血管内皮细胞的功能——在血管生长中的作用

      血管生长主要包括血管生成(vasculogenesis）与血管新生(angiogenesis )两种主要方式。血管生成指成血管细胞在血管生长的原位分化为生熟内皮细胞并组织成血管的过程，胚胎早期的新生血管生长主要通过血管生成过程来完成。血管新生是指通过成熟血管内皮细胞分裂增殖、迁移来形成新的血管的过程。
一、内皮细胞在血管生成中的作用
      心血管系统是胚胎发育过程中出现的第一个器官系统。循环系统与血液接触的腔表面来自于中胚层的单层内皮细胞。中胚层干细胞( mesodermal stem cell)分化为成血管细胞(hemangioblast)，并进一步产生造血干细胞( hematopoietic stem cell)和内皮祖细胞 (endothelial progenitor cell, EPC )。内皮祖细胞是一种具有分化为内皮细胞的能力，但还没有获得内皮细胞标志蛋白的干细胞。血管生成是指从成血管细胞形成血管的过程。它发生在胚胎的胚内和胚外。血管生成是一个动态过程， 涉及由生长因子和形态发生原在不同空间和时间上介导的细胞-细胞和细胞-ECM的相互作用。这个过程包括中胚层干细胞分化成内皮祖细胞，以及生长因子诱导的内皮祖细胞形成血岛并分化为血管内皮细胞。
二、内皮细胞在血管新生中的作用
      血管新生分为两种类型，即发芽式血管新生和套叠式血管新生。发芽式血管新生的特点是在 血管内皮生长因子A( VEGFA )等血管生成刺激因子的作用下，生成内皮细胞组成的芽，并因此可以在原先没有血管的组织处增加血管组分。套叠式血管新生是指间质组织通过分裂过程侵入现有血管，形成经血管组织的间柱，扩大血管形成。这两种类型的血管新生发生在几乎所有的组织和器官。
（一）发芽式血管新生
      发芽式血管新生的基本步骤包括：内皮细胞激活，基底膜降解，内皮细胞迁移到组织间质，分裂，增生，细胞相互连接形成新的管腔，随后新的基底膜形成，局部毛细血管网剪切并重构。发芽式血管新生通常在灌注不良的组织中发生，此时氧传感机制检测到缺氧，需要形成新的血管间质细胞，以满足新陈代谢的要求。大多数类型的间质细胞(肌细胞、肝细胞、神经元、星形胶质细胞等)可以对缺氧环境产生反应并分泌VEGFA，VEGFA介导内皮尖细胞( endothelial tip cell)产生毛细血管芽。尖细胞的丝状伪足分泌大量的蛋白水解酶，消化附近的ECM。尖细胞的丝状伪足上有大量VEGFA受体VEGFR2，使它们能够“感觉” VEGFA的浓度差异，并顺应VEGFA的浓度梯度而伸展。当有足够数量的尖细胞丝状伪足锚定时，丝状伪足内的微丝就会收缩并将尖细胞拉向VEGFA分泌源。随后血管内皮柄细胞(stalk cell)增殖，造成毛细血管芽伸长。液泡( vacuoles )增多和聚集形成了包含大量柄细胞的管腔，这些柄细胞成为新生毛细血管的枝干。当两个或更多个毛细血管芽的尖细胞到达VEGFA的分泌源后，尖细胞将融合在一起形成连续的管腔从而使含氧的血液可以流入。当局部组织获得足量的氧气，VEGFA的水平恢复到接近正常。
（二）套叠式血管新生
      套叠式血管新生是由一个血管分裂产生两个管腔，因此也被称为分裂式血管新生。因为它只需将已经存在的内皮细胞重组而并不依赖于内皮细胞的增殖或迁移，因此这种血管生成与发芽式血管新生相比更加快速和有效。套叠式血管新生主要是在现有毛细血管区域生成新的毛细血管，可发生在任何发育阶段，尤其在生长迅速但原料有限的胚胎血管发生中有重要作用。在成年机体中，这种血管新生主要发生在毛细血管网密集的区域，如腺体周围血管网、肠黏膜、肾、卵巢、子宫等。
三、血管新生中重要的生长因子
（一）血管内皮生长因子
      血管内皮生长因 子 ( VEGF)早期亦称作血管通透因子，是血管内皮细胞特异性的肝素结合生长因子，可在体内诱导血管新生。人的VEGF蛋白于1989年成功克隆与鉴定。现已知VEGF有六个亚型 (isoform )：VEGFA、 B、C、D、E和F；其分子量为35000~44000不等，每个亚型选择性地与三个血管内皮生长因子受体( VEGFR1、2 和3 )以特定组合相结合。VEGF可改变内皮细胞基因的活化形式，诱导内皮细胞表达蛋白水解酶、间质胶原酶和组织因子来促进血管新生。VEGF还能增强血浆酶原活化因子的活性，提高血浆酶原活化因子和血浆酶原活化因子抑制因子mRNA的水平，促进细胞外蛋白水解，有利于毛细血管的生成。
      成体创伤愈合过程中必定有肉芽组织形成，毛细血管是肉芽组织的重要组成成分，毛细血管生成的时间、数量及质量会直接影响到创伤愈合的结局。在皮肤损伤愈合过程中，新形成的上皮 角化细胞内VEGF mRNA明显升高，而且在肉芽组织的内皮细胞和损伤的边缘，VEGFR1 的表达也明显升高，表明角化细胞来源的VEGF能通过旁分泌作用刺激血管新生。糖尿病小鼠伤口部位VEGF mRNA的表达较正常小鼠的水平明显降低，创面血管生成减少导致愈合障碍。同时，VEGF自身也受到许多细胞因子和胞外因子以及缺氧、低血糖等因素的调控。
（二）血管生成素
      尽管VEGF在血管新生中起着重要的作用，但VEGF必须与其他生长因子协同作用完成功能性新生血管的形成，血管生成素(angiopoietin, Ang )是其中最重要的一类因子。Ang是-族分泌型的生长因子，该家 族主要由Angl、Ang2、 Ang3和Ang4这4种因子组成。Angl基因定位于8p22，分子量约70000，由498个氨基酸组成，含3个结构域， 从N端起100个氨基酸为第一结构域， 无同源性；第100~280氨基酸为第二结构域，呈螺旋状盘绕，具有分泌型信号肽的典型特征；第 280 ~ 496氨基酸是第三结构域，其空间排列方式与胶原蛋白家族极为相似，称为胶原蛋白样片段L3j。Ang1是作为Tie2的内源性天然配体而发现。由于Tie2特异性表达在血管内皮细胞的特性，决定了Angl主要作用在内皮细胞。与VEGF不同的是，Ang1不能诱导血管内皮细胞的分裂增殖及血管新生。但它在内皮之间、内皮与支持细胞和基质之间的相互作用以及在功能性血管的成熟过程中起着重要的“允许作用”。在胚胎发育过程中，敲除Ang1或Tie2可以形成基本正常的初级血管网，但该血管网不 能发生进一步重构。Angl 与Tie2结合后，引起受体自身的酪氨酸激酶磷酸化，调控内皮细胞的功能、血管的通透性以及新生血管的稳定性。Ang2也可与Tie2结合，但不能激活Tie2受体，相反起着拮抗受体的作用。
四、内皮祖细胞与血管新生
      在血管新生及损伤修复过程中，既有成熟的血管壁细胞增殖、迁移、表型转化，也有源自血管或血管外的干细胞/祖细胞参与。骨髓间充质形成的原始血管由内皮细胞的前体细胞衍生而来，这种内皮前体细胞称为内皮祖细胞 (EPC)，是一群具有游走特征的、能够自我更新和增殖分化的定向干细胞。除了动员骨髓干细胞的产生，在血管外膜和血管内膜下以及血管生发带的间质中亦存在着成年或“宿住型”干细胞。在血管缺氧、损伤等危险因素的刺激下，这些血管壁内的干细胞可以分化成内皮祖细胞和内皮细胞、平滑肌干细胞和平滑肌细胞以及各种间质细胞等，具有多重功能和极强可塑性，它们在血管生成、损伤修复、血管再塑、炎症免疫中起着重要作用。
      EPC与造血干细胞共同起源于胚胎期胚外中胚层的血岛，二者还具有很多共同的细胞表面抗原，例如VEGFR2、Tie2、CD34等，因此，推测它们起源于共同的前体细胞——造血/成血管细胞(hemangioblast )。在出生之后，EPC和造血干细胞及间质干细胞一样定居于骨髓，从骨髓中释放，并在外周血循环中运行。内皮细胞分化早期阶段表达的这些细胞表面分子如VEGFR2、Tie2和CD34，可以作为EPC和造血干细胞的标志物。成熟内皮细胞也有CD34和VEGFR2抗原的低水平表达。EPC的功能主要体现为其能在一定条件下，在机体缺血区、组织损伤部 位形成新生血管。EPC 在心肌及肢体缺血恢复、内皮损伤修复及肉芽形成等过程中起重要作用。