内皮细胞力学生物学中基质和流动衍生应力的整合研究
内皮细胞力学生物学中基质和流动衍生应力的整合研究
在生物医学领域，内皮细胞（ECs）的机械生物学研究对于理解血管健康和疾病至关重要。内皮细胞不仅构成血管内皮，还不断受到来自血液流动和血管壁的复杂机械应力的调节。这些机械应力包括基质衍生的生物物理线索（如地形、曲率和刚度）以及流动衍生的应力（如剪切应力、压力和张力）。这些应力在血管生理和病理中起着关键作用，影响内皮细胞的结构和功能。
这篇文章的核心内容是探讨内皮细胞（ECs）如何响应基质和流动衍生的机械应力，这些应力在血管生理和病理中起着重要作用。文章详细讨论了内皮细胞对基质衍生的生物物理线索（如地形、曲率和刚度）以及流动衍生的应力（如剪切应力、压力和张力）的反应，并探讨了这些机械线索如何在体内同时作用于内皮细胞，以及内皮细胞如何整合和解释这些多种机械刺激。
背景知识
内皮细胞覆盖在所有血管内，受到大的机械应力的调节，这些应力对其结构和功能在健康和疾病中都有重要影响。血管系统中，内皮细胞位于血液和血管壁的交界处，不断受到复杂且动态的机械应力。这些机械环境可以分为两类：接触应力（来自基质的物理特征）和流体衍生应力（由于血流产生）。
图 1：脉管系统内存在的生物物理力的总结。
研究方法
文章通过回顾实验平台和模型系统，分析了内皮细胞如何响应不同的机械刺激。这些平台包括体外实验，如微流控芯片、拉伸装置等，用于模拟体内环境中的机械应力。研究者们还使用了原子力显微镜（AFM）等技术来测量内皮细胞基底膜的弹性模量。
实验结果
基质衍生的生物物理线索
地形：内皮细胞对基质的纳米和微观地形有响应，表现出在沟槽方向上的迁移、排列和伸长。细胞内肌动蛋白丝、微管和粘着斑的排列也与之对应。
曲率：内皮细胞对基质的曲率有响应，表现出在曲率方向上的排列和伸长，但在高曲率下迁移速度降低。
刚度：内皮细胞在较硬的基质上更圆、更少铺展，与之相关的细胞内粘着斑和肌动蛋白应力纤维也更少。在较硬的基质上，内皮细胞更收缩，表现出更大的牵引力。
图 2：内皮细胞和相关实验模型系统经历的底物衍生线索。
流动衍生的机械线索
- 剪切应力：内皮细胞对剪切应力的响应表现为细胞形态和细胞骨架的重组，包括细胞的伸长和排列。稳态流动导致细胞在流动方向上的排列，而扰动流动导致细胞形状更圆、排列更随机。
图 3：内皮细胞 (EC) 所经历的流动诱导剪切应力的特征。
压力：血压对内皮细胞施加正压力，影响细胞形态、细胞骨架组织和血管功能。生理压力下，内皮细胞增殖增加，而病理压力下，内皮细胞退化和凋亡。
张力：血管中的张力可以是轴向的，也可以是由于跨壁压力差导致的周向张力。内皮细胞对张力的响应表现为细胞的伸长和排列，与张力方向垂直。
图 4：内皮细胞所经历的拉应力的特征。
关键结论
内皮细胞能够感知和整合来自基质和流动的多种机械线索，这些线索在体内是耦合的，并同时作用于内皮细胞。
内皮细胞对机械刺激的响应是动态的，取决于刺激的类型、大小、方向和时间模式。
机械线索的整合对于血管功能的调节至关重要，影响血管的稳态、炎症反应和血管生成。
体外实验平台的发展为研究内皮细胞的机械生物学提供了新的工具，有助于更好地理解内皮细胞如何响应机械力，并为开发新型的血管内植入物提供指导。
研究意义
这篇文章不仅增进了我们对内皮细胞如何响应机械应力的理解，还为开发新型的血管内植入物和治疗血管疾病提供了重要的理论基础。通过理解这些基本机制，可以开发出更符合生理条件的生物材料，用于再生医学和组织修复。