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在《Science Advances》期刊发表的这篇文章中，来自俄勒冈健康与科学大学的科研团队探讨了围血管细胞在血管毛细血管机械和结构变化中的关键调节作用。慢性和炎症性疾病的特征之一是纤维化和僵硬的细胞外基质（ECM）的形成，这通常与异常、渗漏的微血管毛细血管有关。然而，微血管如何响应ECM改变的机制仍不清楚。研究者们使用了一种模拟健康或纤维化胶原特征的芯片上的微生理模型，测试了围血管细胞是否介导了人类ECM中血管毛细血管对机械和结构变化的响应。
这项研究探讨了围血管细胞（PCs）在血管毛细血管对细胞外基质（ECM）机械和结构变化的响应中所扮演的关键角色。研究团队利用一种微生理模型来模拟健康和纤维化胶原的特性，发现PCs在异常胶原环境中表现出异常迁移、分化减少、渗漏增加以及炎症和重塑基因的高调节，这些变化主要通过已知的内皮细胞与围血管细胞通信的介质NOTCH3进行调控。相反，仅由内皮细胞构成的毛细血管或在PCs中沉默NOTCH3表达的毛细血管对ECM的变化反应较小。这些发现揭示了一个先前未知的机制，即血管如何响应健康和疾病状态下ECM的变化。
研究指出微血管的稳态维持是通过内皮细胞（ECs）、围血管细胞（PCs）与细胞外基质（ECM）之间的动态相互作用来实现的。胶原蛋白I型是人类ECM中最丰富的蛋白质，其微观结构和力学特性对维持组织功能和推动疾病进展至关重要。随着年龄增长、慢性炎症疾病、纤维化以及癌症促进性基质的出现，胶原蛋白的刚度增加和束状结构成为ECM改变的标志特征。这些病理状态通常伴随着血管毛细血管结构和功能的改变，包括渗漏性增加、形态异常和重塑失调。尽管已有大量研究探讨了ECs和PCs对不同生物材料的反应，但具体调节血管毛细血管对ECM变化反应的机制仍不清楚。因此，理解基质微观结构和力学与人类微血管之间的相互作用具有广泛的意义。
微血管对ECM变化的反应机制：研究通过微生理模型模拟健康和纤维化胶原蛋白的特性，揭示了围血管细胞（PCs）在血管毛细血管对人类细胞外基质（ECM）机械和结构变化的反应中起关键调节作用。研究发现，在纤维化胶原蛋白中构建的毛细血管表现出异常的围血管细胞迁移、减少的周细胞分化、增加的漏出和更高的炎症/重塑基因调控，这些都通过已知的内皮-围血管细胞通信介质NOTCH3进行调节。单独使用内皮细胞或沉默NOTCH3表达的围血管细胞构建的毛细血管对ECM变化的反应最小。
围血管细胞在血管结构和功能中的作用：研究表明，围血管细胞在胶原蛋白的刚度和微结构变化中调节血管形态和功能。围血管细胞在刚性束状胶原蛋白中导致血管形态的显著变化，表现为更大的血管直径和更不规则的血管形态。此外，围血管细胞在刚性束状胶原蛋白中调节与炎症和重塑相关的基因表达，表明围血管细胞在血管对ECM变化的反应中起着关键作用。
该研究为理解微血管在慢性和炎症性疾病中的适应性变化提供了新的视角，并指出了围血管细胞可能在这些过程中扮演的关键角色及其潜在的临床应用价值。
1. 疾病理解和治疗：该研究揭示了围血管细胞在慢性和炎症性疾病中对ECM变化的反应机制。理解这一机制对于开发针对纤维化和炎症相关疾病的新治疗靶点具有重要意义。2. 抗血管生成治疗：围血管细胞在疾病条件下的异常行为可能成为抗血管生成治疗的重要靶点，例如在癌症和纤维化疾病中，通过干预围血管细胞的功能可以潜在地减缓疾病进展。3. 再生医学应用：了解围血管细胞如何调节血管反应可以帮助设计更有效的组织工程和再生医学策略，以改善组织修复和再生。
1. 微生理模型设计：研究团队使用了一个微流控设备，设计了一个由单一通道组成的芯片模型。该通道被聚二甲基硅氧烷（PDMS）模具内铸造的I型胶原包围。通过调节胶原凝胶化的温度（4°，16°，21°和37°C），控制胶原纤维的刚度和微结构。
2. 胶原基质的制备：胶原基质由I型胶原、磷酸盐缓冲液、NaOH及内皮细胞生长培养基组成，以不同的温度进行聚合，模拟从健康到纤维化的ECM变化。
3. 细胞共培养：在微流控设备中共培养人脐静脉内皮细胞（HUVECs）和人骨髓间充质干细胞（hMSCs），以4:1的比例进行混合。在24小时内，细胞在胶原基质内形成内皮化的毛细血管。
4. 机械和结构特性评估：通过扫描电子显微镜（SEM）观察胶原纤维的结构，并使用原子力显微镜（AFM）测量单个纤维的弹性模量，以评估基质的机械属性。
5. 基因表达分析：使用NanoString技术分析了在不同刚度胶原基质中培养的毛细血管的基因表达，特别是关注与炎症和重塑相关的基因（如CXCL8、TIMP1、COL3A1）。
6. 信号通路研究：通过siRNA技术沉默NOTCH3基因，探讨PCs通过NOTCH3介导的旁分泌和邻接通讯在ECM变化中的作用。
数据解读
图1为了在芯片上构建具有不同胶原蛋白刚度和微观结构的血管周围支撑毛细血管，研究者进行了设备工程和胶原蛋白特性表征。
A. 通过示意图展示了在芯片上构建血管周围支撑毛细血管的步骤，强调了不同胶原蛋白刚度和微观结构的工程设计。B. 通过二次谐波生成图像展示了胶原纤维在较低温度下逐渐变得更厚和更捆绑的过程，这种变化是可控的。C. 通过扫描电子显微镜图像展示了在不同温度下纤维形成后的胶原网格，显示了从柔软的网状结构到刚硬的捆绑结构的渐变。D. 改变纤维形成温度并未改变整体模量，但导致单根胶原纤维的平均弹性模量从4.7 kPa变化到27.7 kPa，同时胶原纤维逐渐捆绑，孔隙分布变得不均匀。结论：通过调节纤维形成温度，可以在不改变整体模量的情况下，控制胶原纤维的厚度和捆绑程度，从而影响单根胶原纤维的弹性模量和孔隙分布。
图2对不同胶原硬度和微观结构下的工程化毛细血管进行了表征，以探讨胶原特性对血管形态和细胞行为的影响。
A, C. 通过对仅含内皮细胞的工程化毛细血管进行观察，发现无论胶原的硬度和微观结构如何，这些毛细血管都呈现出相似的形态。B, D. 在硬束状胶原中引入周细胞后，毛细血管的形态变得更加破碎，并且出现了向外迁移的细胞。E-L, T. 在软网状和硬束状胶原中构建的毛细血管均显示出血管新生的芽生现象。然而，只有在软网状纤维中构建的毛细血管具有周细胞覆盖。M-O. 在软网状胶原中构建的毛细血管显示出丰富的周细胞覆盖，而在硬束状胶原中的血管结构则与内皮壁关联的NG2阳性细胞较少。结论：胶原的硬度和微观结构显著影响工程化毛细血管的形态和细胞行为，软网状胶原有助于周细胞的覆盖，而硬束状胶原则限制了这种覆盖。
图3研究了不同条件下血管的细胞连接、基底膜和屏障功能的变化。
A-D. 为了研究毛细血管中PECAM-1的表达，作者对仅含内皮细胞（ECs）的毛细血管和在软性网状胶原中含有周细胞（PCs）的毛细血管进行了比较。结果显示，尽管仅含内皮细胞的毛细血管中PECAM-1的表达水平相当，但在含有周细胞的毛细血管中，PECAM-1的表达增加。E-F. 为了研究p-pax在不同胶原环境中的表达，作者对刚性胶原中构建的血管进行了检测。结果表明，在刚性胶原中构建的血管中，p-pax的表达过高。G-J. 为了研究层粘连蛋白（LAM）的表达，作者对有无周细胞的两组进行了比较。结果显示，无论是否存在周细胞，层粘连蛋白在两组中均有表达。然而，在刚性束状胶原中含有周细胞的毛细血管中，层粘连蛋白的沉积表现出不规则性。K-N. 为了评估血管毛细血管的屏障功能，作者对在软性网状胶原中构建的毛细血管进行了检测。结果表明，在软性网状胶原中构建的毛细血管保持了屏障功能，无论是否存在周细胞。而在刚性束状胶原中，即使存在周细胞，屏障功能也有所降低。结论：胶原的刚性影响血管的细胞连接、基底膜的沉积和屏障功能，刚性束状胶原会导致屏障功能的降低和层粘连蛋白的异常沉积。
图4旨在探讨胶原蛋白的硬度和结构对基因表达的影响，特别是在存在周细胞（PCs）的情况下。
A. 为了分析胶原蛋白硬度和结构对基因表达的影响，作者在存在周细胞的条件下，使用热图比较了不同条件下基因表达的变化。结果显示，胶原蛋白的硬度和结构显著影响了基因的表达模式。B. 通过火山图分析，作者发现DCN、CXCL8和TIMP1基因在硬环境中的血管中表达最高。这表明这些基因可能在硬环境下的血管形成中发挥重要作用。C. 作者对基因表达的九个最显著不同的对数值进行了成对比较。结果表明，这些基因在不同条件下的表达存在显著差异，提示它们可能与胶原蛋白硬度和结构相关。D. 通过对在软性网状胶原和硬性束状胶原中构建的毛细血管的富集得分和通路进行分析，作者发现不同的胶原环境与特定的信号通路和生物学过程相关联。结论：胶原蛋白的硬度和结构显著影响基因表达，特别是在血管形成过程中，DCN、CXCL8和TIMP1等基因在硬环境中表达较高，提示这些基因可能在此过程中发挥重要作用。不同的胶原环境与特定的信号通路和生物学过程相关联。
