内皮细胞在静水压力下的系统性行为研究：从形态适应到细胞连接重塑的机制探索

本研究针对静水压力（HP）对内皮细胞行为影响研究的技术瓶颈，开发了高通量压力控制系统，首次系统评估了10-150 mmHg范围内静水压力对人脐静脉内皮细胞（HUVECs）的生物学效应。研究发现静脉水平压力（10-20 mmHg）显著促进细胞伸长、细胞骨架重排和VE-cadherin连接强化，而超生理压力（100-150 mmHg）导致连接碎片化。该研究为理解血流动力学在血管稳态和疾病中的作用提供了新的技术平台和机制见解。

　　

在心血管系统中，内皮细胞持续承受着血流产生的机械力，包括剪切应力、应变和静水压力（HP）。其中，静水压力是最未被充分探索的力学因素，这主要源于在传统细胞培养系统中引入压力的技术挑战。然而，证据表明HP显著影响细胞分化、迁移、增殖和凋亡等关键生物学过程。特别是在心血管疾病如高血压和动脉粥样硬化中，血流动力学模式的紊乱和微环境应力场的复杂变化会导致内皮细胞功能和形态的改变。尽管剪切应力的作用已被广泛研究，但HP对内皮行为的影响仍相对未知。

以往研究存在明显局限性：多数关注超生理压力水平（>50 mmHg），而忽略了生理相关的静脉压力范围（10-30 mmHg）；实验装置通常一次只能施加一种压力条件，且与高通量分析工具不兼容；不同研究的实验设置和参数差异导致结果难以直接比较。为了解决这些问题，伊利诺伊大学芝加哥分校的研究团队开发了一种新型高通量自动化设备，能够在标准96孔板上同时施加多达12种独立压力条件。

研究人员应用该系统研究了静态压力条件（10、20、50、75、100和150 mmHg）对人脐静脉内皮细胞（HUVECs）存活率、形态学和细胞骨架适应的影响。这些压力值分别代表了中心静脉和毛细血管压力（10、20 mmHg）、小动脉和生理动脉压力（50、75、100 mmHg）以及严重高血压（150 mmHg）。

技术方法的核心是基于Arduino微控制器的压力控制系统，通过比例阀和压力传感器实时监控和调节每个孔的压力。使用3D打印的millifluidic插入件将加压气体（5% CO₂，21% O₂，平衡N₂）分配到孔板各列的上部空间，确保在静态零流动条件下分离HP效应。对HUVECs进行36小时压力处理后，采用活死染色评估细胞活性，PrestoBlue试剂检测氧化还原活性，并通过免疫荧光染色分析细胞形态、细胞骨架组织和连接完整性。

细胞活性、密度和线粒体活性结果显示：

所有压力条件下的细胞存活率与对照组相似，但细胞密度随压力增加呈下降趋势。氧化还原检测显示压力处理细胞的总体还原功能更高，表明HP显著影响细胞代谢活性。

细胞形态学分析表明：

HP诱导了显著的细胞伸长（圆形度降低），这种伸长在静脉压力水平下最为明显，但在较高压力下减弱。细胞面积随压力增加而增大，表明细胞在基底上的铺展增强。所有条件下的细胞取向都是随机的，平均取向角约为90°，无优先排列方向。细胞核面积和纵横比无统计学显著差异，但压力下细胞中这两个参数有轻微增加，与细胞伸长和铺展一致。

F-actin和细胞骨架重塑研究显示：

HP引起了显著的细胞骨架重组。静脉压力（10、20 mmHg）下的细胞显示出沿主轴排列的平行应力纤维，且分布在整个细胞质中。随着压力增大（50-150 mmHg），纤维排列逐渐减少。对照组细胞则表现出随机取向的F-actin纤维，主要位于细胞周边。F-actin排列的定量分析证实了这些观察结果，压力下的细胞骨架参数值范围从0.68（150 mmHg）到0.95（20 mmHg），表明排列程度更高，而对照组为0.45。

VE-cadherin和单层完整性分析发现：

环境压力下培养的细胞显示出连续成熟的细胞-细胞连接（橙色箭头），其特征是厚厚的平行排列的肌动蛋白束，且不与连接处的VE-cadherin重叠。静脉压力条件（10、20 mmHg）显示出更厚、连续的连接以及VE-cadherin/肌动蛋白突起（白色箭头）。在50和75 mmHg压力下培养的细胞显示出连续但较薄的连接和减少的VE-cadherin/肌动蛋白突起。在超生理水平（100、150 mmHg）下，连接变得更加碎片化和不连续（蓝色箭头）。强度剖面分析表明，静脉压力下的细胞表现出更高的荧光信号和更宽的细胞间连接，而VE-cadherin表达和细胞连接宽度随着压力增大逐渐降低，在100和150 mmHg时低于对照水平。

研究结论表明，HUVECs对静水压力的响应具有幅度依赖性。生理性静脉HP（10、20 mmHg）诱导了显著的形态学和细胞骨架适应，并通过加强细胞-细胞连接来支持单层完整性。虽然较高的压力值也触发了结构重排，但其效果不太明显，而长期暴露于超生理HP会显著破坏VE-cadherin表达和连接稳定性。HP显著影响细胞代谢活性，表明细胞骨架适应和氧化还原调节之间存在相互作用。

这些发现强调了将HP引入作为实验变量的重要性，以开发更生理相关的内皮体外模型。虽然内皮行为源于多种机械力（包括剪切应力和循环应变）的相互作用，但本研究有意分离了静水压力以研究其具体贡献，可能澄清复杂机械环境中压力特异性效应。该高通量系统的兼容性和标准化能力可能为更高效地研究压力下内皮行为铺平道路。

这项研究由Giulia Venturini、Advik Sikligar、Giulia De Campo和David T. Eddington合作完成，发表在《Scientific Reports》上，为理解机械力在血管生物学中的作用提供了新的见解和技术平台。