血管内皮细胞在低剪切应力下摄取氧化应激介导的细胞外囊泡
时间：2022-02-25 阅读：296
纳米颗粒是一种很有前途的平台，可以将治疗分子直接输送到疾病部位并防止脱靶器官毒性。当纳米粒子在血液中传播时，它们会绕过血管的弯曲和凸起并接触细胞或组织。在这个过程中，它们将经历血流动力学，导致某些区域的局部高纳米颗粒积聚，从而导致诊断和治疗的毒性和功效不同。先前的一项研究表明，流动剪切应力和速度是纳米颗粒在血管系统中传输药物的关键因素。此外，不同的流动应力会影响内皮细胞对纳米颗粒的吸收。通过确定血管拓扑结构、局部血流动力学和纳米粒子分布之间的关系，可以选择具有更高特异性的纳米粒子。细胞外囊泡（EVs）是由大多数细胞产生的纳米级膜状囊泡。EVs根据其生物发生、释放途径和大小分为外泌体、微囊泡和凋亡小体。EVs 作为重要的介质，将具有生物活性的分子（如 mRNA、miRNA 和蛋白质）转移到靶细胞。然而，EVs 在血管中的分布以及 EVs 在血流中传播时与内皮细胞的相互作用尚不清楚。最近，红细胞衍生的 EVs（RBCEVs）已被广泛用作药物输送载体。与其他细胞产生的 EVs 相比，RBCEVs 更容易制备、安全且循环时间长。生物流变科学与技术教育部重点实验室（重庆大学）的研究人员曾假设内皮细胞对 RBCEVs 的摄取也可能受到不同流动模式和剪切应力的影响。文章名为《Uptake of oxidative stress-mediated extracellular vesicles by vascular endothelial cells under low magnitude shear stress. Bioact Mater》。在这一项研究中，使用 RBCEVs 作为天然 EVs 的模型，以研究血流动力学对体外和体内 EVs 与内皮细胞相互作用的影响。体外低剪切应力促进内皮细胞对 RBCEVs 的摄取
为了验证内皮细胞对 RBCEVs 的摄取是否会受到不同流体剪切力的影响，作者使用轨道振动器系统模拟各种流动剪切条件（LSS：5 dyn/cm2、NSS：12 dyn/cm2、HSS：25 dyn/cm2 ）。在 HSS 下，少量 RBCEVs 被内皮细胞吞噬。然而，随着剪切应力的降低，内皮细胞对 RBCEVs 的摄取逐渐增强。流式细胞仪分析进一步表明，与 NSS 和 HSS 相比，LSS 下 RBCEVs 的摄取量分别增加了 1.67 倍和 189 倍。此外，在相同的剪切应力下，内皮细胞对 RBCEVs 的摄取表现出时间依赖性和浓度依赖性。这些结果表明，LSS 可以增强 RBCEVs 的摄取。为了研究不同流动模式下摄取的影响，可以模拟血管分叉或直动脉的流体动力学的平行平板流动室被用于评估内皮细胞在正常层流剪切应力（NSS）和振荡剪切应力（OSS）下对 RBCEVs 的摄取。
如图1 h-m，与 NSS 相比，在 OSS 下更多的 RBCEVs 被内皮细胞内化。同时，x-z 和 y-z 视图显示这些被吞噬的 RBCEVs 靠近其核周区域。OSS 下内皮细胞摄取的 RBCEVs 量大约是 NSS 下的 2 倍。此外，OSS 下内皮细胞摄取 RBCEVs 的荧光强度是 NSS 下的 3 倍。总之，这些结果表明，低剪切应力可以促进内皮细胞对 RBCEVs 的摄取。为了进一步观察内皮细胞摄取 RBCEVs 的细节，检测了 OSS 下左颈动脉（LCA）和 NSS 下右颈动脉（RCA）的染色和冰冻切片（图2 e、h-i）。内皮细胞吞噬了 LCA 中的 RBCEVs。然而，它们并没有吞噬 RCA 中的 RBCEVs，这表明 OSS 是内皮细胞吞噬 RBCEVs 的主要原因（图2 f-g、h-i）。x-z 和 y-z 视图和 Imaris 3D 渲染（图2 e'）表明 RBCEVs 嵌入细胞核和细胞质之间并进入细胞内部。这些结果进一步表明，OSS 可以促进体内内皮细胞对 RBCEVs 的内化。动脉粥样硬化病变中内皮细胞对 RBCEVs 的高摄取研究证实，动脉粥样硬化 (AS) 斑块容易出现在低剪切应力（LSS 和 OSS）区域。为了评估心血管疾病模型下低剪切应力对 RBCEVs 摄取的影响，Apoe -/-小鼠被喂食高脂肪饮食 8 周，然后注射 RBCEVs。与其他两个对照组相比，RBCEVs 显示出显著增加，表明 RBCEVs 更有可能被斑块区域的内皮细胞摄取。与 PBS 和 DiD 组相比，DiD@RBCEVs 在主动脉斑块内皮细胞中的摄取更高。上述结果表明，低剪切应力可以增强内皮细胞对 RBCEVs 的吞噬。氧化应激部分负责内皮细胞对低剪切应力诱导的 RBCEVs 的摄取为了进一步探索 LSS 如何介导内皮细胞摄取 RBCEVs，实验对内皮细胞进行了不同的处理（图4 a）。结果表明，始终用 LSS 处理的内皮细胞对 RBCEVs 的摄取*强（图4 b-d）。此外，与一直用 NSS 处理的内皮细胞相比，用 LSS 预处理的内皮细胞可以增强内皮细胞的摄取。这些结果表明，摄取的差异可能是由于 LSS 下细胞功能和行为的变化。LSS 和 OSS 可以在细胞中诱导氧化应激和炎症反应。因此，在不同处理后，又检测了细胞内 ROS 水平。当内皮细胞分别用 NSS、LSS 和 OSS 处理 3 h 时，LSS 和 OSS 下内皮细胞的 ROS 显著增加。同样，在小鼠颈动脉结扎模型中，与 RCA 相比，LCA 的 ROS 也明显升高。总之，这些结果表明，低剪切应力可以诱导内皮细胞的氧化应激，然后增加 RBCEVs 的摄取。在该研究中，RBCEVs 被用作 EVs 的一个典型例子，以研究血流动力学和内皮细胞对 EVs 吞噬的影响。低剪切应力（LSS 和 OSS）可增加内皮细胞在体内和体外对 RBCEVs 的摄取。同时，RBCEVs 优先被动脉粥样硬化斑块区域的内皮细胞内化。有趣的是发现由低幅度剪切应力引起的氧化应激可作为促进内皮细胞摄取 RBCEVs 的加速器。这些发现还为低剪切应力诱导的动脉粥样硬化发展提供了新的机制和方向。预计这项研究将为生物力学相关的细胞摄取打开一扇窗，为基于EVs的体内纳米药物递送系统的开发和利用提供理论基础。参考文献：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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