揭示體內(nèi)平衡和疾病期間動脈內(nèi)皮細(xì)胞生成和周轉(zhuǎn)的動力學(xué)

內(nèi)皮細(xì)胞(EC)的生成和自我增殖的更新有助于血管的修復(fù)和再生。準(zhǔn)確測量EC生成動力學(xué)的能力將促進(jìn)人們對血管穩(wěn)態(tài)和疾病的細(xì)胞機(jī)制的理解。然而，目前評估EC在大血管(如動脈)中產(chǎn)生的動力學(xué)是具有挑戰(zhàn)性的，因為它們很少增殖。

該研究揭示了體內(nèi)平衡和疾病期間動脈內(nèi)皮細(xì)胞生成和周轉(zhuǎn)的動力學(xué)。遺傳增殖追蹤顯示，在體內(nèi)平衡狀態(tài)下，成年小鼠每月約有3%的主動脈內(nèi)皮細(xì)胞發(fā)生增殖。主動脈EC分裂的方向通常與主動脈內(nèi)的血流平行，這是由機(jī)械傳感蛋白Piezo1調(diào)節(jié)的。

單細(xì)胞RNA測序分析顯示4個異質(zhì)的主動脈EC亞群具有不同的增殖活性。EC集群1表現(xiàn)出轉(zhuǎn)運(yùn)擴(kuò)增細(xì)胞的特征，具有優(yōu)先增殖能力和豐富的干細(xì)胞標(biāo)志物如Sca1和Sox18的表達(dá)。高血壓患者EC增殖增加，而2型糖尿病患者EC增殖減少，這與EC簇1增殖程度的變化一致。結(jié)合基因敲除和增殖示蹤發(fā)現(xiàn)Hippo/血管內(nèi)皮生長因子受體2信號通路調(diào)節(jié)大血管內(nèi)皮細(xì)胞增殖?？傊z傳增殖追蹤定量描述了EC生成和周轉(zhuǎn)的動態(tài)，以及EC分裂方向，在穩(wěn)態(tài)和疾病期間的大血管。在體內(nèi)平衡和2型糖尿病期間，主動脈中的EC亞群表現(xiàn)出更強(qiáng)勁的細(xì)胞增殖，這表明它是血管修復(fù)和再生的潛在治療靶點。

嚴(yán)重的內(nèi)皮細(xì)胞(EC)損傷和喪失可導(dǎo)致多種心血管疾病，如動脈粥樣硬化、高血壓和糖尿病的嚴(yán)重肢體缺血。新一代內(nèi)皮細(xì)胞通過內(nèi)皮祖細(xì)胞(EPCs)的增殖或分化，為促進(jìn)血管修復(fù)和組織再生提供了基礎(chǔ)。20世紀(jì)90年代，EPCs從人類外周血中分離出來，并被提議在體外分化為EC。然而，一項研究報道骨髓不是循環(huán)EPCs的起源，這表明內(nèi)源性新血管形成是由組織內(nèi)的內(nèi)皮細(xì)胞驅(qū)動的，而不是通過循環(huán)的貢獻(xiàn)。盡管有報道稱，成年小鼠心肌梗死后，間充質(zhì)細(xì)胞或成纖維細(xì)胞參與了內(nèi)皮細(xì)胞的形成，但一項使用特定遺傳工具的研究同樣表明，間充質(zhì)細(xì)胞幾乎不參與內(nèi)皮細(xì)胞的形成，新生血管的形成主要是由先前存在的內(nèi)皮細(xì)胞的增殖介導(dǎo)的。因此，在血管修復(fù)和新血管形成過程中，組織內(nèi)內(nèi)皮細(xì)胞的增殖是新內(nèi)皮細(xì)胞生成的主要途徑。盡管EC會增殖以補(bǔ)償其在日常磨損中的損傷和損失，但由于不同EC亞群之間基因表達(dá)和功能的異質(zhì)性，它們的代數(shù)并不相等。近半個世紀(jì)前，一項開創(chuàng)性的研究使用甲基-3H胸腺嘧啶檢測了內(nèi)皮細(xì)胞在穩(wěn)態(tài)期間增殖的EC克隆或復(fù)制的EC聚集，并早提出了EC在主動脈增殖和轉(zhuǎn)換方面的異質(zhì)性。譜系追蹤研究再次證實，內(nèi)皮細(xì)胞的克隆擴(kuò)增有助于損傷后血管的修復(fù)和再生。體外細(xì)胞集落形成實驗、細(xì)胞移植和遺傳譜系追蹤研究表明，側(cè)群細(xì)胞c-kit、Procr、Peg3/Pw1、CD157、 SoxF或Sca1代表或標(biāo)記了在培養(yǎng)或損傷后優(yōu)先擴(kuò)增的組織常駐EPCs。單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組分析揭示了主動脈中幾個功能不同的EC亞群，并確定了從血管內(nèi)祖細(xì)胞到分化的EC的層次結(jié)構(gòu)。除了基礎(chǔ)穩(wěn)態(tài)外，運(yùn)動誘導(dǎo)的血管生成主要依賴于代謝引發(fā)的ATF3/4+ EC亞群的增殖這些先前的研究為內(nèi)皮細(xì)胞在基因表達(dá)、細(xì)胞增殖和不同功能方面的異質(zhì)性提供了重要信息。然而，由于大血管(如動脈)的增殖率低，目前評估EC生成的動力學(xué)具有挑戰(zhàn)性。由于缺乏對泛EC增殖記錄的公正的遺傳方法，而不是追蹤一個選擇的EC亞群，在穩(wěn)態(tài)和疾病期間動脈中EC轉(zhuǎn)換動力學(xué)的基本信息是缺失的。

EC ProTracer對EC特異性增殖的遺傳記錄血液流動的機(jī)械力是影響血管形態(tài)發(fā)生、發(fā)育和維持血管正常功能的關(guān)鍵因素EC的伸長和重新定向通常與血流引起的剪切應(yīng)力方向平行。剪切應(yīng)力也會引起體外血管EC的增殖盡管體外系統(tǒng)可以模擬不同類型的剪切應(yīng)力，但EC增殖如何受到體內(nèi)復(fù)雜環(huán)境和血流模式的影響尚不清楚。此外，細(xì)胞分裂取向在細(xì)胞命運(yùn)、組織模式和組織以及形態(tài)發(fā)生中起著重要作用。機(jī)械力調(diào)節(jié)細(xì)胞分裂方向。然而，尚不完全清楚血流剪切應(yīng)力作為一種機(jī)械力是否會影響體內(nèi)EC增殖和成人組織中的細(xì)胞重排。該研究使用內(nèi)源性ki67基因生成遺傳增殖示蹤劑(ProTracer) 來研究EC在主動脈和下腔靜脈(IVC)中隨時間的體內(nèi)增殖。研究結(jié)果表明，在體內(nèi)平衡狀態(tài)下，成年小鼠每月約有3%的主動脈內(nèi)皮細(xì)胞發(fā)生增殖。結(jié)合EC增殖追蹤和單細(xì)胞RNA測序(scRNA-seq)分析，作者在成年小鼠主動脈中發(fā)現(xiàn)了一個高度增殖的EC亞群，該亞群富含干細(xì)胞基因Sca1和Sox18的表達(dá)。這種EC亞群在2型糖尿病中優(yōu)先擴(kuò)大，但在高血壓中沒有，在疾病條件下增殖率發(fā)生改變。此外，通過將Dre-rox介導(dǎo)的基因敲除與ProTracer同時結(jié)合，發(fā)現(xiàn)EC在主動脈和IVC中的增殖受Hippo/血管內(nèi)皮生長因子受體2信號通路的調(diào)控。因此，EC簇1的高增殖活性在2型糖尿病和高血壓中發(fā)生改變，為治療這些疾病的內(nèi)皮損傷提供了新的治療靶點，該研究揭示動脈中EC增殖的調(diào)節(jié)機(jī)制為支持新療法的發(fā)展提供了新的見解，以增強(qiáng)血管修復(fù)和再生。