Phenotypes and Cellular Mechanics of Primary Human Aorta- and Pluripotent Stem Cell-derived Vascular Smooth Muscle Cells

在我们的血管壁内，存在着一层特殊的肌肉细胞，它们是人体血液流动的总调节器。这些被称为血管平滑肌细胞的细胞，是循环系统的守门人。当它们健康且成熟时，会保持冷静并紧密收缩，以稳健而有力的抓力维持血管开放，从而维持血压。然而，当身体需要修复损伤或疾病来袭时，这些细胞可能会改变其本质。它们可以放松抓力，变得更大，并快速增殖以修补裂口或构建新组织。这种在稳定的收缩状态与忙碌的生长状态之间切换的能力，对于健康至关重要，但它也是许多危险病症（如被称为动脉瘤的动脉变薄和膨胀）背后的引擎。为了了解这些细胞如何运作以及为什么有时会失效，科学家需要在实验室中研究它们。几十年来，研究人员一直依赖于直接从人类捐赠者那里获取这些细胞，但这种方法有一个显著的缺陷：每个捐赠者都是不同的，而且细胞一旦离开人体，其行为往往会发生变化，这使得很难判断结果是由于特定的疾病还是仅仅由于人与人之间的自然差异。

为了解决这个问题，一个研究小组转向了一个更一致的来源：人类多能干细胞。这些是能够变成体内任何类型组织的母细胞。通过引导这些干细胞沿着特定的发育路径，科学家们在培养皿中创造了新鲜的血管平滑肌细胞供应。他们这项新研究的目标是观察这些实验室培育的细胞是否真的表现得像人体动脉中的真实细胞一样。他们将这些干细胞衍生的细胞与直接从人类主动脉（即将血液从心脏输送出的主要血管）中采集的细胞进行了对比。研究人员想知道，实验室制造的细胞能否模拟真实细胞的两种主要状态：忙碌的生长状态和冷静的收缩状态。他们还想测量这些细胞的物理强度，检查它们能对周围环境施加多少力，这是血管维持其形状的关键因素。

该团队首先开始培育他们的干细胞衍生细胞，并仔细引导它们成为平滑肌类型。他们发现，这些细胞确实可以在两种状态之间切换。当处于静置状态时，它们表现得像生长型的合成版本细胞，不断增殖并填充空间。当研究人员在培养物中加入一种特定的化学抑制剂时，细胞停止了分裂，并转化为成熟的收缩型。这些经过处理的细胞体积变大，发育出更强的内部纤维，并产生了更高水平的负责肌肉收缩的蛋白质。为了确保这些实验室培育的细胞不仅看起来像，而且做得也像，团队测量了它们的物理强度。他们将单个细胞放置在微小的、有弹性的柱子上，并观察细胞拉动柱子时柱子弯曲的程度。他们还构建了包含数百个细胞的小型三维组织，并测量了这些微小束在收缩时产生的集体力量。

结果显示，实验室培育的细胞与从人类捐赠者处获取的细胞之间存在着惊人的相似性。两类细胞产生的力量都在相当的范围内，其单根柱子的拉力以十亿分之一牛顿为单位进行测量。这证实了干细胞衍生的细胞在机械性能上完全有能力完成与天然细胞相同的工作。然而，研究也强调了一个重大的可靠性差异。直接从人类主动脉获取的细胞在不同批次之间差异巨大。有些批次充满了所需的肌肉细胞，而有些则主要包含其他类型的细胞，并且它们的强度和行为会根据捐赠者的年龄和动脉的具体部位而发生不可预测的变化。相比之下，干细胞衍生的细胞则表现得非常一致。每一批细胞的行为都相同，以同样的方式对化学开关做出反应，并产生相同数量的力量。

研究人员还测试了是否可以使用相同的化学处理方法，使天然捐赠细胞的表现更接近成熟的收缩型。他们发现这种方法有效，但在不同批次的捐赠细胞之间反应并不一致。有些批次反应强烈，变得更强壮且更具收缩性，而另一些则几乎没有变化。这种不一致性使得仅使用捐赠细胞时很难得出明确的结论。研究得出结论，虽然来自人类捐赠者的细胞很有用，但它们带有太多的“噪音”，无法成为研究血管力学机制的完美工具。相比之下，干细胞衍生的细胞提供了一个干净、可重复的模型。它们可以在生长状态和收缩状态之间进行高精度的切换，并且产生的力量与真实的真人细胞相匹配。这为科学家提供了一个可靠、标准化的工具，用于研究血管如何运作、在疾病中如何崩溃，以及新药如何可能帮助修复它们，而无需受到自然人类差异的困扰。