流动刺激下，内皮细胞糖萼介导的力传导与内皮细胞出芽（血管新生）的相关性研究

Recent studies demonstrated that both the shear flow on the endothelium and the interstitial flow would regulate endothelial sprouting and hence angiogenesis. But the mechanism is not clear. Glycocalyx on the surface of vascular endothelial cells plays important roles in regulating the interstitial fluid flow by affecting the selective permeability of the vascular wall and participating in the signaling as one of the mechanotransducers that can response to shear flow stimulus. The applicant hypothesizes that as a mechanotransducer, the endothelial glycocalyx may regulate the expression of angiogenic genes and proteins, hence affect the sprouting angiogenesis. To test the hypothesis, the proposed research project will carry out the following studies: (1) Comparison of the expression of genes and proteins related to angiogenesis and the matrigel tubule formation of endothelial cells before and after enzymatic treatments to glycocalyx under flow and static conditions; (2) Study on the migration of mural cells in collagen I gels with a co-culture system of endothelial cells and mural cells to clarify the role of glycocalyx in the maturation of angiogenesis; (3) Develop a microfluidic device to study how fluid flow and chemical factors cooperate (or antagonize) to modulate endothelial sprouting from realistic vessel analogs in vitro; (4) Based on the study of (3), verify if glycocalyx and the factors involved in angiogenesis (hypoxia, VEGF gradient, NO) would interact with each other affecting endothelial sprouting and angiogenesis.

研究发现，渗流及作用在内皮细胞层上的剪切流动会影响内皮细胞的出芽，从而影响新生血管的形成，但是其机理并不清楚。申请人及他人的研究表明，位于血管内皮细胞顶膜的糖萼在作为流动的力感受器及调节内皮细胞层的通透性等过程中，发挥着非常重要的作用。由此，申请人推测，糖萼作为感受流动剪切力的传感器，可能会通过介导内皮细胞中与血管新生相关的分子的表达，影响内皮细胞的出芽和血管的新生。沿此思路，本项目将开展以下工作对此科学推测进行初探：（1）在流动和静止状态下，对比糖萼受损前后，内皮细胞中与血管新生密切相关的分子的表达差异，以及基质胶中内皮细胞小管的形成情况；（2）将内皮细胞与壁细胞共培养，研究糖萼是否会影响壁细胞在三维基质的迁移，从而影响新生血管的成熟；（3）建立微流动装置，研究内皮细胞的出芽过程；（4）在（3）的基础上，研究糖萼是否会与影响血管新生的环境（缺氧，VEGF梯度和NO）相互作用影响血管新生。

位于血管内皮细胞顶膜的糖萼在作为流动的力感受器及调节内皮细胞层的通透性等过程中，发挥着非常重要的作用。本项目以糖萼为研究对象，从力传导和物质输运方面，研究内皮细胞糖萼与内皮细胞出芽（血管新生）的相关性。在力传导方面，本项目对已有的灌流系统进行改进，在流动和静止状态下，对比糖萼受损前后，基质胶中内皮细胞小管的形成情况，结果发现流动剪切力会抑制内皮细胞小管的形成，去除糖萼后，剪切力对小管形成的抑制作用被降低。为了在更为接近生理的三维微环境的条件下，研究内皮细胞糖萼介导的力传导在血管新生中的作用，本项目使用微流控的方法构建了可以研究内皮细胞出芽的芯片，并证明其可行性。此外，在新生血管的成熟阶段，内皮细胞会大量招募壁细胞，以此稳定新生的血管网络。本研究中，利用Transwell小室，探究糖萼与剪切力在平滑肌迁移中的作用，进而推测其对新生血管成熟化的影响。实验结果表明联合培养的内皮细胞能够促进平滑肌细胞的迁移，流动剪切力则能够通过内皮细胞抑制平滑肌细胞的迁移；内皮细胞糖萼被破坏后，剪切力对平滑肌细胞的抑制效果被削弱，糖萼是剪切力抑制平滑肌细胞迁移的关键元件。在物质输运方面，内皮细胞糖萼介导一氧化氮的生成，一氧化氮在血管新生中起着重要的作用。为此我们数值模拟了一氧化氮在动脉中的传输。结果表明，血液流动会决定一氧化氮的浓度分布，血管腔和血管壁中的一氧化氮反应以不同的方式影响一氧化氮的传输。进一步，研究了治疗血管狭窄的支架植入后血管中一氧化氮的传输规律，发现其中的一氧化氮成不均匀分布。由于腺嘌呤核苷酸（ATP和ADP）会调节一氧化氮的释放，我们还研究了正常动脉中腺嘌呤核苷酸的传输，发现腺嘌呤核苷酸在主动脉内皮细胞表面分布不均,受ATP的释放速度和血液流动影响。此外，通过观察造影剂在血管中的传输过程，确定组织中的血流灌注情况，可以判断血管新生的程度。为此，我们研究了内皮细胞及内皮细胞糖萼在造影剂传输中的作用。结果表明，由于内皮细胞层的破坏，造影剂在组织中会快速积累。这些研究结果和发现在将糖萼作为靶点，控制血管新生，以及检测血管新生方面具有重要意义。此外，本研究提出的微流控芯片是一个研究血管新生非常有用的工具。