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综述
摘要
血管内皮细胞（endothelial cells）功能障碍是导致死亡的主要原因之一。尽管内皮细胞在所有器官中作为单层细胞存在，通常被认为是一种相对静止的细胞群体，但应将整个血管内皮（vascular endothelium）视为一个高度动态且系统性分布的互动器官。本文呈现了血管研究（vascular research）领域的整体视角，回顾了血管内皮细胞在血管生命周期中多样化的功能，包括其响应和传递功能，以及作为器官功能指导性守门人（instructive gatekeepers）的作用。我们探讨了再生医学（regenerative medicine）、预防医学（preventive medicine）和衰老研究（aging research）中的新兴转化前景。总的来说，本综述旨在促进血管科学（angioscience）领域的学科一致性，以更广泛地认识血管系统（vasculature）对器官功能、全身健康和健康衰老的重要性。引言
在工业化国家，心血管疾病导致的死亡约占人类死亡总数的三分之一。尽管心脏疾病对死亡率的贡献广为人知，但血管在致命疾病结果中的作用却鲜为人知。显而易见，心脏缺血并非单纯的心脏疾病，而是血管疾病导致的心脏损伤。同样，缺血性中风也不是脑部疾病，而是血管疾病导致的脑损伤。然而，大多数人仍然将心脏病发作和中风分别视为心脏和脑部疾病。事实上，血管几乎在所有主要的威胁生命的慢性疾病中都起着关键作用。例如，如果没有血管，肿瘤无法生长到显微镜下可见的大小，且转移——肿瘤进展过程中最致命的步骤——严重依赖于肿瘤与血管的双向互动。炎症——许多人类疾病的关键决定因素——由内皮细胞（endothelial cells）介导，这些细胞在炎症性白细胞的运输和衰老过程中发挥重要作用。先兆子痫——至今仍是最危险、最常见的妊娠并发症，威胁着母婴生命——病因在于妊娠期间血管分化的紊乱。尽管动脉粥样硬化的病理基础可能是导致管腔变窄的新生内膜，但内皮细胞单层的炎症性功能障碍是动脉粥样硬化发病的根本原因。内皮功能障碍还与COVID-19的系统性后果的表现密切相关。实际上，血管在多种关键人类疾病中的作用远不止于此。综上所述，官方的死亡统计可能低估了内皮细胞和血管系统功能障碍对人类死亡率的贡献。对于社会经济上最重要的慢性疾病，如眼疾（血管功能障碍是工业化国家失明的主要原因）、糖尿病、肥胖和代谢综合征、关节炎和痴呆症等情况，也是如此。我们主张，应将血管视为一个系统性分布的器官。由于几乎每个身体细胞都位于距最近毛细血管100-150微米以内——这是氧气扩散的极限——微血管的巨大表面形成了循环系统与不同器官隔室之间的关键交流界面。在此背景下，通常将内皮细胞视为一种响应性细胞群体。它们根据微环境中的刺激（如炎症刺激或诱导血管生成的细胞因子）执行特定功能。这种概念并不完全错误，但它过于简化。过去十年的研究已经从根本上改变了这种简单化的血管观念。相反，血管在循环系统与不同器官实质之间的战略位置使内皮细胞处于独特的守门人位置。它们通过分泌旁分泌作用的生长因子（如angiokines），以指导性方式积极控制器官功能，这一新的信号传导模式已在大多数器官中得到了实质性验证。本综述将血管内皮的经典功能与近年来在机械转导（mechanotransduction）、代谢（metabolism）、指导性信号传导（instructive signaling）和衰老研究（aging research）领域的最新发现相结合。旨在对血管科学（angioscience）领域进行全面审视（如图1所示），本文：（1）详细阐述了血管内皮细胞在血管生命周期中的特征；（2）讨论了内皮的响应和传递功能；（3）回顾了近期发现的内皮细胞的指导性功能。基于单细胞分辨率下内皮细胞异质性解码的巨大进展，本文还探讨了未来血管研究的方向和新兴的转化医学前景。总体而言，本综述旨在更广泛地认识血管内皮作为一个系统性分布的器官所具有的重要调控作用和指导性守门功能，以维持器官和全身的稳态，促进健康衰老。![]()
图1 内皮细胞的关键特征
血管的生命周期包括血管生成（vasculogenesis）、血管新生（angiogenesis）、维持与成年期的静息状态，以及衰老期间的显著变化。衬在血管内壁的内皮细胞具有响应和传递功能，充当屏障，控制细胞运输，作为通透性界面，调节血压，并触发凝血。除了作为响应性界面并主要受机械转导机制控制外，内皮细胞还通过旁分泌作用以指导性方式控制器官和代谢功能。血管的生命周期
血管生成（Vasculogenesis）
内皮细胞（endothelial cells）是寿命较长的细胞。在早期胚胎发育过程中，血管生成标志着从干细胞和祖细胞原位分化出一个全新的毛细血管网（如图2A所示）。融合的血管母细胞（angioblastic cells）形成血岛和由分化中的内皮细胞构成的最初原始毛细血管网。分化中的内皮细胞随后组织形成具有管腔结构的管状结构，最终使血液流动成为可能。早期血管生成谱系的细胞继续表现出多潜能分化潜力，其最佳例证是所谓的“造血内皮”（hemogenic endothelium）的存在。这些是特化的CD32阳性内皮细胞，能够产生造血谱系的细胞，并至少部分地贡献于后期造血干细胞和祖细胞的异质性。同样，一部分胚胎内皮细胞在移植后能够重建骨髓基质生态位。这一过程通过内皮-间充质转化（EndMT）机制发生，反映了早期胚胎内皮细胞的多谱系分化潜力。![]()
图2 血管生命周期中内皮细胞的功能和表型特性
(A) 在血管生成（vasculogenesis）过程中，血管母细胞（angioblastic stem cells）形成一个原始的内皮细胞网，这也产生了造血内皮（hemogenic endothelium）。
(B) 血管新生（angiogenesis）标志着新毛细血管从现有血管中萌发出来。
(C) 在成年期的稳态中，血管的静息状态并非默认存在，而是需要积极维持。
(D) 在血管衰老过程中，内皮细胞发生内在变化，这也是由于微环境改变所导致的结果。
尽管血管生成（vasculogenesis）已被确立为胚胎发育过程中的一个重要过程，但至今仍存在争议，成人体内是否也能发生血管生成。超过25年前，骨髓来源的内皮祖细胞（endothelial progenitor cells, EPCs）的分离引发了大量关于这些细胞性质及其在再生医学应用中的研究。对成人新血管形成的详细分析表明，骨髓来源的单核髓样细胞并不会整合到生长中的内皮层中，而是通过旁分泌方式归巢到血管周围，通过分泌促血管生成生长因子来促进血管化。最近在肝脏再生过程中使用共生模型研究成人血管新生的实验支持了这些发现，表明除非生长中的血管受到严重损伤（例如，在实验性骨髓移植研究中由辐射引起的损伤），否则骨髓来源的祖细胞对成人血管化的贡献可能微乎其微。因此，最现实的结论可能是，骨髓来源的EPCs确实存在，但在成人的血管化过程中几乎不发挥重要的定量作用。血管新生（Angiogenesis）
虽然血管生成（vasculogenesis）描述了新血管的全新形成，血管新生（angiogenesis）则标志着血管从现有毛细血管中生长出来（如图2B所示）。血管新生的扩展通过毛细血管芽的萌发发生。此外，还有一些不太为人所知、但可能同样重要的非萌发性血管新生过程，即通过毛细血管的纵向分裂形成网络，这一过程被称为内陷性血管新生（intussusceptive angiogenesis）。在萌发性血管新生期间，内皮细胞响应血管生成细胞因子的梯度，尤其是血管内皮生长因子（VEGF），后者是血管新生级联反应的主调节因子。从遗传角度来看，缺失一个VEGF等位基因与生命不相容，会导致半量不足性胚胎致死性。血管新生的尖端内皮细胞的侵入性萌发曾被认为遵循一种退化的发育程序，基本上独立于随后成熟血管的器官特异性分化。然而，与这一模型相对立，最近发现了一个依赖Wnt7a/b的分化程序，选择性地控制大脑特异性的血管新生尖端细胞程序。血管新生的内皮细胞通过降解其基底膜启动向血管生成刺激的定向萌发。受Notch/Delta信号通路控制，它们以协调的方式执行这一过程，以在萌发过程中维持血管的完整性。内皮细胞迁移随后发生于内皮细胞增殖之前。最终，生长中的毛细血管芽融合形成网络，这一过程可能由髓源辅助细胞引导。网络的形成和动静脉的分化由不同类型分子，尤其是ephrins/Ephs、Slits/Robos、semaphorins/plexins和netrins/UNC5的引导线索协调完成。值得注意的是，这些控制血管网络形成的分子类别也调控神经网络的形成。最后，生长中的毛细血管网络需要成熟，这一过程受PDGF/PDGFR和Angiopoietin/Tie家族分子以及血管周围平滑肌细胞（周细胞）的招募控制。“血管在需要的地方生长”这一历史观点在分子层面上得到了验证，即缺氧是调节血管新生级联反应主调节因子VEGF表达的最强生理性触发因素。任何超出氧气扩散距离的组织生长都需要通过血管新生来促进新毛细血管的生长。因此，血管新生首先是一种胚胎发育和出生后生长的生理机制。在成年期，内皮细胞的更新率极低，通常在数月到数年内才进行一次更新，这在放射性碳定年实验中得到了明确证明。最近的小鼠命运示踪实验进一步证实了主动脉中内皮细胞的低更新率，每月只有约3%的细胞进入细胞周期。从生理上看，成年人的血管新生主要限于女性生殖系统，周期性地发生在卵巢和子宫中。从病理上看，血管新生不仅与多种形式的组织生长有关，尤其是肿瘤生长，还与多种眼疾有关，这使得血管新生成为一个具有吸引力的治疗靶点。事实上，抗血管新生已成为肿瘤治疗的标准部分，而抗血管新生药物的眼内注射也已被批准用于治疗年龄相关性黄斑变性（AMD）和糖尿病视网膜病变的患者。维持与静息（Maintenance and Quiescence）
在血管新生（angiogenesis）之后，内皮细胞进入一种静息状态。然而，这种静息表型并非默认状态，而是需要通过主动调控来维持（如图2C所示）。血管静息信号传导由层流血流调控的生化刺激之间的复杂相互作用控制，其中包括PDGF/PDGFR信号、Angiopoietin/Tie信号以及周细胞（pericytes）的招募。在维持静息的内皮层过程中，磷脂酰肌醇3-激酶（PI3K）/Akt通路的持续激活导致叉头转录因子（FOX）被磷酸化，进而将其排除在细胞核外，从而导致其转录失活。这进一步反映了血管静息并非默认状态，而是一个需要抑制内皮细胞激活诱导的默认转录程序的生物过程。毛细血管内皮细胞与周细胞的关联，涉及基底膜穿透的周细胞突足过程以及潜在转化生长因子β（TGF-β）的释放，使内皮细胞处于静息状态，基本上对生长因子不敏感。这解释了为什么抗VEGF/VEGF受体（VEGFR）疗法会修剪未被周细胞覆盖的未成熟血管，而保留被周细胞覆盖的成熟血管，这一过程被称为“血管正常化”。在从受保护的静息状态向响应性激活的内皮细胞表型转变过程中，Angiopoietin-2（Angpt2），一种具有上下文激动剂和拮抗作用的Angiopoietin/Tie配体，起到了关键作用。Angpt2可以通过自分泌或旁分泌作用发挥作用，内皮细胞是其主要来源。在静息的内皮细胞中，Angpt2的表达水平较低，但在各种激活刺激下，内皮Angpt2的表达迅速上调，从而触发周细胞接触的松弛，使内皮细胞对内皮营养细胞因子产生响应。内皮细胞命运的维持与内皮功能的控制是相互关联的过程，这依赖于两个ETS转录因子ERG和Fli1的持续协同作用。ERG和Fli1的联合内皮缺失导致血管病变和多器官衰竭，这是由于内皮命运和完整性的丧失、超炎症反应和自发性血栓形成。这与全血管和器官特异性血管核心基因的转录沉默有关。同样，近年来通过高分辨率转录组分析，我们对静息内皮表型的获得和维持及其对病理挑战的保护有了更多了解。芳香烃受体（AHR）已被确定为血管静息的器官特异性调节因子。在肠道中，AHR作为内皮细胞的饮食代谢物传感器，促进细胞静息和稳态下的血管正常性。成年小鼠中内皮AHR缺乏导致炎症反应失调和增殖途径的启动。AHR在肺内皮细胞中也高度活跃，保护其免受流感引起的肺血管渗漏。同样，维持AHR的保护功能需要富含天然存在的AHR配体的饮食，这些配体在肺内皮中激活疾病耐受途径，以防止组织损伤。TGF-β活化激酶1（TAK1）也是内皮细胞存活的调节因子，在TNF-alpha刺激下维持血管完整性。内皮细胞中具有TAK1靶向突变的小鼠由于内皮细胞凋亡和炎症器官中的血管缺陷，表现出肠道和肝脏出血。同样，辛伐他汀——一种通过降低胆固醇浓度的HMG-CoA还原酶抑制剂——已被证明可以通过减少转录增强关联域（TEAD）元素的染色质可及性来保护内皮细胞免受功能障碍的影响。辛伐他汀因此以YAP依赖的方式控制内皮-间充质转化（EndMT）调节基因，这一过程独立于其降脂作用。血管衰老（Vascular Aging）
过去，血管衰老主要在大血管生物学的背景下研究，因为它与动脉粥样硬化和高血压密切相关。随着年龄的增长，由于细胞外基质的硬化，大动脉失去弹性，这是年龄相关性高血压的重要因素。近年来，微血管衰老的机制以及大血管和微血管衰老在分子和细胞水平上的共同点引起了越来越多的关注（如图2D所示）。在器官水平上，微血管稀疏化（microvascular rarefaction）似乎是不同器官之间的一个共性。多种机制被提出作为毛细血管稀疏化的可能原因，其中年龄相关的VEGF信号不足可能起着特别关键的作用。这被认为是由于老龄化过程中循环中可溶性VEGFR1（sFlt1）水平的升高，后者作为可溶性VEGF诱饵受体。事实上，在癌症患者中，长时间使用阻断VEGF功能的抗体治疗也观察到了不同器官中可逆的血管稀疏化现象。显然，衰老的机体试图通过上调VEGF及其上下文中促血管生成的Tie2配体Angpt2的产生来补偿VEGF信号的不足。这一现象已在老年小鼠的血清中以及老年人类的血浆中观察到。相应地，低剂量系统性VEGF过表达疗法（无论是基因或病毒介导的）能够改善小鼠与年龄相关的微血管稀疏化，从而显著延长衰老小鼠的健康寿命。近年来，低剂量系统性VEGF过表达对老年小鼠寿命和健康寿命的强大影响可能是血管科学领域最为显著和令人惊讶的发现之一。除了减少血管稀疏化，低剂量系统性VEGF过表达在老年小鼠中还改善了全身代谢、脂肪组织代谢和肝功能，减少了肌肉萎缩、骨质疏松、炎症以及与衰老相关的肿瘤负担。观察到的表型可能反映了一种全身性信号状态，其中血管内皮不仅在局部实质微环境中发挥血管内分泌功能，还以全身方式维持稳态平衡。近年来，对老年和衰老内皮细胞的分子特征和功能特性的分析越来越多。除了上调的可溶性VEGFR1（sFlt1）、Angpt2、p16、p21、糖蛋白非转移性黑色素瘤蛋白B（GPNMB）、血管细胞黏附蛋白1（VCAM1）、纤溶酶原激活剂抑制剂-1（PAI-1）、衰老相关β-半乳糖苷酶（SA-β-gal）和衰老相关分泌表型（SASP）外，这些都是老化和衰老内皮的关键决定因素。细胞可能会变成多倍体并增加体积。代谢重编程可能导致糖酵解抑制、p53乙酰化以及血管保护酶胱硫醚γ-裂解酶（CSE）的丧失。相反，腺病毒介导的CSE在老年内皮细胞中的过表达维持了低p53活性并重新激活端粒酶，逆转了内皮细胞的衰老表型。
血管壁的响应和传递功能
屏障功能（Barrier Functions）
在大多数器官中，连续的毛细血管内皮衬里不仅确保层流血流并提供抗血栓表面，还维持了血流与周围组织之间的选择性屏障（如图3A所示）。例如，肺中的血气屏障由一层内皮细胞和上皮细胞组成，两者之间由双层基底膜分隔，其厚度可能不到1微米。这种超薄屏障紧密分隔了携带血液的毛细血管和气体交换的肺泡。此紧密屏障的扰动可能迅速导致危及生命的肺水肿。确实，急性肺损伤会破坏内皮一氧化氮（NO）与周细胞可溶性鸟苷酸环化酶（sGC）之间的串话。内皮来源的NO最为人知的功能是其对血管平滑肌细胞的血管扩张作用，它在周细胞中激活sGC并抑制细胞骨架重排。NO抑制依赖于血管扩张刺激的磷酸蛋白的F-肌动蛋白形成，以及与细胞骨架重排相关的基因的de novo合成，这些基因是由心肌相关转录因子A（myocardin-related TF A）和血清反应因子（serum response factor）调控的。此过程最终稳定了内皮细胞与周细胞的相互作用。药理学激活这种串话有助于维持血管完整性，减少肺水肿，并改善炎症引起的肺损伤。![]()
图3 内皮细胞的响应和传递功能
(A) 形成屏障的内皮细胞确保了受保护器官（如肺和大脑）的功能。
(B) 内皮细胞与循环中的细胞相互作用，作为细胞运输的关键调节者发挥重要作用。
(C) 根据内皮细胞在器官中的位置，内皮细胞的通透性不同，例如在大脑和肺部通透性较低，而在肝脏和肾脏则较高。
(D) 层流或湍流灌注使内皮细胞暴露于生物物理力，这些力动态控制着内皮细胞的功能。
(E) 内皮细胞通过分泌血管扩张剂和血管收缩剂在局部调节血压。
(F) 内皮细胞通过平衡促凝和抗凝因子来控制凝血过程。
紧密的血管屏障对于维持稳态和保护中枢神经系统（CNS）免受有害物质侵害和防止感染传播也至关重要。血脑屏障（blood-brain barrier）和血视网膜屏障（blood-retina barrier）由富含紧密连接的特化内皮细胞形成，这些细胞的密封静息表型不仅受周围的周细胞（pericytes）控制，还受星形胶质细胞（astrocytes）的调节。血脑屏障的炎症性破坏涉及到由脂多糖（LPS）触发的孔形成蛋白gasdermin D（GSDMD）的激活，这一过程依赖于caspase-11的机制。在临床前实验中，通过GSDMD中和纳米抗体进行治疗干预已被证明是有效的。
细胞运输（Cell Trafficking）
作为循环系统与不同器官隔室之间的关键界面，内皮细胞在协调细胞进出循环方面起着至关重要的作用（如图3B所示）。通过黏附分子、趋化因子和信号通路的复杂相互作用，内皮细胞调节细胞的生理稳态运输以及在炎症挑战后免疫细胞的招募。白细胞招募级联反应包括四个不同步骤：滚动、系留、牢固黏附和穿越。白细胞最初通过选择素介导的低亲和力黏附与内皮细胞结合，然后沿着表面滚动，这有助于维持免疫监视功能。在进一步的挑战下，滚动的白细胞与内皮层结合，使整合素和免疫球蛋白样黏附分子介导的牢固黏附得以实现。最终，这启动了被招募细胞的调控性穿越，同时持续保持内皮层的完整性。白细胞穿越（称为跨内皮移行）主要通过调控性暂时性打开内皮细胞间连接的方式在细胞间发生，但在某些情况下，细胞也可能通过单个内皮细胞跨细胞穿越。内皮黏附和穿越机制主要服务于白细胞的运输。然而，转移的肿瘤细胞也利用这一机制，在原发肿瘤部位内渗，并在到达远处后与血管内皮作为其第一个界面进行相互作用。在Wnt信号和其他信号通路的调控下，血管内皮在控制肿瘤细胞在转移性生态位中的命运决策方面发挥决定性作用。稳态下的细胞运输是维持稳态和执行免疫监视功能的一部分。相反，活化的内皮细胞在炎症条件下招募白细胞。尽管抗炎药物也会影响内皮细胞的促炎症程序，但选择性靶向内皮细胞中炎症通路的全部潜力可能尚未得到充分利用。这在动脉粥样硬化中尤为重要，病原性因素在动脉壁的内皮层汇聚。加强将内皮作为未来因果治疗干预的目标的努力可能是有前途的。血管通透性（Vascular Permeability）
内皮细胞具备调控多种物质（如水、营养物质和气体）在血液循环与周围组织之间传递的分子机制，从而维持生理组织功能（如图3C所示）。基础通透性指的是小分子（如水、气体和某些离子）通过细胞内特定通道、转运体或细胞间连接通过内皮细胞层的稳态传递。这可以通过被动的细胞间扩散或跨细胞的由水通道蛋白组成的水通道发生。各种生理和病理性刺激通过调控细胞间黏附分子机制可以诱导血管通透性。这些刺激物包括血管活性因子，如组胺、缓激肽和前列腺素，以及不同的炎症介质，如细胞因子和趋化因子。值得注意的是，关键的血管生成因子VEGF也作为一种强效的血管通透性因子发挥作用（实际上，这一特性在其血管生成调节能力被发现之前多年就已经被发现）。细胞因子激活内皮细胞后，会打开由相邻内皮细胞之间形成的细胞黏附分子构成的连接复合物。紧密连接密封了大脑、动脉和连续毛细血管中的内皮衬里。不同器官类型和血管类型中claudin-5表达的变化有助于在连续血管床中不同程度地维持屏障功能。相比之下，更具可塑性的黏附连接调节静脉和毛细血管的通透性。黏附连接由VE-钙黏蛋白和相关的连环蛋白组成。响应细胞因子激活，VE-钙黏蛋白迅速内化，导致细胞间隙暂时打开。VE-钙黏蛋白的更新、黏附连接的稳定性以及血管渗漏涉及通过胞质酪氨酸激酶Yes和Src的不同功能对VE-钙黏蛋白的磷酸化。考虑到维持血管稳态和完整性的重要性，超通透性与许多病理状态相关，可能加重疾病严重性，并导致水肿、血管灌注减少和药物输送受阻。组织灌注和血压（Tissue Perfusion and Blood Pressure）
血管通透性的调控与组织灌注紧密相关（如图3D所示），而组织灌注又与血压调节紧密相连（如图3E所示）。血压通过神经内分泌机制（短期）和全身液体体积调节（长期）系统性地调节。重要的是，导致高血压的血压失调是心血管疾病最关键的风险因素之一。内皮细胞通过释放作用于执行平滑肌细胞的收缩性的血管活性介质，在控制外周血管张力中起关键作用。内皮型一氧化氮合酶（eNOS）驱动的一氧化氮（NO）生成以血管扩张方式作用，调节血流。这种短暂的、作用距离短的气体NO激活平滑肌细胞的鸟苷酸环化酶，导致细胞内钙浓度降低，继而平滑肌张力放松。其他内皮细胞来源的血管扩张分子包括前列腺素（特别是前列腺素E2）、前列腺素衍生物前列环素以及假定的内皮来源超极化因子（EDHF）。相反，内皮还产生血管收缩分子，如内皮素。内皮素在肺动脉高压的发病机制中起关键作用，内皮素受体拮抗剂被广泛用作治疗标准。凝血（Coagulation）
血液需要始终保持在流动状态，因为凝固的血液可能导致形成危及生命的栓塞和血栓，从而扰乱血流。反过来，任何血管完整性的破坏都需要迅速封闭，以避免危险的出血。这种内在的矛盾可能解释了为什么凝血一方面受到如此精细的调控，另一方面又是许多疾病的罪魁祸首（如图3F所示）。在这种情况下，内皮的作用是始终维持一个连续的抗血栓表面——即使在血管激活或重塑的过程中——并在需要时立即触发凝血级联反应。内皮细胞的促凝活性包括表达组织因子（Tissue Factor，触发凝血级联反应）、释放von Willebrand因子（通过促进血小板黏附控制凝块形成的初始步骤）、释放如二磷酸腺苷和血栓素A2等血小板活化介质，以及肝窦内皮细胞生产的凝血因子VIII。内皮细胞的促凝活性受到磷脂刮移酶TMEM16触发的磷脂酰丝氨酸在细胞表面外化的调节，这可能使TMEM16成为血栓性血管疾病的治疗靶点。为了抵消过度的凝血，内皮细胞还具有多种抗凝活性。这些活性包括：（1）释放前列环素（PGI2）和NO，它们具有血管扩张作用并抑制血小板的活化和聚集；（2）表达蛋白C受体，这是一种天然抗凝蛋白，能够抑制因子Va和VIIIa；（3）释放组织因子途径抑制物（TFPI），其通过抑制因子X和VIIa的激活来调节由组织因子引发的凝血级联反应。内皮细胞还作为纤溶系统的调节者，参与血栓的溶解过程。值得注意的是，它们表达PAI-1，该物质通过干扰纤溶酶原的激活来抑制血栓的分解。总体而言，内皮细胞通过促凝和抗凝活性，维持防止异常凝块形成与确保适当的伤口愈合和损伤反应之间的微妙平衡。血管内皮的指导性功能（Instructive Functions of the Vascular Endothelium）
近年来，血管内皮主要被视为构建结构和衬里血管的细胞的认知发生了显著变化。如今，内皮细胞层被广泛认为是一个高度动态的界面，在其周围微环境中发挥着指导性的守门人功能。主要通过机械转导介导的信号传导进行调节，血管内皮通过旁分泌方式控制器官和代谢功能，这种机制也被称为“血管内分泌信号传导”（angiocrine signaling）（如图4所示）。![]()
图4 内皮的指导性功能
(A) 内皮细胞的机械感受器和机械敏感通道作为机械转导器，将生物物理力转化为指导性信号。
(B) 内皮细胞具有独特的代谢特性，主要依赖于无氧糖酵解来维持其能量代谢。
(C) 器官特异性内皮细胞通过分泌旁分泌作用的因子，以指导性、血管内分泌的方式在健康和疾病状态下控制器官功能。
机械转导（Mechanotransduction）
血流，无论是以层流还是湍流形式存在，都对衬里血管的内皮细胞施加物理机械转导力（如图4A所示）。这种物理力维持着静息内皮的生理稳态（这是静态内皮细胞培养模型的一个重要局限）。过小或过大的剪切应力可能导致偏离正常稳态的功能异常。血压介导的内皮细胞周期性拉伸也对内皮施加物理力，这种拉伸与基底外基质的变化（老化对其影响尤为显著）共同影响着内皮的表型和功能。受扰的内皮生物力学信号转导的后果主要在大血管生物学的背景下进行了研究，特别是与动脉粥样硬化的发病机制相关。然而，机械感知和机械转导在塑造微血管内皮细胞的功能特性方面也起着同样重要但尚未充分研究的作用。内皮细胞通过受体酪氨酸激酶（如VEGFR2和VEGFR3）、离子通道、整合素和连接蛋白（如PECAM-1和VE-钙黏蛋白）将机械刺激转化为生化信号。VEGFR3在机械感受复合体中发挥作用，以确定不同类型血管（动脉、静脉和淋巴管）所需的液体剪切应力“设定点”。Piezo1和syndecan 4是内皮细胞的流动传感器。PI3K/AKT和丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）/ERK信号通路激活流依赖性的转录因子Krüppel样因子2（KLF2）和核因子红细胞2样2（NRF2），以维持内皮细胞的表型和代谢状态。同样，KLF4通过表观遗传机制促进稳态内皮基因的表达。其中，SMAD4维持流体剪切应力设定点，以防止动静脉畸形。Hippo信号介导的YAP和带有PDZ结合基序的转录共激活因子（TAZ）的转录活性已成为层流与湍流流动的内皮调节因子。相应地，单向层流的抗动脉粥样硬化效应通过整合素依赖性抑制YAP/TAZ-JNK信号传导介导。最后，指导受体plexinD1也被发现是内皮细胞中的机械传感器。PlexinD1与神经纤维蛋白-1和VEGFR2形成机械复合体，在连接复合物和整合素上游赋予机械敏感性。它通过采用两种不同的分子构象来充当配体或力受体。代谢界面（Metabolic Interface）
直接暴露于循环血液中，内皮细胞作为代谢界面发挥作用，不同器官之间甚至在同一器官内都有显著差异。线粒体中的氧化磷酸化为内皮细胞的能量代谢做出贡献。然而，尽管内皮细胞紧邻含氧量高的血流，内皮细胞的能量生产主要依赖于无氧糖酵解。这一机制一方面避免了在富氧环境中产生自由基，另一方面有助于氧气在内皮细胞层的有效运输。同样，内皮激活（例如在血管新生期间）依赖于无氧糖酵解，这使得内皮细胞能够侵入需要血管化的低氧区域。除了无氧糖酵解的特殊作用，不同的代谢特性控制着内皮细胞的能量生产、生物质合成和氧化还原稳态。这包括脂肪酸的利用（如用于核苷酸合成的脂肪酸氧化）以及谷氨酰胺、天冬酰胺和丝氨酸代谢。代谢调控还参与调节血管成熟。层流剪切应力和血流维持内皮细胞中的氧化戊糖磷酸途径活性，这促进了基质的生成和周细胞的招募。血管内皮还通过调节激素（如胰岛素、脂质和葡萄糖）的输入参与器官代谢的控制。例如，通过操纵小鼠内皮Notch信号减少脂肪酸进入心脏就足以导致充血性心力衰竭，而由支链氨基酸缬氨酸的代谢中间产物3-羟基异丁酸驱动的跨内皮脂肪酸运输失调则促成了肥胖中的胰岛素抵抗。有趣的是，大脑内皮细胞的代谢与血脑屏障主要葡萄糖转运蛋白GLUT1的表达相互关联，并且将其从大脑内皮细胞中删除会严重损害大脑功能。近年来的研究表明，通过调节营养物质的跨内皮运输，内皮在器官代谢和功能中发挥了重要作用。局部指导性信号机制（Local Instructive Signaling Mechanisms）
越来越多的研究表明，毛细血管内皮细胞不仅仅是氧气或营养物质传递的被动通道，还通过旁分泌作用的“血管因子”（angiokines）发挥组织特异性指导性信号机制，支持器官发育和成人器官再生（如图4C所示）。血管内分泌信号传导的概念最早在肝脏和胰腺中得到验证。在胚胎发育期间，内皮细胞的旁分泌信号控制器官发生的早期步骤。这些开创性的实验为在成人中发现血管指导功能奠定了基础。在部分肝切除术后，肝脏再生分为两个不同的阶段：首先是肝细胞增殖阶段，然后是非实质性间质细胞的增殖阶段。仅在这一后期阶段，内皮细胞通过执行血管生成程序来支持肝脏再生。尽管这些事件具有明显的时间顺序，内皮细胞在部分肝切除术后的数小时内改变其转录组，以表达能够主动控制肝细胞增殖的分子。如今，显而易见的是，肝内皮细胞通过指导性、血管内分泌方式控制着几乎所有实质性肝功能。这不仅包括器官发生和再生，还包括成人稳态的小叶分区（通过血管内分泌Wnt信号轴调节肝细胞的劳动分工），以及对病理损伤的反应，包括肝纤维化、肝肿瘤发生和肝转移性定植。指导性血管内分泌信号机制对于维持肝细胞的代谢分区至关重要。肝分区是指沿着肝小叶轴的肝细胞劳动分工。在具有内皮特异性删除分泌型Wnt信号增强子Rspondin3的小鼠中，围中央静脉肝细胞的分区表型完全丧失，表明血管内分泌Wnt信号在维持肝脏稳态中起关键作用。肝内皮血管内分泌Wnt信号是在血管生成素/Tie信号的下游，这在一项沿肝小叶轴分析内皮细胞转录组、蛋白质组和磷酸化蛋白质组的空间内皮多组学研究中得到了证实。最近，血管内分泌Wnt信号在体内嵌合实验中也得到了再现和扩展，其中人类肝组织被移植到小鼠肝脏中。最后，血管内分泌Wnt信号不仅限于肝脏，这在肺损伤后诱导肺内皮细胞中的Rspondin3将间质巨噬细胞引导至抗炎和伤口愈合程序中得到了证明。近年来，肝脏已经成为研究血管内分泌信号机制的原型器官。然而，血管内分泌信号传导范式在其他器官和疾病状态中也得到了充分验证。内皮细胞控制大脑发育和成人大脑的稳态功能，包括维持血脑屏障、神经胶质相互作用和认知功能。它们还控制肺泡化和肺损伤后的修复。心肌的生长和修复由血管内分泌和淋巴内分泌信号机制控制。肾功能、骨功能、皮肤功能、造血以及纤维化和癌症等病理状态也同样受这些信号机制的调控。系统性调节（Systemic Regulation）
除了对器官功能的局部指导性控制，近年来的研究还表明，内皮细胞通过血管内分泌方式系统性地控制代谢的稳态维持。例如，内皮来源的干细胞因子通过激活脂肪细胞中的c-Kit，调节新生脂肪生成的酶的基因表达和蛋白质水平，并促进脂质积累。干细胞因子/c-Kit信号轴因此在抑制产热时，通过增加棕色脂肪组织中脂肪生成酶的含量来调节脂质积累。同样，内皮多胺刺激脂肪细胞脂解并调节白色脂肪组织的稳态。这是由于内皮细胞中脂肪酸β-氧化增强，伴随着对脂肪细胞的旁分泌脂解作用。内皮细胞与脂肪细胞之间的串话是双向的，还可能涉及细胞外囊泡的转移。研究发现，内皮细胞表达的小窝蛋白囊泡能够整合到脂肪细胞中，反过来，脂肪细胞衍生的囊泡也会影响内皮细胞的代谢。这种转移受禁食/再喂养和肥胖的生理调控，表明细胞外囊泡参与了组织对全身营养状态变化的反应。最后，内皮脂蛋白的加工也影响了产热适应期间脂肪组织的重塑。在暴露于寒冷环境的小鼠中，脂肪组织中的内皮细胞吞噬并加工富含甘油三酯的脂蛋白颗粒。这导致通过β-氧化依赖性活性氧生产刺激的缺氧诱导因子-1α依赖性增殖反应，从而促进内皮和脂肪细胞前体的增殖。在肥胖期间的病理性代谢挑战下，内皮细胞的基因表达发生紊乱。对肥胖小鼠进行的多器官单细胞RNA测序（scRNA-seq）内皮谱系分析结合了人类全基因组关联研究（GWAS）数据，识别出在器官和内皮亚型特异性方式中，脂质处理、代谢通路、AP1转录因子以及炎症信号传导发生了变化。有趣的是，饮食干预减轻了肝脏中的内皮功能失调，但在肾脏中没有同样的效果，这表明血管肥胖表型可能具有器官特异性易感性。解析和机制性利用血管异质性（Deconvoluting and Mechanistically Exploiting Vascular Heterogeneity）
血管内皮在结构和分子上以器官特异性方式分化，使其能够执行器官和微环境特异性的功能。具有紧密连接的连续内皮通常存在于需要形成屏障的器官中，例如大脑、肺或肌肉组织。不连续的内皮存在于具有过滤功能的器官（如肾脏）或将物质释放到血流中的器官（如内分泌腺）。窦状内皮形成具有细胞内和细胞间筛状间隙的不连续层，通常见于免疫活性器官，如骨髓、脾脏和肝脏。这些解剖学上不同类型的内皮早已为人所知。然而，直到最近，科学家们才开始研究特定的分子谱系，这些谱系塑造了内皮细胞的器官和口径特异性的表型和功能特征。首个能够稳健区分动脉和静脉内皮细胞的分子系统是在25年前发现的。EphB4受体优先在静脉内皮细胞中表达，而ephrinB2配体则在动脉内皮细胞中表达。在内皮细胞中基因扰动EphB4或ephrinB2会导致动静脉分化的胚胎致死性发育紊乱。自那时起，在分子上定义内皮细胞亚群的进展一直较为缓慢。大多数在小鼠内皮细胞上进行的基因操纵研究利用了VE-钙黏蛋白启动子，这是一种在全内皮细胞中表达的同质黏附分子。虽然VE-钙黏蛋白-CreERT2小鼠已经成为一种通用工具，用于在血管系统中基因敲除floxed基因，但用于内皮细胞亚群的驱动小鼠却只有少量逐步可用，例如BMX-Cre小鼠用于选择性删除动脉内皮细胞中的基因，或Stab-Cre和Clec4g-Cre小鼠用于删除窦状内皮细胞中的基因。涉及Cre-loxP和Dre-rox的双重重组酶介导的基因操作方法可能有助于克服当前已建立的条件性突变技术的局限性。最近已经为此目的提出了一组新的Dre重组酶驱动程序。过去十年中单细胞多组学分析技术的革命性进展，使得能够在最高分辨率下进行内皮谱系的分子解剖（如图5所示）。当在系统水平上进行时，单细胞转录组分析能够提供无与伦比的细胞功能分辨率。然而，在单个分子水平上，单细胞转录组数据的解释需要谨慎。事实上，最近通过分析所有Notch信号成员的单基因和复合基因突变体报道了一种转录与血管病理生理细胞状态之间的不一致性。研究发现，在调节肝脏血管稳态的配体和受体调控方式中存在显著差异，出人意料的是，Notch受体的丧失导致内皮细胞过度有丝分裂、细胞周期停滞和衰老。
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图5 单细胞分辨率下的血管异质性解剖
单细胞多组学分析提供了前所未有的分子和功能分辨率，揭示了口径特异性和器官特异性分化的内皮细胞的特性。从全器官枪法测序研究中提取了内皮细胞的单细胞转录组数据，例如Tabula Muris项目。这类研究为了解内皮细胞的分子谱系提供了一些见解，但它们缺乏深度，并且大多低估了不同器官中内皮细胞的丰度。这可能是因为内皮细胞的RNA含量低于大多数其他细胞类型。因此，高分辨率的内皮细胞转录组图谱主要通过对纯化的内皮细胞池进行测序生成。自2018年的一项研究开始，分别在小鼠的大脑和肺中鉴定出15种和17种独特的内皮细胞类型，之后对小鼠和人类的各种器官进行的其他研究显著推进了对内皮细胞特异性器官型异质性的理解（如表1所示）。这些图谱研究为未来的功能研究提供了无与伦比的分子分辨率。例如，解密微血管多样性形成的机制可能为器官特异性治疗再生性疾病奠定基础，并在不引发诸如纤维化等有害副作用的情况下促进器官愈合。
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将研究领域从快照式的分子图谱和图集推进，比较性的空间和时间分析已经为内皮细胞功能提供了深刻见解。例如，通过在发育过程中对单细胞转录组进行时间解剖，或者通过空间解构内皮细胞对选择性挑战的适应（例如对缺氧的反应），研究人员得到了丰富的信息。同样，对不同病理性扰动的反应也在单细胞分辨率下进行了研究，例如心脏修复期间血管再生相关的变化。类似地，多项研究探讨了肿瘤生长期间内皮转录组的反应。将疾病状态与定义的内皮亚群的转录组联系起来，有望带来对疾病机制的重要且往往意想不到的见解。例如，最近发现通过GWAS研究与阿尔茨海默病风险相关的前45个基因中有30个在人体大脑血管中表达。这些基因在功能上与蛋白质运输、适应性免疫反应和细胞外基质相关，暗示血管在阿尔茨海默病发病机制中起到重要作用。同样，仅通过单细胞转录组分析方法，研究人员才能发现一小群表达apelin的内皮细胞，这些细胞仅占骨髓细胞的0.003%，但对生理稳态和移植诱导的骨髓再生至关重要。这一令人惊讶的发现揭示了apelin阳性内皮细胞在造血中的关键功能角色，提示了改善骨髓移植的潜在靶点。专门血管床的单细胞转录组分析也提供了意想不到的功能见解。例如，鼻子是一个复杂的器官，具有多种功能，包括嗅觉、病原体和有毒化学物质的清除，以及空气的通过、加湿、加热和过滤。为了执行这些基本功能，鼻子具有良好的上皮结构和独特的血管系统。最近通过全装载鼻粘膜组织的免疫荧光染色结合单细胞RNA测序，揭示了小鼠和人类鼻血管的形态学和分子异质性。静脉窦构成了鼻血管的大部分，令人惊讶的是，静脉窦的内皮表达两种淋巴管特异性转录因子PROX1和FOXC2。静脉窦通过依赖于VCAM1的方式将白细胞从血管腔迁移到粘膜下层，从而负责免疫监视。值得注意的是，在过敏性鼻炎的小鼠模型和COVID-19急性感染高峰的仓鼠模型中，鼻静脉窦出现了退化或炎症。此外，在老年小鼠中，鼻腔静脉窦随着平滑肌细胞的丧失而扩展和增大。脑硬膜静脉窦的独特血管结构是另一例特殊的血管系统。 中枢神经系统（CNS）边界，包括脑膜、脉络丛和颅骨骨髓，构成了CNS接口处的免疫屏障，驻留的免疫细胞密切监视这些CNS边界。每种CNS边界组织都被划分为独特的免疫学生态位，在正常条件下执行CNS免疫监视功能。脑硬膜静脉窦是一组排出来自脑实质静脉血的血管通道。硬膜静脉窦周围的免疫细胞作为防止系统性病毒入侵的免疫屏障。单细胞RNA测序分析显示，硬膜窦内皮细胞具有高表达与白细胞黏附和抗病毒细胞因子相关的基因。这些发现表明，硬膜窦内皮细胞通过高水平表达白细胞运输的黏附分子，成为免疫细胞招募到窦周围的关键位置。这与静脉窦血管作为积极的免疫-血管交流战略位置的新兴概念一致。
最近，在单细胞分辨率下对肿瘤生长期间血管生成程序的复杂性进行了解析，这一综合图谱涵盖了31种不同类型的人类癌症中的20万个细胞，为未来的功能性和转化性研究提供了无与伦比的资源。除了血管生成之外，肿瘤相关内皮细胞的单细胞转录组分析揭示了肿瘤细胞与内皮细胞之间双向交流的机制性见解，这种交流促进了肿瘤进展和转移。肝细胞癌相关内皮细胞的单细胞RNA测序显示，肿瘤相关血管的肿瘤胎儿重新编程，促进了巨噬细胞的免疫抑制表型。肿瘤血管还显著重塑，影响了肿瘤内部免疫细胞的运输和功能。后毛细血管静脉衍生的肿瘤相关高内皮静脉（HEVs）在基线和接受抗PD-1/抗CTLA-4免疫检查点抑制治疗时，成为淋巴细胞进入肿瘤的主要位置。事实上，抗血管生成免疫调节疗法通过淋巴毒素/淋巴毒素β受体信号诱导后毛细血管静脉向炎症性HEVs转分化。反过来，肿瘤HEVs增强了肿瘤内部淋巴细胞的流入，并促进了PD-1(−)和PD-1(+)TCF1(+) CD8 T细胞前体分化为GrzB(+)PD-1(+) CD8 T效应细胞的有利淋巴细胞生态位。肿瘤HEVs需要持续的CD8和自然杀伤（NK）细胞信号，揭示了肿瘤HEV维持是由适应性免疫系统通过前馈回路积极塑造的。同样，内皮细胞表达和激活干扰素基因刺激物（STING）信号通路与增强的T细胞浸润相关，并延长了人类结肠癌和乳腺癌患者的生存期。为了转化性利用这些发现，发现STING激活的纳米颗粒（STANs）促进了血管正常化，减少了肿瘤缺氧，并增加了内皮细胞T细胞黏附分子的表达。STING介导的血管重新编程从而增强了抗肿瘤T细胞的浸润、增殖和功能，并提高了对免疫检查点抑制剂和过继性T细胞疗法的反应。转移的肿瘤依赖于肿瘤与内皮细胞之间的双向相互作用。研究表明，肿瘤细胞通过双链RNA依赖的方式诱导内皮中的轴突引导基因Slit2的表达，从而促进癌细胞向内皮细胞的迁移，并通过在肿瘤细胞上表达的Robo1受体进行内渗。因此，癌细胞通过共选RNA感应诱导内皮中的趋化信号通路，推动内渗和转移。癌细胞扩散期间，转移性肿瘤细胞衍生的信号下调了前转移生态位内皮细胞中肿瘤坏死因子相关的凋亡诱导配体（TRAIL）的表达。这干扰了通过TRAIL抑制其自身死亡受体5活性的内皮静息介导的内分泌信号回路。在稳态下，这一抑制有助于保持静息血管表型。由于TRAIL下调，死亡受体5激活诱导内皮细胞死亡，并通过核因子κB/p38依赖性方式增加内皮黏性，损害血管完整性并促进髓系细胞浸润、乳腺癌细胞黏附和转移。总之，对内皮细胞异质性的解析取得了显著进展，达到了单细胞分辨率，带来了丰富的新知识。这些知识现在等待进一步的机制性解剖和整合。对个体新靶基因和机制及通路特异性特征的深入挖掘，将为预防医学应用和治疗干预的新的转化机会铺平道路。转化性血管科学研究的前景（Perspectives in Translational Angioscience Research）
血管研究已经推动了众多针对重要人类疾病的重磅药物的开发，这些疾病涉及血管生成、炎症、血压调节和凝血等方面。由于内皮细胞位于全身循环的暴露位置，易于进行治疗干预。然而，与许多实质性细胞群（如肝细胞和心肌细胞）不同，内皮细胞以难以通过病毒载体选择性靶向而著称。然而，最近关于器官特异性、口径特异性和病理状态特异性内皮细胞标志分子的知识，可以用来靶向特定的内皮细胞群体。同样，近年来，内皮细胞载体研究也取得了实质性进展。再生医学（Regenerative Medicine）
再生医学应用旨在替代、工程化或再生细胞和组织，但面临一个内在的问题，即任何超过微观大小的组织生长都依赖于血管供应。然而，微血管组织工程（如图6A所示）面临着多个挑战，并涉及生物学考虑（移植的细胞来源）、材料科学挑战（合适的生物相容性支架）、工程科学瓶颈（将细胞与支架组装成组织）以及临床限制（移植技术）。![]()
图6 血管科学研究的转化前景
(A) 通过血管干细胞和重编程的诱导多能干细胞（iPSC）衍生的内皮细胞进行微血管组织工程，可能在新兴的再生医学应用中具有显著的转化潜力。
(B) 与血管相关的参数和分子可作为全身健康的生物标志物输出，用于预防医学应用。
(C) 血管老化是有机体老化的主要决定因素。因此，治疗性血管再生可能是一种促进健康寿命和延长寿命的策略。
适合用于移植的细胞群应优先选择自体细胞，这推动了使用分化干细胞作为种子来源的研究。如果可能，移植的细胞应表现出器官型特征，正如最近将人类诱导多能干细胞（iPSC）衍生的细胞移植到小鼠肝脏血管中所展示的那样。同样，已经提出将分化的内皮细胞重新编程用于移植目的。ETS家族转录因子ETV2作为一种先导因子，能够放松关闭的染色质并调节内皮发育。在成熟的人类内皮细胞中，ETV2的短暂重新激活可以“重置”这些内皮细胞，使其成为可适应的、具有血管生成潜力的细胞，这些细胞能够形成可灌注和可塑性的血管丛。由患者衍生的自体分化内皮细胞重新编程获得的这些细胞可能成为组织工程的有吸引力的来源。共移植的间充质基质细胞有助于内皮细胞的在体移植。研究表明，这些共移植的间充质基质细胞通过隧道纳米管将线粒体转移到内皮细胞，从而增强内皮的生物能量并使其能够在缺血组织中形成功能性血管。移植内皮细胞的另一种替代方法是移植小型器官构件或类器官，这些构件或类器官可以利用内源性内皮细胞。例如，通过移植培养的来源于人类骨髓的间充质干细胞的成骨构件可以实现骨组织工程。在移植之前用VEGF装饰这些构件可以吸引内源性内皮细胞为移植构件形成血管。在这种应用中，VEGF的剂量对于平衡血管生成和成骨生成至关重要。组织工程的另一个目标是生成体外复杂的血管化组织，这些组织在移植后可以与宿主血管系统连接。为此，已经开发了3D生物打印技术，其中细胞被纳入生物墨水中并嵌入颗粒支撑材料中。凝胶化后，生物打印的组织结构被培养以成熟为功能性的类天然组织。通过使用3D生物打印和随后在基于卡帕卡拉胶的微凝胶（CarGrow）中培养几天的“打印与生长”技术，通过提供机械支撑，提高了打印对象的长期结构稳定性。还通过连接毫米级的类血管支架和3D生物打印的血管化组织来进行体外层次结构血管段的工程化，以创建完全工程化的血管构件。通过使用牺牲模具创建聚合物类血管支架，并在其腔内播种内皮细胞以形成类天然的毛细血管。这些内皮化的支架在血管化水凝胶中组装，以协同创建血管，使组织能够通过支架腔进行灌注。这种完全体外工程化的血管构件已经在大鼠的股动脉中进行了显微手术吻合，从而形成了耐久灌注的植入组织。总之，将完全血管化的移植物用于临床的组织工程仍然有很长的路要走。然而，本文提到的几个例子突出了细胞工程（无论是干细胞衍生的还是重新编程的分化细胞）、生物材料科学、细胞和组织工程（从类器官技术到生物打印应用）以及移植技术（从自发自组织到显微手术）方面的最新进展，这些都为未来多年内多个临床应用的转化突破带来了巨大的希望。预防医学（Preventive Medicine）
在预防医学应用领域也可能出现转化性前景（如图6B所示）。成年人的血管内皮覆盖了巨大的表面积，可能超过一个足球场的大小。因此，即使单细胞水平的转录组变化微妙，也有可能在循环系统中检测到分泌的内皮分子。在前转移生态位内皮细胞转录组变化的系统图谱中，发现了TGF-β通路修饰因子LRG1作为一种来源于内皮的转移指导因子。对携带肿瘤的小鼠进行LRG1表达的多器官血管分析表明，原发性肿瘤诱导的LRG1上调不仅限于前转移生态位的内皮细胞，还可以在所有分析的器官内皮细胞中观察到。同时，LRG1蛋白在携带肿瘤的小鼠的循环系统中也能大量检测到。令人惊讶的是，即使是小的原发性肿瘤也能够通过循环系统中可检测到的蛋白质浓度升高系统性地重新编程血管内皮。从机制上讲，这意味着原发性肿瘤可能利用了广阔的血管内皮表面，作为肿瘤衍生信号的放大器。这一概念可以转化为其他涉及系统性血管激活的疾病状态，其中可能释放到循环系统中的内皮分泌组具有疾病刺激特异性的激活特征。我们可以设想，系统性血管内皮可能被开发为系统健康的生物标志物输出以及早期识别患有血管功能障碍相关疾病的高危患者的预警筛查系统。利用血管内皮作为健康的读取工具，尤其在纵向监测中，可能具有强大的优势。 将数字可穿戴设备与临床生物化学相结合，需要微创采样技术和易于测量的、具有高度分层潜力的稳健生物标志物。分析一滴血中的内皮分泌组可能正好满足这一目的。例如，最近发现肿瘤衍生的Angptl4氨基末端片段（nANGPTL4）是强效的内源性转移抑制因子。与低水平nANGPTL4的患者相比，血液中高水平的nANGPTL4与黑色素瘤患者的更好预后相关。值得注意的是，比循环nANGPTL4的绝对浓度更重要的是纵向趋势分析，即在个别患者中nANGPTL4是上升还是下降。当将黑色素瘤患者分为循环nANGPTL4浓度下降或上升的组别时，哪怕是仅仅10%的上调与10%的下调相比，也能在Kaplan-Mayer生存曲线中产生显著差异。这个简单的例子有力地说明了在日常纵向监测预防医学应用中，利用血管相关参数和分子作为系统健康输出的潜在前景。除了监测预防医学应用，未来的研究还将探讨是否通过例如促进Tie2激活以模仿信号的方式来促进静息信号传导，从而改善血管健康的预防性治疗措施是否有益。预防或逆转血管老化
血管老化领域可能是血管研究中具有巨大转化潜力的第三个方向，其目标是预防或逆转血管老化（如图6C所示）。内皮细胞——与其他间充质谱系的细胞群一样——在维持和周转模式上与其他细胞群明显不同。上皮细胞和造血细胞主要通过干细胞的不对称分裂产生分化细胞，通常这些分化细胞的半衰期较短，组织的再生依赖于干细胞的增殖，例如在皮肤或肠上皮细胞中可见。相反，寿命较长的分化细胞通常具有非常有限的增殖能力，例如心肌细胞或神经元细胞。内皮细胞则不同，它们既是长寿命的细胞，又在受到血管生成刺激时具有巨大的增殖能力。分化内皮细胞的长寿命——结合骨髓衍生的祖细胞可能不参与成年内皮细胞更新的观点——可能意味着一个生物体的分化内皮细胞数量可能就是其整个生命周期内的内皮细胞库。这是一个引人深思的概念，因为它提出了一个问题，即分化内皮细胞库的老化是否可能成为老化的速率限制瓶颈。老化研究一方面广泛关注老化的分子机制的阐明，另一方面则关注影响生物体寿命和健康寿命的干预措施。相比之下，细胞层面的老化研究，尤其是不同细胞群的比较研究，尚未得到广泛开展。这类研究可能揭示某些细胞群是否比其他细胞群更易受老化影响。小鼠和人类组织中观察到的随着年龄增长而发生的血管密度下降，并表现出显著的器官特异性差异，确实表明血管内皮在老化过程中可能特别易受影响。与这些与老化相关的血管稀疏研究相一致，功能性研究逐渐积累了证据，表明内皮细胞可能是更易受老化影响的细胞群之一。对衰老细胞（使用p16(Ink4a)作为衰老标志物）的谱系追踪揭示，小鼠体内的p16高表达的衰老细胞在10到12个月龄时表现出来，其中大部分是肝脏窦状隙的内皮细胞，少数是巨噬细胞和脂肪细胞。消除衰老细胞破坏了血液-组织屏障，并导致了肝脏和血管周围组织的纤维化。有趣的是，衰老的内皮细胞并未被替代。类似的发现也出现在哈金森-吉尔福德早衰症（HGPS）的模型中，这种加速衰老综合征与早发性血管疾病以及由心脏病和中风导致的死亡相关。由这些患者的iPSCs分化出的内皮细胞表现出衰老的标志，包括复制停滞、炎症标志物表达增加、DNA损伤和端粒侵蚀，支持了内皮老化可能是疾病过程的决定性瓶颈细胞群的观点。在HGPS小鼠模型中，通过慢病毒转染mTERT改善了内皮细胞的衰老表型，增加了NO生成和乙酰化低密度脂蛋白的摄取，改善了血管生成并减少了炎症参数。第三项研究基于在衰老的血管内皮细胞中观察到丰富的GPNMB表达，暗示内皮细胞的特异性易感性。对小鼠进行抗GPNMB的衰老疫苗接种，减少了GPNMB阳性细胞，并改善了与衰老相关的正常和病理表型，延长了早衰小鼠的寿命。药物性衰老治疗还被提出作为眼科的局部治疗方法。靶向BCL-xL的眼内注射衰老药物减少了糖尿病诱导的视网膜血管渗漏，并保护了视网膜功能。这些临床前发现为后续早期糖尿病性黄斑水肿患者的临床试验奠定了基础。内皮细胞在老化过程中经历了显著的转录和表型变化，包括固有免疫和氧化应激反应通路的上调。老化表型至少部分由可溶性因子控制，这一点从将年轻小鼠的血浆注入老年小鼠后观察到毛细血管转录组的年轻化效应可以看出。老年内皮细胞表现出促炎表型，从而促成了在老年生物体中看到的炎症性老化表型。例如，老年小鼠海马内皮细胞表达了具有焦点性VCAM1上调的炎症转录谱。相应地，VCAM1在老年人类和小鼠的血浆中显著增加。VCAM1的抑制（通过基因或抗体）能够逆转老化表型的某些方面，包括小胶质细胞反应性和认知缺陷。内皮NAD+-硫化氢（H2S）信号网络的受损也已被确立为一种可逆的血管老化原因。用烟酰胺单核苷酸（NMN）处理小鼠可以改善老年小鼠的血流量和耐力。NMN作为NAD+增强剂，通过促进SIRT1依赖性的毛细血管密度增加，且这一效果可以通过运动或增加H2S水平来增强。内皮细胞老化的后果也在心脏中得到了研究。老年心脏内皮细胞表现出神经调节基因表达的失调。这导致神经功能的改变和心室神经密度的降低，从而导致老化过程中心脏功能的紊乱。老化过程中改变的血管分泌信号机制也在骨髓中观察到。在这里，老年内皮细胞未能支持造血干细胞和前体细胞的年轻表型，结果导致这些细胞获得了老化表型。报告显示，Netrin-1和mTOR信号在内皮细胞中作为年轻内皮细胞表型的调节因子，涉及活跃的DNA损伤反应机制。肿瘤相关的内皮细胞似乎对诱导衰老的操作特别敏感。 在携带胰腺肿瘤的小鼠中，通过衰老诱导疗法（结合MEK和CDK4/6抑制剂）诱导SASP（衰老相关分泌表型）优先影响肿瘤相关内皮细胞，使其表现出促血管生成的表型，反过来，这一表型增强了药物递送并促进了CD8+ T细胞在肿瘤内的积累。因此，肿瘤血管生成内皮细胞和衰老内皮细胞似乎具有转录和表型的共性。衰老内皮细胞的不同功能特征 也在肾脏和肺部观察到。在肾脏中，选择性失活内皮细胞中的PAI-1被发现可以保护老年小鼠的肾小球免受病变发展和足细胞丧失。同样，在老年p16 INK-ATTAC转基因小鼠中，消除衰老细胞可防止足细胞的丧失。人类肾小球中PAI-1的表达可以预测老年供体移植肾脏的不良结果，尿液中的PAI-1与年龄相关的慢性肾病相关。在肺部，功能失调的内皮ERG信号驱动了肺血管老化和持续性纤维化，这与染色质可及性降低和对损伤的适应不良的转录反应有关。新概念、新方法和新技术 正在不断涌现，如生物医学和成像设备。这些新发展如何融入血管科学研究，并最终用于治疗血管疾病患者？更深入、更明确、更有见解的研究和临床试验是将基础研究与临床实践紧密结合的关键，以便在实验室和病床之间架起一座坚实的桥梁。总结
血管研究是心血管生物学和医学这个更广泛领域中的一个较小分支。尽管心脏病学在科学和临床上是一门发展较为一致的学科，但血管研究领域则更为分散，基础研究与临床研究之间存在脱节。临床相关的分支，如血管生成、炎症、血压调节、凝血和动脉粥样硬化，大多被视为各自独立的研究领域，缺乏跨学科的协同作用。此外，由于血管是每个器官的一部分，血管研究在各个器官学科中都有开展。然而，在每个器官学科内，血管研究通常处于一个边缘化的小众领域。因此，整个学科本身是分散的，而在学科之外，人们对血管内皮在器官功能和系统健康中的核心作用缺乏广泛的认识。我们将血管系统概念化为一个全身分布的器官，称之为“血管科学（angioscience）”，这一系统性概念有望推进系统生理学的发展，并加深对疾病的病理生理学理解。此外，开发心脏与血管之间的协同作用和功能性交流，将有助于多器官心血管通讯生物学领域的发展。这些进展正值利用多组学方法分解特定口径和器官特异性分化的内皮细胞的多样性，直至单细胞分辨率的分子层次。对这些丰富信息的挖掘为机制研究提供了前所未有的机会，旨在识别和验证与疾病相关的血管完整性通路以及新的病理易感性和靶点。
对血管内皮的结构功能进行综合的系统分析，为开发新的临床应用铺平了道路。我们已经列出了在再生医学、预防医学和血管老化领域中出现的机遇。然而，从长远来看，可能会出现更广泛的转化机会。由于直接暴露于循环系统中，理论上没有哪个细胞群比血管内皮更容易进行治疗干预。因此，开发治疗策略以靶向选择性器官内皮细胞亚群以局部递送治疗药物或重新编程控制器官功能的器官型指导性血管信号机制是可以设想的。为充分利用血管内皮的转化潜力，需要大幅度加大研究力度。同样，更好地协调血管研究不同分支的学科整合，将有助于认识血管壁细胞在影响器官功能的众多不同方面的作用。
