Part One
1，血管的简要基础生理知识
在胚胎发育的早期阶段，在没有血管的情况下，它通过物理扩散接受营养物质的吸收。血管发生始于中胚层细胞分化出一种能发育为造血细胞和内皮细胞的共同祖细胞（hemangioblasts），随着进一步分化发育，这种祖细胞转化为血管母细胞（angioblasts），逐渐形成血窦，然后这些血窦和内皮细胞共同发育成毛细血管和血管网。血管系统是由动脉、静脉和相互连接的毛细血管组成树状结构的封闭网络组织。动脉和静脉的内皮层是由内皮细胞排列形成连续的单层，而毛细血管的内皮可以是连续的、开窗的或不连续的，这取决于组织器官的功能特征[1]。毛细血管根据功能需求生长和消退，因而血管网络的重塑贯穿一生[2]。
血管网络的分支在三维空间中有规律地组织，以向所有组织细胞提供足够的营养，并允许热量分配。代谢活动的变化导致毛细血管形成的比例变化。氧在这种调节中起着重要作用，血流动力学因素对毛细血管网络的存活和血管壁的结构适应至关重要。血管生成是一个完全动态的过程；根据组织中的外部需求，毛细血管可以生长和发育。例如，运动可以刺激肌肉和心脏的血管生成，而停止体力活动则会导致毛细血管减少。在体重增加期间，脂肪组织中也会生长毛细血管，随着体重减轻，毛细血管也会减少。
毛细血管中的内皮细胞不仅仅负责输送血液，而且血管微环境（niche）的重要组成细胞，分泌一系列生长因子（血管分泌因子）；当器官组织损伤后时，血管分泌因子协调组织特异性干细胞和祖细胞的自我更新和向功能器官的分化，实现器官发育和再生[3]。
毛细血管直径为5-10μm，由单层内皮细胞覆盖，主要有三种类型：continuous capillary, fenestrated capillary和sinusoidal capillary[1]。这些毛细血管的独特结构允许水、小溶质和脂溶性物质扩散到周围组织/间质液中，而不会损失任何循环细胞和血浆蛋白质。葡萄糖和其他营养素等大分子则通过内皮细胞的细胞转运，这是一个由特定转运体（transporters）参与调节的过程。
在大多数中枢神经系统中，连续型毛细血管（continuous capillary）以更特殊的状态存在，内皮细胞通过紧密连接结合在一起以减少血管壁的渗透性，从而限制了大多数大分子、药物和病原体进入脑组织。窗孔型毛细血管（fenestrated
capillary）具有细胞内孔或“窗口”，不仅加快了水的交换，还允许像小肽一样大小的物质在血浆和组织间质液之间流动。这种结构存在于大脑脉络丛、几个内分泌器官（如松果体、垂体和甲状腺）以及下丘脑、肾脏的滤过部位和肠道的吸收区域，但是各有不同数量的孔隙和通透性。窦状毛细血管（sinusoidal
capillary）是在内皮细胞之间有间隙而不是孔隙，其特征是扁平和不规则的形状，有较薄的不完整基底层覆盖。这种特性导致水的自由交换，并为血浆和间质液之间的血浆蛋白等较大的物质提供了通道，而且血流在窦状间隙中减速，以延长通过管壁屏障的交换时间。这种结构常见于肝、脾、骨髓和几个内分泌器官，包括垂体和肾上腺髓质。还有2种特殊的毛细血管结构，即周边角膜中的Schlemm管是一种内皮细胞排列的通道，和高内皮微静脉作为淋巴细胞从血液迁移到淋巴结的入口。人体中每个器官组织都需要健康的脉管系统来确保正常的血供，因此，有专家指出血管内壁功能障碍是导致人类死亡的最重要原因，病理性血管相关病变的死亡人数占总死亡人数的三分之二以上[1]。血管生成可以治疗缺血性心脏病和外周动脉疾病或伤口愈合。血管组织最主要的细胞类型为内皮细胞。内皮祖细胞有多种内皮特异性标记物，包括血管内皮钙粘蛋白（VE-cadherin）、血小板内皮细胞粘附分子（PECAM）、血管内皮生长因子受体（VEGFR-2）、内皮特异性受体酪氨酸激酶（Tie-2）等。在身体不同部位观察到的有趣的事情是，身体不同器官中周细胞与内皮细胞的比例不同，比如肺中的比率约为1:10，而横纹肌组织中的比率达到1:100，在视网膜和中枢神经系统等器官中的比例为1：1，这个比例导致血-视网膜屏障和血-脑屏障的形成[4]。
血管生成是在现有动脉的基础上形成新的动脉，其发生有两种形式：出芽（sprouting）和非出芽（Intussusceptive angiogenesis，non-sprouting）。在Intussusceptive angiogenesis（非出芽方式）过程中，已经存在的血管纵向分裂为新血管，以扩张和重塑未成熟的毛细血管丛，将1个毛细血管分裂为2个平行毛细血管，其对EC迁移和增殖的最小依赖性，因而能迅速扩展血管网络[5, 6]。
血管生成是细胞增殖、分化、迁移、基质粘附和细胞间多种信号传导过程紧密协调的一个例子，涉及基底膜的消化（基质中的金属蛋白酶激活后降解细胞外基质）、内皮细胞增殖和迁移[7]。血管生成所伴随的细胞应力，贯穿到基质重塑、细胞迁移和管腔形成的三个过程中[8]。血管生成在很大程度上由遗传因素决定，尤其是动脉内皮细胞和静脉内皮细胞有一点细微的特征差异，尽管周围的其他细胞和血流动力学力也参与了血管重建[9]。
为了形成新的血管，管壁细胞首先从现有的血管出芽处向延申方向移动；血管生成素-2作用于血管，导致出芽处的血管进入不稳定状态，并刺激内皮细胞从稳定、发育迟缓状态改变为激活表型；VEGF的刺激作用增加了血管通透性，蛋白酶和基质化合物从血管基质中释放出来，以及内皮细胞开始增殖；增殖的内皮细胞发生迁移，逐渐形成管状结构[10]。内皮细胞增强迁移形成出芽后，Tie2血管生成素启动管腔形成，EphB-ephrinB系统调节管腔形成过程，同时需要周细胞和平滑肌细胞参与稳定管腔，从而形成新生的血管[11]。黏附分子如αvβ5和αvβ3整合素有助于拉动和推进生长的血管芽[12]。缺氧和营养缺乏的微环境能促进促血管生成生长因子的释放，而促血管生成生长因子刺激静态的内皮细胞进入激活状态，活化的内皮细胞分泌基质金属蛋白酶（MMP）来降解基底膜，为参与血管生成的细胞迁移做准备[13]。一旦组织的血管重建结束，促血管生成因子水平将自然降低，内皮细胞重新恢复其静态表型，静止的内皮细胞通过连接分子高度互连，从而稳定血管壁并形成可渗透的屏障[14]。当细胞外基质的硬度增加时，其中的血管生成率急剧下降，但是新血管也不会在非常软和松散的环境中形成[15-17]。内皮细胞（ECs）形成这些血管的内膜支架层，它们在血液和底层细胞之间提供物理屏障，和维持组织内稳态。在生理条件下，内皮细胞（ECs）参与代谢稳态（营养功能）、血管血流动力学、血管通透性、凝血和细胞营养物质运输的调节[18, 19]。在静态状态下，内皮细胞平衡各种血管舒张或收缩因子的释放，如一氧化氮、前列环素和内皮素，以维持血管张力、血压和血流[20]。VEGF的mRNA经过不同的剪接，形成多个亚型，包括VEGF-A、VEGF-B、VEGF-C、VEGF-D、病毒编码的VEGF-E和胎盘生长因子（PlGF）。VEGF-A结合受体R1和R2，VEGF-B和PlGF结合受体R1，VEGF-C和VEGF-D结合受体R3，不同的VEGF受体参与主导不同的生物学效应[21]。VEGFR2信号活性是血管生成的关键，参与了内皮细胞的表观遗传控制，如乙酰化、甲基化和泛素化[22]。
在内皮祖细胞的发育分化过程，内皮细胞通过感觉VEGF的浓度来调控动脉和静脉的形成，高浓度的VEGF以Delta/Notch依赖 (NRP1+, DLL4+, CXCR4+)的方式促进动脉发育，而低浓度的VEGF则促进静脉发育（标记物为NRP2+和EphB4+）[23]。可溶性VEGFR2和VEGFR3分子（VEGF受体）结合VEGF，中和VEGF的活性，从而发挥了抗血管生成的作用[24, 25]。信号分子Wnt、Sox和Notch是决定内皮细胞的动静脉分化的最重要的信号通路和下游转录因子，通过不同家族成员的协调作用驱动内皮祖细胞向静脉或动脉内皮细胞分化[23, 26]。VEGF是动脉生成的重要诱导因子，但是通过ERK通路的强烈刺激将内皮细胞分化为动脉表型[27]，而PI3K/AKT通路的激活抑制动脉生成，有利于静脉分化[28]。
内皮细胞在止血中起着关键作用，在正常情况下维持血液处于流体状态。当血管出现损伤时，皮细胞通过调节血小板粘附和活化以及控制促凝、抗凝和纤溶过程来促进血管损伤部位快速形成局部血栓和限制血栓的扩大化[29, 30]。除了控制血管通透性，内皮细胞还调节止血和炎症，以及血管舒缩张力、细胞粘附和血管生成，并参与先天性和适应性免疫反应[31]。内皮细胞具有巨噬细胞相似的许多固有免疫功能，包括细胞因子分泌、吞噬功能、抗原呈递、病原体相关分子模式和危险相关分子模式传感、促炎、免疫增强、抗炎、免疫抑制、迁移、异质性和可塑性[31]。在急性和慢性炎症状态下，内皮细胞受到损伤，则导致血管的通透性增加，甚至吸引免疫细胞的激活和聚集，从而产生有害影响，导致组织水肿[32]。有研究证明IRT3/SOD2信号缺陷导致的线粒体氧化损伤，进一步导致高血压患者内皮祖细胞再内皮化能力下降，因而内皮祖细胞线粒体氧化还原稳态的维持可能是内皮损伤的一个新的治疗靶点[33]。内皮细胞同样促进了原发瘤和转移瘤的生长发展[34]。恶性肿瘤微环境中促血管生成因子（如VEGF）的生成增加，刺激了出芽方式血管生成的自增强循环。事实上，肿瘤血管杂乱无序，缺乏正常功能的内皮细胞和壁细胞，导致存在血管渗漏现象；但是正常化的血管可以减轻肿瘤缺氧，损害癌细胞的血管灌注，并加强抗癌治疗[35]。不同组织部位的内皮细胞有明显的异质性，这个异质性也可能是不同组织部位的局部微环境导致的。小鼠器官特异性内皮细胞在转录因子、血管分泌生长因子、粘附分子和趋化因子的表达谱方面有显著的特异性[36, 37]。人胎儿心脏、肺、肝和肾来源内皮细胞的转录组测序分析也同样显示出器官特异性的表达谱，这些不同组织的内皮细胞表现出不同的屏障特性、血管生成潜力和代谢率，并支持特定的器官功能[38]。
但是也有专家认为现在大量mRNA测序依然无法准确、细致地描述血管内EC的异质性[7]。对肺肿瘤组织的内皮细胞（TEC）进行了单细胞RNA测序，鉴定出了几十个不同的内皮细胞表型，只有tip-TEC在物种/模型中是高度保守，而且Tip/TEC对血管内皮生长因子阻断最敏感[39]。同一肿瘤类型的异常血管内特定内皮细胞亚群的比例，很可能在患者之间有所不同，但这在多大程度上可以作为治疗结果的预后标志物尚待确定。
未完……待续
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