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本文聚焦心血管疾病（CVDs）中内皮细胞功能障碍（ECD），详细阐述其发病机制，介绍多种体外模型，如 2D、3D 细胞培养及器官芯片模型等。这些模型可研究疾病机制、筛选治疗药物，为心血管疾病研究提供重要参考。
内皮细胞的重要作用
内皮细胞（ECs）是排列在血管内壁的一层细胞，形成半透膜单层，在维持血管稳态中发挥关键作用。它能感知物理和化学信号，调节血管张力、细胞黏附，还具有抗凝、抗炎等特性，对心血管系统健康至关重要。不同部位的 ECs 在形态、生理和表型上存在差异，如心脏中的 ECs 分为心脏内皮细胞和血管内皮细胞，它们在结构、功能及代谢方式上均有所不同。
内皮功能障碍与心血管疾病
多种因素，如慢性疾病（如 2 型糖尿病、肥胖、血脂异常）、吸烟、血流紊乱等，会破坏 ECs 的静止状态，引发内皮功能障碍（ECD） 。ECD 的定义涵盖了内皮细胞在遗传、表观遗传、转录组、蛋白质组、代谢、形态和功能等多方面的病理变化。其引发的病理后果包括血管重塑、炎症、血管收缩和血栓形成，与多种心血管疾病密切相关。
研究内皮功能障碍的体外模型
为深入研究 ECD 的机制，科研人员开发了多种体外模型，主要分为 2D 和 3D 细胞培养模型。
- 2D 细胞培养模型：包括细胞系和原代细胞培养。细胞系可反复传代，结果稳定且成本低，但存在表型变化的问题。原代细胞能更好反映体内情况，但分离和培养难度大。人脐静脉内皮细胞（HUVECs）因其体外行为类似体内细胞，常被用于研究疾病触发因素对内皮的影响，但也存在表面分子表达不完全的缺点。
- 3D 细胞培养模型：相比 2D 模型，能更好模拟人体组织和器官的复杂性。
- 无支架 3D 细胞培养系统：细胞通过自我聚集和分泌细胞外基质（ECM）成分形成 3D 结构，常用于构建肿瘤或心脏组织模型，虽最初并非用于研究 ECD，但引入相关触发因素后有潜在应用价值。
- 有支架 3D 细胞培养系统：通过引入 ECM 样结构支持细胞生长，如聚合物支架或水凝胶。水凝胶因亲水性、生物相容性好，更适合研究 ECs。该模型在癌症研究中应用较多，在心血管疾病 ECD 研究中较少，但能展现出与 2D 模型不同的细胞反应，如对肿瘤坏死因子 -α（TNF-α）刺激的反应。此外，还有动态有支架 3D 模型可研究血流剪切应力。
- 器官芯片（OOAC）模型：是一种新兴技术，能模拟组织和器官水平的生理学，可研究多种血管疾病。但存在细胞培养数量有限、设计复杂、难以验证等缺点。在研究 ECD 时，可观察血液与内皮细胞的相互作用以及疾病状态下内皮屏障功能的变化。
诱导内皮功能障碍的刺激因素
- 化学刺激：
- 血管收缩 / 舒张失衡：抑制一氧化氮（NO）合成或诱导血管收缩，如使用 L-NAME 抑制 NO 合成，或用血管紧张素 II、内皮素 - 1（ET-1）、血栓素 A2诱导血管收缩，可建立 ECD 体外模型。
- 氧化应激：活性氧（ROS）生成增加会导致氧化应激，如氧化低密度脂蛋白（Ox-LDL）可通过多种机制诱导 ECD，相关模型有助于研究动脉粥样硬化等疾病。
- 炎症：炎症因子可激活内皮细胞，导致功能障碍。体外模型常用脂多糖（LPS）、干扰素 γ（IFNγ）、TNF-α 等诱导炎症，研究炎症与 ECD 的关系。
- 缺氧：慢性持续性或间歇性缺氧会触发 ECD，通过影响缺氧诱导因子（HIF）等机制，导致炎症、氧化应激和 NO 生成异常。不同频率和程度的缺氧可用于建立体外模型。
- 高血糖：糖尿病患者的高血糖状态会导致 ECs 功能改变，如减少 NO 生成、激活核因子 κB（NF-κB）等。体外实验通过高糖培养 ECs 来模拟高血糖环境，研究其对 ECs 的影响。
- 毒素：环境毒素如砷、香烟烟雾、对甲酚等可导致 ECD，相关体外模型可研究毒素对内皮细胞的损伤机制。
- 营养缺乏：细胞饥饿或低镁浓度等营养缺乏条件可诱导 ECD，如低镁会促进氧化应激和细胞衰老。
- 机械刺激：
- 剪切应力：血流产生的剪切应力分为层流和湍流。层流具有保护作用，可促进 NO 生成；湍流则具有促动脉粥样硬化和促炎作用，会导致 ECD。体外模型通过不同装置施加剪切应力，研究其对 ECs 的影响。
- 循环拉伸：由脉动血压引起的循环拉伸对血管功能有生理和病理双重影响。生理情况下可维持血管稳态，病理情况下则会促进 ECD 和心血管疾病进展。体外可通过特定装置模拟循环拉伸，研究其与其他因素共同作用对 ECs 的影响。
研究意义与展望
体外模型为研究 ECD 的细胞和分子机制提供了重要平台，有助于筛选潜在治疗药物。与动物模型相比，具有更高的实验灵活性和可重复性，且符合生物医学研究的伦理要求。未来应开发更先进的体外模型，考虑不同细胞间的复杂相互作用，以更深入地了解心血管疾病中 ECD 的病理生理学机制，推动心血管疾病的治疗和预防研究。
