De diversiteit van endotheelcellen: een uitdaging voor therapeutische angiogenese

Wat zijn de mechanismen waardoor endotheelcellen diversifiëren, en wanneer gebeurt dit? Is de endotheelcel geprogrammeerd, of zijn er omgevingselementen die de diversificatie en de daaropvolgende specificiteit reguleren? Omgevingsfactoren hebben een duidelijke invloed op de organogenese, en de interactie tussen endotheelcellen en de pericyten, stromale cellen en extracellulaire matrix die hen omgeven, is essentieel voor hun gecoördineerde functie. Dit feit wordt onderstreept door de ontdekking dat een fenotype zoals dat van de bloed-hersenbarrière kan worden geïnduceerd in endotheelcellen van niet-hersen oorsprong door ze te co-culturen met astrocyten. Deze transformatie, die “barrièregenese” wordt genoemd, wordt gekenmerkt door de vorming van “tight junctions” tussen endotheelcellen, die op gang wordt gebracht door de expressie van verschillende moleculen, waaronder Src-suppressed C-kinase substraat (SSeCKS), de van bloedplaatjes afgeleide groeifactor PDGF-BB, de angiogene en antipermeabiliteitsfactor angiopoëtine-1, zijn receptor Tie2, en de cel-adhesiemolecule N-cadherine, door de omringende gliale cellen. In het netvlies wordt voorafgaand aan de vascularisatie een ‘sjabloon’ van astrocyten gelegd, en interactie tussen R-cadherinemoleculen op astrocyten en integrines en/of N-cadherines op endotheelcellen of circulerende endotheelprogenitorcellen (CEP’s) medieert de groei en migratie van het vasculaire endotheel.

Hoewel omgevingsfactoren van cruciaal belang lijken te zijn voor de specialisatie van endotheelcellen, is genetische programmering even belangrijk. Vroeger werd algemeen aangenomen dat slagaders en aders zich verschillend ontwikkelden als reactie op verschillen in hemodynamische krachten. Recente studies hebben echter aangetoond dat het onderscheid tussen slagader en ader bepaald wordt tijdens de embryonale ontwikkeling, nog voor er bloed circuleert, en dat Notch signalering één van de cruciale stappen is in het bepalen van het fenotype van de endotheelcel. Tijdens de vasculaire ontwikkeling verstoren defecten in de signalisatie via de Notch pathway – die liganden omvat zoals Jagged-1, Jagged-2 en Delta-like-4 en receptoren zoals Notch-1, Notch-2 en Notch-4 – de normale differentiatie naar slagaders of aders, wat resulteert in het verlies van slagader-specifieke merkers zoals ephrin-B2 en ectopische expressie in de aorta van veneuze merkers zoals flt4 . Omgekeerd onderdrukt overactivering van Notch de differentiatie van vaten naar aders. Chi et al. toonden aan dat Hey2, een transcriptiefactor die wordt geïnduceerd door Notch signalering, kenmerken van arteriële endotheel-cel genexpressie verleent aan ader-afgeleide endotheelcellen, waarbij arteriële-specifieke genen, zoals ADHA1, EVA1, en keratine-7, worden opgehoogd, terwijl ader-specifieke genen, zoals GDF, lefty-1 en lefty-2, worden onderdrukt. Fishman en collega’s stelden in de zebravis vast dat expressie van de homoloog van Hey2, gridlock, vereist is voor de vroege toewijzing van arteriële endotheelidentiteit, en defecten in deze pathway kunnen in verband gebracht worden met morfogene afwijkingen van de aorta. Deze bevindingen lijken de hypothese te weerleggen dat fysiologische signalen verantwoordelijk zijn voor de differentiatie van slagaders en aders. Verschillende studies suggereren echter dat zelfs nadat endotheelcellen laat in de embryonale ontwikkeling een specifiek arterieel of veneus fenotype hebben bereikt, transdifferentiatie kan optreden, en dat dit proces gedeeltelijk wordt gereguleerd door de vaatwand. Een complex genetisch programma om de differentiatie van endotheelcellen in slagaders en aders te reguleren kan dus worden gemoduleerd door extrinsieke factoren, waardoor plasticiteit wordt verleend aan de assemblage en remodellering van het vasculaire netwerk in gezondheid en ziekte.

Dit soort interactie tussen een genetisch programma en omgevingsfactoren kan ook gelden voor andere vormen van endotheeldifferentiatie, niet alleen de keuze tussen slagaders en aders. Cellen die de bekleding vormen van het endocard en de kransslagaders zijn afkomstig van progenitorcellen die migreren vanuit verschillende embryonale plaatsen (besproken in ). Fate-mapping studies geven aan dat diversificatie van deze klonale cellen plaatsvindt vóór hun migratie naar het zich ontwikkelende hart. Hoewel dit suggereert dat het lot van een coronaire-arterie endotheelcel is vooraf bepaald, de mogelijkheden voor de migrerende cel om te interageren met andere cellen en factoren zijn aanzienlijk, en dus diversificatie is waarschijnlijk een dynamisch proces, gewijzigd door intrinsieke en extrinsieke factoren.

Studies naar de ontwikkeling van de longen hebben aangetoond dat wanneer geïsoleerde long rudimenten zonder bloedvaten onderhuids of onder niercapsules worden geïmplanteerd, zij longen vormen met een vasculatuur die zich – opmerkelijk genoeg – ontwikkelt door zowel vasculogenese als angiogenese, met het karakteristieke vasculaire en alveolaire netwerk . Deze bevindingen ondersteunen het concept dat er genetische programma’s zijn voor de ontwikkeling van de zeer specifieke vasculaturen, maar dat deze worden gemoduleerd door extrinsieke factoren die worden geleverd door omringende cellen, de extracellulaire matrix, en afgescheiden groeifactoren en cytokines, waardoor zowel plasticiteit als diversiteit ontstaat.

De fenotypische plasticiteit en diversiteit van endotheelcellen manifesteert zich niet alleen tijdens de embryonale ontwikkeling, maar is ook van centraal belang voor de normale functie van verschillende organen. Dit is opvallend duidelijk in het corpus luteum, een lichaam dat zich vormt uit een eifollikel nadat de eicel is vrijgekomen. Morfologische subtypes van microvasculaire endotheelcellen in het corpus luteum zijn gedefinieerd op basis van hun vorm (epithelioid, spindel, rond, of polygonaal), de aanwezigheid van cytoplasmatische vacuolen, en het patroon van actine en vimentine filamenten . Verschillende populaties van deze cellen zijn meer of minder prominent aanwezig in verschillende stadia van de maandelijkse cyclus van vorming en regressie van het corpus luteum. De vorming van het corpus luteum omvat een voorbijgaande uitbarsting van angiogenese, met groei en proliferatie van endotheelcellen die hoge niveaus van cytokeratines, N-cadherine en E-cadherine tot expressie brengen, en de oprichting van een continu, strak verbonden vasculair netwerk; dit proces wordt gemoduleerd door humaan choriongonadotrofine, vasoactieve peptiden en cytokines. Met de daaropvolgende regressie van het corpus luteum wordt het netwerk ontbonden, aangezien het endotheel transdifferentieert, wat resulteert in verstoorde, discontinue intercellulaire juncties. De permeabiliteit neemt toe, de endotheelcellen apoptoseert, de haarvaten regresseren en/of raken afgesloten, en het corpus luteum degenereert, ter voorbereiding op de volgende cyclus. Niet alleen is deze buitengewone endotheel-cel plasticiteit en diversiteit cruciaal voor de normale luteale cyclus, maar endotheelcellen van het corpus luteum van de zwangerschap vertonen ook unieke lectine-bindende eigenschappen, verschillend van die gezien in de niet-zwangere toestand.

De lymfatische circulatie is samengesteld uit een netwerk van dunwandige, discontinue haarvaten die vloeistof, macromoleculen en immuuncellen vervoeren. De mate van diversiteit van lymfatische endotheelcellen moet nog worden geëvalueerd, maar kennis hierover kan van belang zijn voor ons begrip van immuunbewaking en hoe tumorcellen metastaseren via de lymfevaten. Hoewel de extrinsieke en intrinsieke factoren die de vorming van lymfevaten en de specificatie van lymfatische organen en weefsels reguleren grotendeels onbekend zijn, blijkt dat expressie van de Prox1 transcriptiefactor een omschakeling signaleert van een veneus endotheliaal fenotype naar een lymfatisch fenotype. Transcriptie-profiling studies van geïsoleerde cellen hebben verschillende markers geïdentificeerd die met name worden verhoogd in lymfatische endotheelcellen in vergelijking met bloed endotheelcellen, met inbegrip van Prox1, LYVE-1 (een marker met onbekende functie), de chemokines CCL21 en RANTES, stromale cel-afgeleide factor-1, en de angiogenese regulator angiopoietine-2.