內皮細胞(Endothelial Cells)是構成血管內壁的單層扁平上皮細胞,形態(tài)呈多邊形,細胞的邊緣呈鋸齒狀并相互嵌合,覆蓋于動脈、靜脈和毛細血管的內表面,形成血液與周圍組織之間的機械屏障。作為血管系統(tǒng)的核心功能單元,內皮細胞在基礎研究、疾病模型構建、臨床診斷和藥物篩選等方面具有廣泛的應用價值。
本期細胞學堂將為您詳細介紹內皮細胞的結構、功能及分離培養(yǎng)步驟,幫助您快速了解內皮細胞,順利展開相關實驗。
01#
內皮細胞類型的模塊化分布
內皮細胞并非單一類型,而是根據(jù)血管功能與組織需求分化為不同亞型,形成模塊化分布格局。
連續(xù)型內皮細胞(Continuous Endothelium)
結構特點:
基底膜連續(xù),細胞間通過緊密連接(如Claudin、Occludin蛋白)形成完整的選擇性屏障。脂溶性小分子可自由擴散,而親水性小分子和水則依賴特定的轉運機制(如水通道蛋白)通過。
細胞間連接緊密,細胞間隙約為12 ?,大部分物質運輸依賴跨細胞轉運機制(如囊泡介導的白蛋白轉運)。
細胞收縮性較弱,細胞骨架肌動蛋白分布相對稀疏,整體形態(tài)穩(wěn)定,通透性極低。
功能:
維持血腦屏障(BBB)、血-視網膜屏障等結構完整,保護中樞神經系統(tǒng)免受毒性物質侵害。
典型分布:
大腦(血腦屏障)、心臟、肺、肌肉、皮膚。
窗孔型內皮細胞(Fenestrated Endothelium)
結構特點:
細胞表面存在直徑約200-1000 ?的窗孔,大部分覆蓋由 PV-1蛋白形成的非膜性隔膜。這種結構增加了細胞對流體和溶質的通透性,但同時限制了大分子通過。
基底膜連續(xù),允許小分子和液體的快速交換。
糖萼層在窗孔型內皮表面較為稀疏,其殘留結構仍可能參與微環(huán)境的調節(jié)和溶質交換的選擇性控制。
功能:
參與物質高效濾過(腎小球)、激素分泌(胰島毛細血管)和營養(yǎng)吸收(胃腸道黏膜)。
主要分布:
腎臟(腎小球)、內分泌腺(如胰島)、胃腸道黏膜。
不連續(xù)型/竇狀內皮細胞(Discontinuous/Sinusoidal Endothelium)
結構特點:
基底膜不連續(xù)或缺失,細胞間間隙較大,可達0.1-1 μm。這種結構支持大分子(如脂蛋白)和血細胞跨內皮轉運,使其能夠進入實質組織。
細胞間連接較松散,可在局部信號(免疫分子、機械應力)影響下調節(jié)血管孔隙大小,參與動態(tài)過濾功能。
功能:
高通透性結構支持大分子和血細胞交換,并在肝臟等器官中承擔免疫清除與調節(jié)功能。
主要分布:
肝臟、脾臟、骨髓等器官的血竇系統(tǒng)。
02#
內皮細胞功能模塊化體系
不同組織中的內皮細胞通過調整連接方式的組成和比例,適應其特定的生理需求,從而維持血管系統(tǒng)的正常功能。
連接方式
緊密連接
由跨膜蛋白(如Occludin、Claudin)與胞質錨定蛋白(如ZO-1)形成選擇性屏障,限制細胞間隙中溶質的被動擴散,在血腦屏障等關鍵部位發(fā)揮核心作用。
縫隙連接
由 Connexin 蛋白構成,允許相鄰細胞間直接傳遞離子、小分子及第二信使,實現(xiàn)細胞功能的快速協(xié)同,如鈣信號和代謝物的同步傳播。
黏附連接
通過鈣黏蛋白(如VE-cadherin)與肌動蛋白骨架結合,維持細胞間機械穩(wěn)定性,并參與白細胞黏附與跨內皮遷移,調控炎癥和免疫應答過程。
分子標志物
功能模塊 | 標志分子 |
血管張力調節(jié) | 舒張因子:一氧化氮(NO)、前列環(huán)素(PGI2) |
收縮因子:內皮素-1(ET-1)、血栓素A2(TXA2) | |
凝血與纖溶 | 抗血小板聚集:NO、PGI2 |
纖溶:組織型纖溶酶原激活物(tPA) | |
抗凝:肝素樣糖胺聚糖(Heparan sulfate proteoglycans)、肝素輔因子II(Heparin cofactor II) | |
促凝:血管性血友病因子(vWF)、血小板活化因子(PAF) | |
炎癥與免疫 | 黏附分子:細胞間黏附分子(ICAM-1/VCAM-1) |
抗菌肽:防御素β(Defensin-β) | |
細胞因子:白介素37(IL-37) | |
血管生成與修復 | 促血管生成:內皮生長因子A(VEGF-A)、堿性成纖維細胞生長因子(bFGF) |
促血管修復:血管生成素-1(Ang-1)、轉化生長因子-β(TGF-β) | |
維持血管結構 | 內皮標志物:CD31、鈣粘蛋白(VE-cadherin) |
結構指標:微血管密度(MVD) |
功能響應
物質交換功能
所有類型內皮細胞均參與氧氣、營養(yǎng)物質和代謝廢物交換,依其結構采用跨細胞或旁細胞通道,如連續(xù)型內皮細胞主要跨胞機制(如囊泡介導轉運)實現(xiàn)物質交換。
力學響應性
剪切應力可激活內皮型一氧化氮合酶(eNOS),促進一氧化氮(NO)釋放,以擴張血管,維持血流動力學穩(wěn)態(tài)。
穩(wěn)定的脈動血流能夠抑制炎癥因子表達,防止內皮激活與功能紊亂。
病理可塑性
在氧化應激、炎癥等病理條件下,內皮細胞可發(fā)生功能障礙,表現(xiàn)為通透性增加、黏附分子表達上調等。這些變化參與了動脈粥樣硬化、糖尿病血管病變等多種病理過程。
異質性中的統(tǒng)一性
盡管不同組織器官間內皮細胞結構和功能上存在差異顯著,但它們普遍表達一些共同的標志物(如CD31、VE-cadherin),表現(xiàn)出一定的統(tǒng)一性。
內皮細胞具有極性特征,頂端朝向血腔,基底面通過整合素等受體與基底膜結合,從而維持血管結構的完整性。
03#
內皮細胞的分離提取與培養(yǎng)
以分離人臍靜脈內皮細胞為例,操作步驟如下:
01 血管處理
臍帶采集與清洗
采集新鮮臍帶,用無菌PBS沖洗去除表面血液。
血管識別與分離
沿臍帶縱軸切開,識別單根臍靜脈(其直徑較大、壁薄,與兩條較厚且呈螺旋排列的動脈區(qū)分)。用鑷子進行鈍性剝離,去除周圍結締組織。
血管清洗與封閉
為防止殘留紅細胞和凝血-塊影響后續(xù)操作,用預冷PBS反復灌洗血管至流出液清澈(通常需5-8次)。隨后,用無菌手術夾封閉血管一端,另一端連接注射器,形成封閉系統(tǒng)以控制酶處理范圍。
02 消化與收集
將HUVEC專用消化酶緩慢注入血管,確保內腔充盈。隨后將血管置于37℃孵育10-15 min(注意:孵育時間不宜過長,否則易導致細胞死亡)。消化結束后,為防止消化液流出受阻,先用鈍頭針頭疏通血管下端流出口,隨后松開下端手術鉗,消化液流入一個含有內皮細胞完-全培養(yǎng)基的50 mL 無菌離心管中,再用完-全培養(yǎng)基沖洗血管內腔,收集洗脫液。將收集液以150 × g離心5 min,離心結束后,分離的內皮細胞聚集于離心管底部。小心棄去上清液,避免擾動細胞沉淀。
03 接種與傳代
用完-全培養(yǎng)基重懸細胞,并將細胞接種到預涂纖維連接蛋白、明膠或基底膜基質的培養(yǎng)瓶,促進內皮細胞貼壁和鋪展,培養(yǎng)24-48 h后觀察細胞貼壁情況,換液后可見典型“單層扁平排列樣”內皮細胞形態(tài)。
04 常見問題與解決方案
問題 | 可能原因 | 解決方案 |
細胞得率低 | 酶消化不充分 | 優(yōu)化消化酶濃度,延長孵育時間 |
成纖維細胞污染 | 血管外膜未徹-底剝離 | 鈍性分離時避免損傷血管中膜 |
細胞貼壁率低 | 基質涂層不均勻 | 預涂纖維連接蛋白 |
細胞提前衰老 | 傳代次數(shù)過 | 限制傳代(≤5代) |
氧化應激反應 | 添加抗氧化劑(如NAC) |
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參考文獻
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