内皮细胞中的转录特性和电生理特性是由细胞间的相互作用共同调控的

《Frontiers in Physiology》：Transcriptional and electrical identity in endothelial cells is orchestrated by intercellular coupling

血管内皮细胞膜电位调控及电耦合机制研究。通过微电极记录、钙成像、RNA测序和免疫荧光技术，发现细胞间电耦合通过Cx43介导的间隙连接显著影响内皮静息膜电位（Vm），耦合状态下ECs呈现更负且异质化的Vm（-65~40 mV），增强对KCa通道激活剂SKA-31和ACh的钙响应及超极化能力，并伴随转录因子FOXO3、MEF2C及KCa2.3/3.1、Kir2.1的上调。内皮去极化导致血管平滑肌Vm去极化至-30 mV，证实内皮电调控的主导作用。揭示了电-转录偶联机制对维持血管电生理稳态的核心意义。

　　在心血管系统中，血管内皮细胞（endothelial cells, ECs）不仅是血管壁的结构成分，更在调节血管张力、维持血流和血压方面发挥着关键作用。尽管血管平滑肌细胞（vascular smooth muscle cells, VSMCs）长期以来被认为是调控血管收缩与舒张的主要细胞类型，但近年来的研究逐渐揭示出内皮细胞在电生理调控中的重要作用。特别是，内皮细胞的膜电位（membrane potential, Vm）及其动态变化，对血管张力的调节具有深远影响。本研究通过多种实验手段，包括微电极记录、钙离子成像、RNAscope和免疫荧光等，系统地探讨了内皮细胞在维持其电生理特性及功能完整性方面的作用机制，特别是在细胞间耦合（cell-to-cell coupling）对内皮细胞膜电位和钙信号传导的影响。

内皮细胞的膜电位通常处于负值范围，这一电生理特性在维持血管张力和调控局部钙信号中具有核心地位。然而，传统上认为内皮细胞是“非兴奋性”细胞，因其不具备像神经元或心肌细胞那样的动作电位。尽管如此，内皮细胞的膜电位仍对钙离子通道的激活和抑制具有调节作用，尤其是在钙依赖性钾通道（calcium-activated potassium channels, KCa）的功能表现中。例如，KCa2.3和KCa3.1通道在内皮细胞中被激活后，可以引发膜电位的超极化（hyperpolarization），从而促进血管舒张。这一过程被称为内皮依赖性超极化（endothelium-dependent hyperpolarization, EDH），在小阻力血管中尤为显著。

在本研究中，通过比较孤立培养与细胞间耦合的内皮细胞，研究人员发现，耦合的内皮细胞展现出更负且更异质的膜电位（Vm），其平均值范围为?65 mV至?40 mV，远低于孤立细胞的?25 mV。这一差异表明，细胞间耦合对内皮细胞的电生理特性具有重要调控作用。进一步分析显示，这些耦合细胞在响应乙酰胆碱（acetylcholine, ACh）或KCa通道激活剂SKA-31时，能够表现出显著的超极化和钙信号增强。相比之下，孤立的内皮细胞则缺乏这种响应能力，表现出较低的钙信号和膜电位波动。这一发现强调了细胞间电生理连接在维持内皮细胞功能中的必要性。

此外，研究人员还发现，细胞密度对内皮细胞的电生理行为具有显著影响。在高密度条件下，内皮细胞不仅表现出更负的膜电位，还显示出更强的钙信号响应和更高的信号同步性。通过高通量的钙成像实验，研究人员观察到，耦合的内皮细胞在ACh刺激下能够产生协调一致的钙波（calcium waves），其ΔF/F?的振幅和时空协调性均显著优于孤立细胞。这表明，细胞间耦合不仅有助于膜电位的稳定，还能促进钙信号的传播和放大，从而增强内皮细胞对血管张力调控的贡献。

值得注意的是，研究人员还通过转录组分析揭示了细胞间耦合对内皮细胞基因表达的影响。在耦合状态下，内皮细胞中与离子通道活性、钙信号传导和转录调控相关的基因，如FOXO3、MEF2C、KCa2.3、KCa3.1和Kir2.1等，均表现出显著的上调。这些转录因子和离子通道的表达变化进一步支持了细胞间耦合对内皮细胞电生理功能的调控作用。相比之下，孤立的内皮细胞则表现出这些基因的低表达和紊乱的细胞形态，暗示其电生理功能的退化。

为了进一步验证细胞间耦合在维持内皮细胞膜电位和钙信号传导中的作用，研究人员使用了多种药物进行干预实验。例如，通过使用carbenoxolone（一种广谱的连接蛋白抑制剂）和Gap19（一种特异性抑制Cx43间隙连接的药物），研究人员发现，这些药物能够显著改变内皮细胞的电生理特性。短期暴露于carbenoxolone并未显著影响内皮细胞的膜电位分布，但长期暴露则导致膜电位向去极化方向偏移，表明间隙连接的持续性对于维持内皮细胞的电生理状态至关重要。类似地，Gap19的使用也导致了内皮细胞膜电位的改变，进一步支持了间隙连接在内皮细胞电生理调控中的核心作用。

除了电生理调控，内皮细胞的转录活性也被发现与细胞间耦合密切相关。通过RNAscope技术，研究人员发现，耦合的内皮细胞中，与钙信号传导和离子通道表达相关的mRNA信号显著增强。这些mRNA的表达不仅在数量上增加，还在空间分布上表现出明显的聚集性，特别是在细胞间连接处。这种转录调控可能与钙信号的传播和维持有关，从而确保内皮细胞能够有效地响应外部刺激，如ACh或KCa激活剂，进而调控血管张力。

这些研究结果为理解内皮细胞的电生理特性提供了新的视角。传统上，内皮细胞被视为被动的结构支持者，但本研究表明，它们在血管系统中具有主动的电生理调控能力。这种能力不仅依赖于内在的分子机制，还受到细胞间耦合的显著影响。内皮细胞的电生理特性，如膜电位的负值、钙信号的协调性和KCa通道的活性，均与细胞间连接的存在密切相关。因此，细胞间耦合不仅是电生理信号传递的物理基础，还可能是维持内皮细胞功能完整性的关键因素。

在病理条件下，如高血压、糖尿病或肿瘤血管生成，内皮细胞的电生理特性可能会受到干扰。研究表明，当内皮细胞的耦合受到破坏时，其膜电位和钙信号传导能力会显著下降，进而影响血管的舒张功能。这种电生理失衡可能导致血管张力调节的紊乱，从而引发一系列心血管疾病。因此，维持内皮细胞的电生理完整性可能成为治疗这些疾病的新策略。

此外，本研究还指出，内皮细胞的电生理特性可能与心血管系统的其他功能密切相关。例如，在心脏电生理中，内皮细胞通过电连通或旁分泌信号调控心肌细胞的电活动和节律。当内皮细胞的电生理功能受损时，可能会影响心脏的正常节律，导致心律失常。因此，内皮细胞的电生理调控不仅限于血管系统，还可能在心脏功能中扮演重要角色。

在癌症和动脉粥样硬化等疾病中，内皮细胞的电生理功能同样可能受到破坏。例如，肿瘤血管通常表现出组织结构紊乱和细胞间耦合的缺失，这可能导致钙信号传导和膜电位调控的异常，从而影响血管的屏障功能和血流调节。同样，在动脉粥样硬化的早期阶段，内皮细胞的电生理特性可能会发生改变，影响其维持血管张力的能力。这些发现不仅拓展了我们对内皮细胞功能的认识，还提示了内皮细胞电生理失衡可能作为多种疾病的早期生物标志物。

综上所述，本研究揭示了内皮细胞在维持血管张力和调控钙信号中的关键作用，特别是在细胞间耦合的条件下。内皮细胞的膜电位、钙信号传导和KCa通道活性均受到细胞间连接的显著影响，这表明电生理功能的维持需要复杂的细胞间通讯网络。因此，保持内皮细胞的电生理完整性不仅是血管功能正常运作的基础，还可能为心血管疾病的治疗提供新的方向。未来的研究需要进一步探讨特定的连接蛋白亚型及其修饰如何影响内皮细胞的电生理特性，以及如何通过药物或基因治疗手段恢复或维持这种电生理功能。