Tế bào nội mạch là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu

Tế bào nội mạch (endothelial cells) là loại tế bào biểu mô chuyên biệt tạo thành lớp lót bên trong toàn bộ hệ thống mạch máu và mạch bạch huyết của cơ thể người. Dù chỉ gồm một lớp đơn tế bào, chúng đóng vai trò như một hàng rào sống động giữa máu và các mô ngoại vi, đồng thời tham gia vào hàng loạt chức năng sinh lý phức tạp, từ điều hòa huyết áp, trao đổi chất, cho đến đáp ứng miễn dịch.

Chức năng của tế bào nội mạch không chỉ là thụ động như một lớp phủ mà còn là chủ động, với khả năng tiết các phân tử tín hiệu, phản ứng nhanh với các yếu tố viêm, thay đổi cơ học và hóa học trong dòng máu. Tính toàn vẹn cấu trúc và chức năng của lớp nội mạch là điều kiện tiên quyết để duy trì cân bằng nội môi, chống lại tổn thương mạch máu, và ngăn chặn sự phát triển của nhiều bệnh lý mạn tính.

Cấu trúc và phân bố

Tế bào nội mạch có hình dạng dẹt, kéo dài, đôi khi hình thoi, liên kết với nhau bằng các mối nối chặt chẽ (tight junctions), mối nối khe (gap junctions) và mối nối bám dính (adherens junctions). Các tế bào này được gắn chặt vào màng đáy (basement membrane) phía dưới, tạo nên một lớp rào chắn liên tục giữa máu và thành mạch.

Mỗi tế bào nội mạch có cực tính rõ rệt: phần hướng về lòng mạch (apical surface) tiếp xúc với dòng máu và có các thụ thể phát hiện tín hiệu cơ học - hóa học, trong khi phần đáy (basal surface) tiếp xúc với màng đáy và mô liên kết. Hệ thống bộ xương tế bào (cytoskeleton) của tế bào nội mạch được điều chỉnh theo lực cắt (shear stress) do dòng máu gây ra, ảnh hưởng đến hình thái và biểu hiện gen.

Bảng dưới đây tóm tắt sự khác biệt giữa các dạng nội mạch theo loại mạch máu:

Loại nội mạch	Vị trí phân bố	Đặc điểm
Liên tục (continuous)	Não, cơ, phổi	Không có lỗ fenestrae; liên kết chặt
Có cửa sổ (fenestrated)	Ruột, tuyến nội tiết	Có các lỗ fenestrae giúp trao đổi nhanh
Không liên tục (discontinuous)	Gan, lách, tủy xương	Lỗ lớn, cho phép tế bào và protein lớn đi qua

Sinh lý và chức năng

Tế bào nội mạch là một thành phần hoạt hóa liên tục, duy trì sự cân bằng giữa các quá trình giãn - co mạch, chống - thúc đẩy đông máu, và chống - thúc đẩy viêm. Một trong những chức năng then chốt là điều hòa trương lực mạch thông qua sản xuất các phân tử như nitric oxide (NO), prostacyclin (PGI₂) và endothelin-1.

NO là yếu tố giãn mạch mạnh do enzyme eNOS tổng hợp, hoạt động dưới ảnh hưởng của dòng chảy máu. Trái lại, endothelin-1 gây co mạch mạnh và được tiết ra trong điều kiện stress oxy hóa hoặc viêm. Sự mất cân bằng giữa các yếu tố này là cơ sở sinh lý bệnh của nhiều bệnh tim mạch.

Ngoài chức năng vận mạch, tế bào nội mạch còn điều khiển:

• Tính thấm mao mạch cho nước, ion, protein và tế bào miễn dịch
• Hoạt hóa quá trình đông máu hoặc tiêu sợi huyết khi tổn thương
• Điều tiết sự kết dính và xuyên mạch của bạch cầu tại vị trí viêm

Vai trò trong viêm và miễn dịch

Trong trạng thái bình thường, tế bào nội mạch có tính chất chống viêm bằng cách duy trì bề mặt không có phân tử bám dính và ức chế hoạt hóa bạch cầu. Tuy nhiên, khi có tác nhân viêm (như cytokine IL-1, TNF-α), nội mạch chuyển sang trạng thái hoạt hóa, làm tăng biểu hiện các phân tử bám dính như ICAM-1, VCAM-1, E-selectin.

Những phân tử này cho phép bạch cầu tuần hoàn bám dính lên thành mạch, di chuyển xuyên qua lớp nội mạch và đến mô tổn thương. Đồng thời, tế bào nội mạch còn tiết các chemokine (như CXCL8/IL-8) để dẫn hướng bạch cầu, và có thể trình diện kháng nguyên với HLA class II trong điều kiện viêm mạn.

Trong hệ thống miễn dịch tự nhiên, lớp nội mạch là hàng rào đầu tiên ngăn chặn vi sinh vật xâm nhập từ máu vào mô. Mất chức năng hoặc rò rỉ nội mạch sẽ dẫn đến hiện tượng viêm lan tỏa, sốc nhiễm trùng, phù mô và suy đa cơ quan.

Sự biệt hóa và tín hiệu nội mạch

Quá trình hình thành và biệt hóa tế bào nội mạch được kiểm soát chặt chẽ bởi các tín hiệu phân tử, trong đó yếu tố tăng trưởng nội mô mạch máu (VEGF) đóng vai trò trung tâm. VEGF kích hoạt thụ thể tyrosine kinase (VEGFR2), dẫn đến chuỗi phản ứng tín hiệu nội bào qua các con đường PI3K/Akt và MAPK/ERK, từ đó điều hòa tăng sinh, di chuyển và tồn tại của tế bào nội mạch.

Angiopoietin-1 và -2, thông qua thụ thể Tie2, tham gia điều hòa ổn định mạch máu và kiểm soát phản ứng viêm. Trong quá trình tạo mạch (angiogenesis), sự phối hợp giữa VEGF và angiopoietin rất cần thiết để xây dựng mạng lưới mạch máu chức năng.

Một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hoạt động của tế bào nội mạch là lực cắt (shear stress) do dòng máu gây ra. Lực này kích thích biểu hiện gen có lợi cho sức khỏe mạch máu như eNOS và KLF2, đồng thời ức chế các gen gây viêm như MCP-1 hoặc ICAM-1. Lực shear cao có tác dụng bảo vệ, trong khi shear thấp hoặc dòng rối liên quan đến sự phát triển mảng xơ vữa.

Ứng dụng trong y học tái tạo và điều trị

Tế bào nội mạch là một trong những thành phần quan trọng trong kỹ thuật mô (tissue engineering) và y học tái tạo, đặc biệt trong tạo mạch máu nhân tạo và mô tái sinh. Lớp nội mạch được nuôi cấy từ các tế bào gốc trung mô (MSC) hoặc tế bào gốc cảm ứng đa năng (iPSC) để phủ lên vật liệu scaffold, tạo thành lòng mạch hoạt tính sinh học.

Ứng dụng y học cụ thể bao gồm:

• Ghép mạch máu nhân tạo trong phẫu thuật mạch vành
• Tạo mô ghép da hoặc mô gan có hệ thống vi mạch nuôi sống
• Phục hồi chức năng nội mạc trong cấy ghép nội mạch (stent)

Trong điều trị dược lý, các thuốc tác động lên chức năng tế bào nội mạch như statin (tăng eNOS, giảm viêm), thuốc ức chế PDE5 (giãn mạch do tăng NO), hoặc các chất chống oxy hóa (vitamin C, resveratrol) đều đã được nghiên cứu và áp dụng lâm sàng. Liệu pháp gen nhắm đến tăng biểu hiện VEGF hoặc eNOS đang trong giai đoạn thử nghiệm lâm sàng.

Tế bào nội mạch và bệnh lý tim mạch

Rối loạn chức năng nội mạch là dấu hiệu sớm và cơ chế nền trong nhiều bệnh lý tim mạch. Khi mất cân bằng giữa yếu tố giãn mạch (NO) và yếu tố co mạch/viêm (ROS, endothelin), lớp nội mạch trở nên pro-inflammatory, pro-thrombotic và giảm khả năng bảo vệ thành mạch.

Hậu quả gồm:

• Giảm giãn mạch phụ thuộc NO → tăng huyết áp
• Tăng bám dính bạch cầu → viêm mạn tính
• Tăng kết tập tiểu cầu và biểu hiện tissue factor → nguy cơ huyết khối

Đo độ giãn mạch phụ thuộc nội mạch (flow-mediated dilation, FMD) ở động mạch cánh tay là một chỉ số đánh giá chức năng nội mạch không xâm lấn được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu và lâm sàng. Giá trị FMD thấp liên quan đến nguy cơ cao mắc bệnh mạch vành, đột quỵ và suy tim.

Vai trò trong bệnh lý khác

Tế bào nội mạch cũng có vai trò then chốt trong nhiều bệnh lý hệ thống. Trong COVID-19, lớp nội mạch bị tổn thương bởi virus SARS-CoV-2 thông qua thụ thể ACE2, dẫn đến viêm mạch, hình thành huyết khối vi mạch và hội chứng đông máu nội mạch lan tỏa (DIC).

Trong ung thư, tế bào nội mạch hình thành mạng lưới mạch máu mới (neoangiogenesis) nuôi khối u, đồng thời điều hòa khả năng xâm lấn và di căn của tế bào ung thư. Các thuốc ức chế VEGF như bevacizumab được sử dụng để ức chế tạo mạch khối u.

Ở bệnh Alzheimer, sự thoái hóa hàng rào máu–não do rối loạn nội mạch làm tăng thấm protein amyloid-β vào mô não, góp phần vào bệnh sinh thần kinh. Suy giảm chức năng hàng rào nội mạch ở các cơ quan khác như thận, võng mạc, phổi cũng liên quan đến nhiều bệnh lý mạn tính.

Kỹ thuật nghiên cứu tế bào nội mạch

Nghiên cứu về tế bào nội mạch sử dụng nhiều mô hình và kỹ thuật hiện đại để phân tích chức năng, tương tác và đáp ứng tín hiệu. Các dòng tế bào điển hình bao gồm HUVEC (human umbilical vein endothelial cells), HMVEC (microvascular ECs) và iPSC-derived ECs.

Kỹ thuật phổ biến:

• Flow cytometry xác định marker CD31 (PECAM-1), CD144 (VE-cadherin)
• RT-qPCR và Western blot phân tích gen và protein nội mạch như eNOS, ICAM-1
• ELISA đo cytokine, NO, endothelin-1
• Immunofluorescence xác định cấu trúc mối nối và bề mặt tế bào

Mô hình microfluidic và organ-on-chip giúp mô phỏng dòng máu và shear stress trong phòng thí nghiệm. Chuột knockout gen eNOS hoặc sử dụng chỉ thị phát huỳnh quang dưới in vivo imaging là các công cụ hữu hiệu để nghiên cứu chức năng nội mạch trong điều kiện sống.

Tài liệu tham khảo

1. Cines D.B. et al., “Endothelial cells in physiology and in the pathophysiology of vascular disorders,” Blood, 1998.
2. Aird W.C., “Phenotypic heterogeneity of the endothelium: I. Structure, function, and mechanisms,” Circulation Research, 2007.
3. Gimbrone M.A., Garcia-Cardeña G., “Endothelial cell dysfunction and the pathobiology of atherosclerosis,” Circulation Research, 2016.
4. Augustin H.G., Koh G.Y., “Organotypic vasculature: From descriptive heterogeneity to functional pathophysiology,” Science, 2017.
5. Deanfield J.E. et al., “Endothelial function and dysfunction: testing and clinical relevance,” Circulation, 2007.
6. Chistiakov D.A. et al., “Endothelial cells in atherosclerosis,” Acta Physiologica, 2015.
7. Varga Z. et al., “Endothelial cell infection and endotheliitis in COVID-19,” Lancet, 2020.
8. Nature Reviews Cardiology – Endothelial Biology Section. Link
9. European Society of Cardiology – Endothelial dysfunction topic. Link