管外延長。

 
三、血管結構的成型：從單細胞到管狀結構
 

當足夠多的內皮細胞匯聚到位后，它們會開始相互連接，形成管狀結構，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鍵。

 

管腔化是內皮細胞之間高度協(xié)調的過程。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生的血管生成刺激方向遷移；然后內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；內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構仍然脆弱，缺乏支撐，仍需經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）的招募至關重要。血小板源性生長因子（PDGF）和轉化生長因子-β（TGF-β）在這一過程中發(fā)揮引導作用，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構強度，還能調節(jié)血流和血管反應性。細胞外基質的重建和生物信號的調控確保血管具有足夠的彈性和功能性，能夠應對體內的各種壓力變化。
 
此外，新生血管還需與現(xiàn)有的血管網絡對接，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)境的調控決定了血管能否真正“上線”并有效運行。
 
五、從科學到臨床：血管生成研究的未來機遇與挑戰(zhàn) 

血管生成是生物學中的重要過程，同時對醫(yī)學也具有關鍵意義。深入理解和調控這一過程，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，均依賴于對內皮細胞及其調控網絡的了解。
 
然而，血管生成是一個復雜的生物過程，受到多種因素的調控，包括細胞類型、微環(huán)境和信號穩(wěn)定性；同時，盡管基礎研究取得了進展，但將這些發(fā)現(xiàn)轉化為臨床應用仍然面臨障礙，特別是在臨床試驗的設計和執(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，從而限制研究結果的臨床轉化。
 
但在現(xiàn)代成像技術（如成像儀和共聚焦顯微鏡）的輔助下，活細胞成像技術（如實時成像儀、熒光顯微鏡、共聚焦顯微鏡）能夠實時監(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，通過標記內皮細胞，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，了解它們如何響應血管生成信號。
 

圖5 CNP 在 ROS 損傷條件下對內皮細胞的體外修復。A) 內皮細胞攝取 FITC 結合的 CNP。細胞幾乎完全在 4 小時內被細胞完全內化（約 97%）（n = 3）。B) H2O2 條件下 CNP 清除細胞內 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。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 介導的根據活/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)觀察管狀結構的形成（n = 5），并使用 Image J 分析拍攝后 10 小時的圖像。


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