血管內皮細胞在低剪切應力下攝取氧化應激介導的細胞外囊泡

來源：上海泉眾機電科技有限公司 2022年02月25日 08:38

納米顆粒是一種很有前途的平臺，可以將治療分子直接輸送到疾病部位并防止脫靶器官毒性。當納米粒子在血液中傳播時，它們會繞過血管的彎曲和凸起并接觸細胞或組織。在這個過程中，它們將經歷血流動力學，導致某些區域的局部高納米顆粒積聚，從而導致診斷和治療的毒性和功效不同。

先前的一項研究表明，流動剪切應力和速度是納米顆粒在血管系統中傳輸藥物的關鍵因素。此外，不同的流動應力會影響內皮細胞對納米顆粒的吸收。通過確定血管拓撲結構、局部血流動力學和納米粒子分布之間的關系，可以選擇具有更高特異性的納米粒子。

細胞外囊泡（EVs）是由大多數細胞產生的納米級膜狀囊泡。EVs根據其生物發生、釋放途徑和大小分為外泌體、微囊泡和凋亡小體。EVs 作為重要的介質，將具有生物活性的分子（如 mRNA、miRNA 和蛋白質）轉移到靶細胞。然而，EVs 在血管中的分布以及 EVs 在血流中傳播時與內皮細胞的相互作用尚不清楚。

最近，紅細胞衍生的 EVs（RBCEVs）已被廣泛用作藥物輸送載體。與其他細胞產生的 EVs 相比，RBCEVs 更容易制備、安全且循環時間長。

生物流變科學與技術教育部重點實驗室（重慶大學）的研究人員曾假設內皮細胞對 RBCEVs 的攝取也可能受到不同流動模式和剪切應力的影響。文章名為《Uptake of oxidative stress-mediated extracellular vesicles by vascular endothelial cells under low magnitude shear stress. Bioact Mater》。在這一項研究中，使用 RBCEVs 作為天然 EVs 的模型，以研究血流動力學對體外和體內 EVs 與內皮細胞相互作用的影響。

體外低剪切應力促進內皮細胞對 RBCEVs 的攝取

為了驗證內皮細胞對 RBCEVs 的攝取是否會受到不同流體剪切力的影響，作者使用軌道振動器系統模擬各種流動剪切條件（LSS：5 dyn/cm²、NSS：12 dyn/cm²、HSS：25 dyn/cm² ）。

在 HSS 下，少量 RBCEVs 被內皮細胞吞噬。然而，隨著剪切應力的降低，內皮細胞對 RBCEVs 的攝取逐漸增強。流式細胞儀分析進一步表明，與 NSS 和 HSS 相比，LSS 下 RBCEVs 的攝取量分別增加了 1.67 倍和 189 倍。此外，在相同的剪切應力下，內皮細胞對 RBCEVs 的攝取表現出時間依賴性和濃度依賴性。這些結果表明，LSS 可以增強 RBCEVs 的攝取。

為了研究不同流動模式下攝取的影響，可以模擬血管分叉或直動脈的流體動力學的平行平板流動室被用于評估內皮細胞在正常層流剪切應力（NSS）和振蕩剪切應力（OSS）下對 RBCEVs 的攝取。

如圖1 h-m，與 NSS 相比，在 OSS 下更多的 RBCEVs 被內皮細胞內化。同時，x-z 和 y-z 視圖顯示這些被吞噬的 RBCEVs 靠近其核周區域。OSS 下內皮細胞攝取的 RBCEVs 量大約是 NSS 下的 2 倍。此外，OSS 下內皮細胞攝取 RBCEVs 的熒光強度是 NSS 下的 3 倍。總之，這些結果表明，低剪切應力可以促進內皮細胞對 RBCEVs 的攝取。

OSS 誘導小鼠內皮細胞攝取 RBCEVs

為了進一步觀察內皮細胞攝取 RBCEVs 的細節，檢測了 OSS 下左頸動脈（LCA）和 NSS 下右頸動脈（RCA）的染色和冰凍切片（圖2 e、h-i）。內皮細胞吞噬了 LCA 中的 RBCEVs。然而，它們并沒有吞噬 RCA 中的 RBCEVs，這表明 OSS 是內皮細胞吞噬 RBCEVs 的主要原因（圖2 f-g、h-i）。x-z 和 y-z 視圖和 Imaris 3D 渲染（圖2 e'）表明 RBCEVs 嵌入細胞核和細胞質之間并進入細胞內部。這些結果進一步表明，OSS 可以促進體內內皮細胞對 RBCEVs 的內化。

動脈粥樣硬化病變中內皮細胞對 RBCEVs 的高攝取

研究證實，動脈粥樣硬化 (AS) 斑塊容易出現在低剪切應力（LSS 和 OSS）區域。為了評估心血管疾病模型下低剪切應力對 RBCEVs 攝取的影響，Apoe -/-小鼠被喂食高脂肪飲食 8 周，然后注射 RBCEVs。

與其他兩個對照組相比，RBCEVs 顯示出顯著增加，表明 RBCEVs 更有可能被斑塊區域的內皮細胞攝取。與 PBS 和 DiD 組相比，DiD@RBCEVs 在主動脈斑塊內皮細胞中的攝取更高。上述結果表明，低剪切應力可以增強內皮細胞對 RBCEVs 的吞噬。

氧化應激部分負責內皮細胞對低剪切應力誘導的 RBCEVs 的攝取

為了進一步探索 LSS 如何介導內皮細胞攝取 RBCEVs，實驗對內皮細胞進行了不同的處理（圖4 a）。結果表明，始終用 LSS 處理的內皮細胞對 RBCEVs 的攝取*強（圖4 b-d）。此外，與一直用 NSS 處理的內皮細胞相比，用 LSS 預處理的內皮細胞可以增強內皮細胞的攝取。這些結果表明，攝取的差異可能是由于 LSS 下細胞功能和行為的變化。

LSS 和 OSS 可以在細胞中誘導氧化應激和炎癥反應。因此，在不同處理后，又檢測了細胞內 ROS 水平。當內皮細胞分別用 NSS、LSS 和 OSS 處理 3 h 時，LSS 和 OSS 下內皮細胞的 ROS 顯著增加。同樣，在小鼠頸動脈結扎模型中，與 RCA 相比，LCA 的 ROS 也明顯升高。總之，這些結果表明，低剪切應力可以誘導內皮細胞的氧化應激，然后增加 RBCEVs 的攝取。

在該研究中，RBCEVs 被用作 EVs 的一個典型例子，以研究血流動力學和內皮細胞對 EVs 吞噬的影響。低剪切應力（LSS 和 OSS）可增加內皮細胞在體內和體外對 RBCEVs 的攝取。同時，RBCEVs 優先被動脈粥樣硬化斑塊區域的內皮細胞內化。有趣的是發現由低幅度剪切應力引起的氧化應激可作為促進內皮細胞攝取 RBCEVs 的加速器。

這些發現還為低剪切應力誘導的動脈粥樣硬化發展提供了新的機制和方向。預計這項研究將為生物力學相關的細胞攝取打開一扇窗，為基于EVs的體內納米藥物遞送系統的開發和利用提供理論基礎。

參考文獻：Qin X, Zhang K, Qiu J, Wang N, Qu K, Cui Y, Huang J, Luo L, Zhong Y, Tian T, Wu W, Wang Y, Wang G. Uptake of oxidative stress-mediated extracellular vesicles by vascular endothelial cells under low magnitude shear stress. Bioact Mater. 2021 Nov 6;9:397-410. doi: 10.1016/j.bioactmat.2021.10.038. PMID: 34820579; PMCID: PMC8586717.

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