血管内皮细胞是排布在血管腔面的单层扁平鳞状上皮细胞，随血流呈单层纵向排列。成年人约有10 ¹³个血管内皮细胞，覆盖面积可达4000～7000m ²，重约 1kg。内皮细胞胞核居中，核突出，淡染，核仁大而明显。电镜下可见胞内含有发达的高尔基体、粗面和滑面内质网，在胚胎和新生动物血管及再生血管的内皮细胞中上述特征更为明显。胞质内还可见大量电子密度较高的杆状细胞器，称为 Weibel-Palade小体（Weibel-Palade body，WPB），内含高浓度的血管性假血友病因子（von Willebrand factor，vWF）。内皮细胞非激活时在胞内的Weibel-Palade小体膜上表达白细胞黏附分子P-选择素。血管内皮细胞可分为三类：①连续内皮细胞，内皮细胞连续完整；②有窗内皮细胞，胞质局部菲薄，内外两层胞膜融合形成一层膜样结构，称为窗；③有洞内皮细胞，内皮细胞上有洞隙，允许较大分子通过。不同部位血管的内皮细胞形态和结构有一定差异。譬如动脉、静脉、微血管，由于血管功能的差异，排布于这三种血管管腔的内皮细胞在功能和表型上有很大差别。又如在中枢神经系统、肌肉和淋巴结中，营养物质的转运、屏障功能及免疫细胞归巢都相当重要，所以内皮细胞大多是连续的；在胃肠道、内分泌器官、脉络膜丛、骨髓、肝脏和肾脏中，其主要功能是吸收、分泌、过滤及细胞运输，因而内皮细胞主要是不连续的。

内皮细胞骨架包括微管（microtubule）、微丝（microfilament）和中间纤维（intermediate filament），是细胞形态维持、细胞迁移、物质运输和跨膜信息传递的重要结构基础。在生理条件下，微丝随机分布在整个细胞（短丝和弥散性肌动蛋白单体）和细胞周带（皮质肌动蛋白）中。当内皮细胞暴露于高通透性诱导剂如凝血酶或组胺后，肌动蛋白丝在细胞内形成直链平行的应力纤维，伴随细胞收缩形态和相邻内皮细胞之间间隔的形成；而当用内皮细胞屏障保护剂如神经鞘氨醇-1-磷酸处理内皮细胞时，微丝将发生重组并定位于细胞外围以加强细胞-细胞的接触。中间纤维对内皮细胞的细胞结构维持非常重要，在内皮细胞暴露于剪切力时表达最丰富。微管与肌动蛋白丝交联并通过对后者的调节影响内皮通透性，且微管的稳定性可以对抗肌动蛋白应力纤维的形成和高通透性，从而保护血管内皮细胞。内皮细胞的游离面和基底面显著不同。在游离面有一层称为毛细血管内层或内皮层的细胞衣，且游离面带负电荷，可防止血细胞聚集或凝集于血管壁。而在内皮基底膜，在光镜下，基膜相当于过碘酸-希夫 （periodic acid Schiff，PAS）反应或 Hotckiss法显示的一层糖蛋白，似为周围结缔组织基质的浓缩物。免疫组织化学方法证明，基质中含胶原蛋白，呈丝状或均质状，易被胶原酶消化。

杆状Weibel-Palade小体是形态学上鉴定内皮细胞的重要标志物之一。当某些激动剂（例如凝血酶和组胺）刺激内皮细胞时，Weibel-Palade小体移向细胞膜表面，其内容物分泌入血，其膜则与细胞膜融合。Weibel-Palade小体内含的vWF是内皮细胞最为重要的鉴定标志，又称为凝血因子Ⅷ相关抗原，为内皮细胞所特有。内皮细胞特异性表达的标志性蛋白还包括血管内皮钙黏蛋白（VE-cadherin，CD144）、内皮细胞特异性受体酪氨酸激酶（receptor tyrosine kinase，RTK）等。目前发现的内皮细胞特异性RTKs主要有两大家族：一种是血管内皮细胞生长因子受体（vascular endothelial growth factor receptor，VEGFR）家 族，包括 VEGFR1（Flt1）、VEGFR2（Flk1/KDR）和 VEGFR3（Flt4）；另一种是血管生成素受体（angiopoietin receptor）家族，即具有免疫球蛋白和EGF同源区的酪氨酸激酶家族（tyrosine kinase with immunoglobulin and EGF homology domains，Tie），包括 Tie1 和 Tie2（Tek 基因）。内皮细胞上固有表达的标志分子还包括血管紧张素转换酶、血小板-内皮细胞黏附分子（platelet-endothelial celladhesion molecule，PECAM-1，CD31）、植物凝集素受体、乙酰化低密度脂蛋白受体、血栓调节蛋白（thrombomodulin，TM）、细胞间黏 附 分 子-1 （intercellular adhesion molecule-1，ICAM-1，CD54）、α _vβ ₃ 整合素（CD51/61）、CD36 以及大量的细胞因子和生长因子受体等。但这些固有表达的标志分子并非完全是内皮细胞特异性的。还有一些标志分子如E-选择素和P-选择素（CD62E和CD62P）及血管细胞黏附分子-1（vascular cell adhesion molecule-1，VCAM-1，CD106）等则主要在内皮细胞对刺激做出反应时表达。

血管内皮是由不同类型的黏附结构或细胞间连接形成的连续单层细胞结构，是血液与组织物质交换的基础。在生理状态下，内皮细胞通过细胞间连接等结构构成选择性的通透膜，将循环血液与血管壁分隔，严格限制血液中的生物大分子和血细胞的通过而发挥其屏障作用。因此，内皮细胞的功能正常与否对血管壁的通透性起到了决定性作用。当血管内皮屏障功能受损时，血管通透性大幅增加，通过细胞间缝隙等形式允许血液中的生物大分子通过，进入内皮下组织或组织间隙而引起细胞外水肿。血管通透性增加还可导致白细胞浸润，诱发炎症。

血液循环的主要功能是不断地供给组织细胞氧和营养物质，同时带走代谢产生的废物，以维持新陈代谢的正常运行和内环境的稳定。这一功能主要是经血管内皮细胞的物质交换来完成的。经内皮细胞的物质交换在一定范围内是被动的，如氧和二氧化碳以弥散的方式，依浓度梯度从高浓度侧弥散至低浓度侧。水、小分子可溶性物质、部分血浆蛋白通过内皮细胞间隙进行物质交换，这是物质交换的主要方式。脂溶性物质的交换主要是通过内皮细胞膜转运介导的。大分子物质或颗粒则通过胞吞和胞吐作用被转运。物质交换还可通过有窗内皮“窗孔”结构直接进行交换。此外，在“断续”型内皮结构的毛细血管壁，管腔内容物通过断续的孔到血管外。毛细血管是血管内、外物质交换的主要场所，毛细血管及后微静脉无外膜及中层平滑肌，仅由单层内皮细胞、环绕周围的周细胞及其下的基底膜组成。基底膜的通透性较高，因而微血管通透性的大小主要取决于管壁细胞，尤其是单层内皮细胞的结构与功能状态。血管内皮层对脂溶性物质、大分子物质和颗粒性物质的通透是单向的、绝大多数白细胞跨血管内皮迁移也是单向的，而血管壁的平滑肌层通透性非常低，所以有害物质容易蓄积在血管内皮层和平滑肌层之间，引起肌性血管的慢性病变。

血管内皮具有内分泌器官功能，是血源性信号的监测者和转导者。内皮细胞通过感知和整合血流及血液成分的物理、化学的变化信号，做出相应的反应，合成与分泌多种活性物质，从而实现其调节血管张力、细胞间黏附、血管生长以及抗凝和促凝的作用。血管内皮细胞合成与分泌的活性物质主要包括以下几类：

（1）血管舒张因子和收缩因子：内皮细胞合成释放的舒张和收缩因子与神经递质以及来自血液循环的活性物质，共同调控平滑肌细胞的舒张或收缩，以维持血管壁的紧张度或改变血管口径，调节相应组织、器官的血流量。已被证实的由内皮细胞产生的舒血管因子包括一氧化氮（nitric oxide，NO）、前列环素（prostacyclin，PGI ₂）、各种内皮源性超极化因子（endothelium-derived hyperpolarizing factor，EDHF）包括 C型钠尿肽等；缩血管因子包括内皮素-1（endothelin 1，ET-1）、血管紧张素Ⅱ（angiotensinⅡ，AngⅡ）、血 栓素 A ₂、神 经肽 Y（neuropeptide Y，NPY）等。EDRF/NO是内皮细胞分泌的主要舒张因子之一，它能激活可溶性鸟苷酸环 化 酶 （soluble guanylate cyclase，SGC），导 致cGMP增多，从而舒张血管平滑肌细胞。ET-1主要通过影响Ca ²⁺通道而发挥作用。EDRF/NO和ET-1的平衡对于维持血管的舒缩功能具有十分重要的意义。

（2）抗凝血与促凝血因子：内皮细胞具有抗血栓形成的作用，其分泌的 PGI ₂是高效的血小板抑制剂。内皮细胞通过与血小板的相互作用调节血小板功能、血凝的连锁反应及局部血管的紧张度。内皮细胞释放的抗凝血因子包括 PGI ₂、血栓调节蛋白（thrombomodulin，TM）、组织型纤溶酶原激活物（tissue-type plasminogen activator，tPA）、C 蛋白（protein C）等；促凝血因子包括纤溶酶原激活物抑制因子-1（plasminogen activator inhibitor-1，PAI-1）、vWF、Ⅷ因子抗原（Ⅷ：Ag）、血小板激活因子（platelet activating factor，PAF）、血小板反应蛋白（thrombospondin，TSP）等。内皮细胞合成和分泌的抗凝血因子及促凝血因子间保持动态平衡，以维持血液的正常流动状态。

（3）促进与抑制血管壁平滑肌细胞生长的因子：内皮细胞合成与分泌的促进平滑肌细胞增殖的物质有血小板衍生生长因子（platelet-derived growth factor，PDGF）、转化生长因子（transforming growth factor，TGF）、成 纤 维 细 胞 生 长 因 子（fibroblast growth factor，FGF）、ET 和 AngⅡ、NPY等；抑制平滑肌细胞增殖的物质有肝素类蛋白聚糖、EDRF、PGI2、降 钙 素 基 因 相 关 肽 （calcitonin gene-related peptide，CGRP）等。促进与抑制生长的因子间保持动态平衡，以维持成年个体血管壁细胞的正常状态。

（4）防止血细胞黏附血管壁的因子。

（5）保持血管壁正常结构、通透性和物质交换的因子。

血管内皮细胞除了是一个活跃的内分泌器官外，还是一个强大的代谢器官，能摄取/转化、灭活多种活性物质。这对于维持这些活性物质在体内的一定浓度以及精细地调节生理功能及保持内环境的稳定均具有重要作用。血管内皮细胞合成释放的许多活性物质多是摄取循环血中的原料或前体，再经细胞内特有的酶加工后生成释放的。如PGI ₂是由血管内皮将花生四烯酸经环加氧酶、前列腺素合成酶加工而成。EDRF是内皮细胞在乙酰胆碱作用下，激活NO合酶，以L-精氨酸为底物生成的。ET则是内皮素前肽原在内肽酶及内皮素转换酶的相继作用下生成的。AngⅡ由血管内皮细胞，特别是肺血管内皮细胞合成的血管紧张素转换酶（angiotensin converting enzyme，ACE），一种含锌的二肽羧基肽酶加工生成。该酶将血液循环中十肽血管紧张素（angiotension，AngⅠ）转化为有高度活性的八肽AngⅡ。

摄取灭活循环血中的活性物质包括：①胺类，如儿茶酚胺类，包括去甲肾上腺素、肾上腺素和异丙肾上腺素、5-羟色胺（5-hydroxytryptamine，5-HT）、组胺等。内皮细胞主动摄取的儿茶酚胺类物质进入胞质后，经儿茶酚氧位甲基转移酶（catechol-O-methyltransferase，COMT）和 （或）单 胺 氧 化 酶（monoamine oxidase，MAO）降解失活。5-HT 经单胺氧化酶氧化脱氨生成5-羟吲哚乙酸。组胺经二胺氧化酶（diamine oxidase，DAO）及 MAO，部分也可经N-甲基转换酶降解后随尿排出。但肺血管内皮细胞对组胺、异丙肾上腺素及肾上腺素等无明显的降解、灭活作用。②脂类，包括前列腺素类，其中主要是 PGE ₂、PGF _2α以及白三烯（leukotriene，LT）和血小板激活因子（platelet activating factor，PAF）等。PG经内皮细胞摄取后，由15-羟-PG脱氢酶降解。PAF由乙酰基水解酶降解失活。LT主要是在粒细胞中氧化灭活或经过氧化物酶灭活。③肽类，胰岛素、P物质、血管活性肠肽（vasoactive intestinal peptide，VIP）可被部分灭活。

血管生长主要包括血管生成（vasculogenesis）与血管新生（angiogenesis）两种主要方式。血管生成指血管生成细胞在血管生长的原位分化为成熟内皮细胞并组织成血管的过程，胚胎早期的新生血管生长主要通过血管生成过程来完成。血管新生是指通过成熟血管内皮细胞分裂增殖、迁移来形成新的血管的过程。

血管生成是从成血管细胞（hemangioblast）形成血管的过程，它发生在胚胎的胚内和胚外。而在成年有机体中，血管生成速度极其缓慢，更新时间可能为数十年之久。在某些生理和病理状态下，例如创伤愈合、炎症、肿瘤生长、排卵、糖尿病性视网膜病及类风湿关节炎时，内皮细胞可采取一种与胚胎的血管形成类似的发芽式血管新生过程迅速生长。发芽式血管新生的基本步骤包括：内皮细胞的激活，基底膜降解，内皮细胞迁移到组织间质，分裂，增生，细胞相互连接形成新的管腔，随后新的基底膜形成。血管生长是一种受到抑制性和刺激性作用双相密切调控的过程。血管内皮细胞生长因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）早期也称为血管通透因子，是最重要的生理性血管形成调节因子，可在体内诱导血管新生。VEGF可改变内皮细胞基因的活化形式，诱导内皮细胞表达蛋白水解酶、间质胶原酶和组织因子来促进血管新生。VEGF还能增强血浆酶原活化因子的活性，促进细胞外蛋白水解，有利于毛细血管的生成。血管生成素（angiopoietin，Ang）这种生长因子可与VEGF协同完成功能性新生血管的形成。另外还有一些分子如PDGF、TGF-β、可溶性E-选择素及血管生长素（angiogenin）则可能是通过刺激产生VEGF而发挥促进血管形成功能。细胞因子γ-干扰素（interferon-γ，IFN-γ）、IL-12以及“CXC”趋化因子——血小板因子Ⅳ都具有抗血管形成活性，它们能直接作用于内皮细胞。类维生素A，包括所有的反式及13-顺式视黄酸可能通过与内皮细胞表达的视黄酸受体α作用而阻断VEGF和FGF的血管形成效应。某些基质相关分子，包括胶原和纤溶酶原的水解片段，例如内皮抑制素（endostatin）和血管新生抑制素（angiostatin）及血小板反应蛋白-1（thrombospondin-1，TSP-1），也具有抗血管形成功能。

在血管新生及损伤修复过程中，既有成熟的血管壁细胞增殖、迁移、表型转化，也有源自血管或血管外的干细胞/祖细胞参与。在血管缺氧、损失等危险因素的刺激下，这些干细胞/祖细胞可以分化成血管生成细胞和内皮细胞、平滑肌干细胞和平滑肌细胞以及各种间质细胞等，在血管生成、损失修复、血管重塑、炎症免疫中起到重要作用。

随着对于血管生物学尤其是内皮细胞生物学不断进步的理解，内皮功能的临床检测手段也有了不断的发展。理想的内皮细胞功能临床评价方法应该是安全、无创、可重复、可再现、廉价，并且容易在不同实验室间建立统一的检测标准。评价结果应能反映在动脉粥样硬化等血管疾病的发展历程中内皮的动态生物学特征，能定义亚临床的疾病进展，并为后期患者的临床阶段危险分层提供预后信息。遗憾的是，现阶段没有任何一种单一的评价方法可以完全满足上述要求，因此在实际操作中需要采用一系列的检测手段来描述内皮细胞功能的各个方面。目前，内皮功能的评价方法可为内皮功能性反应提供直接的信息，包括内皮细胞对于直接刺激的反应，因此可以被认为是对内皮应激的测试。这些评价方法是基于两项原则：一是特定的刺激物能触发血管内皮NO的释放从而介导血管舒张；二是内皮功能障碍是一种系统性的紊乱，因此能在不同的血管床进行检测。血管床指由微动脉、微静脉、毛细血管等构成的负责血液与组织营养物质吸收和代谢废物排泄、调节血容量并保持血压稳定等功能的结构。内皮功能测试可采用血管造影和多普勒等直接检测组织血流和血管结构。尽管功能性的血管造影术被认为是评价内皮功能的“金标准”，这项技术的非无创性以及需要特殊的操作技术和设备的特点阻碍了其应用。对前臂阻力血管的内皮功能检测可采用动脉内灌注内皮依赖的血管扩张剂（如乙酰胆碱）的方法。一种较为无创的内皮功能评价方法是结合高分辨率超声技术的血流介导的血管扩张检测，目前该方法已成为动脉内皮功能无创检测的标准方法。表15-1概括了目前可采用的内皮细胞功能评价方法的优缺点。

其他间接的内皮功能评价方法还包括检测与内皮功能障碍、炎症的进展以及动脉粥样硬化相关的外周循环标志分子等，包括内皮来源的、在内皮活化时产生的NO、炎性细胞因子、黏附分子、血栓调节因子，以及其他内皮损伤和修复时的标志分子等。但鉴于这些分子中的大多数检测都具有较高难度且费用昂贵，目前该方法仅用于临床研究阶段。