Die Vielfalt der Endothelzellen: eine Herausforderung für die therapeutische Angiogenese
Welche Mechanismen liegen der Diversifizierung von Endothelzellen zugrunde und wann findet diese statt? Ist die Endothelzelle programmiert, oder gibt es Umweltelemente, die die Diversifizierung und die anschließende Spezifität regulieren? Umweltfaktoren wirken sich eindeutig auf die Organogenese aus, und der Austausch zwischen Endothelzellen und den sie umgebenden Perizyten, Stromazellen und der extrazellulären Matrix ist für ihre koordinierte Funktion unerlässlich. Diese Tatsache wird durch die Entdeckung unterstrichen, dass ein Phänotyp, der dem der Blut-Hirn-Schranke ähnelt, in Endothelzellen, die nicht aus dem Gehirn stammen, durch Ko-Kultivierung mit Astrozyten induziert werden kann. Diese Umwandlung, die als „Barrieregenese“ bezeichnet wird, ist durch die Bildung enger Verbindungen zwischen Endothelzellen gekennzeichnet, die durch die Expression mehrerer Moleküle ausgelöst wird, darunter Src-unterdrücktes C-Kinase-Substrat (SSeCKS), der aus Blutplättchen gewonnene Wachstumsfaktor PDGF-BB, der angiogene und antipermeable Faktor Angiopoieitin-1, sein Rezeptor Tie2 und das Zelladhäsionsmolekül N-Cadherin durch die umgebenden Gliazellen. In der Netzhaut wird vor der Gefäßbildung eine Astrozyten-„Schablone“ angelegt, und die Interaktion zwischen R-Cadherin-Molekülen auf Astrozyten und Integrinen und/oder N-Cadherinen auf Endothelzellen oder zirkulierenden endothelialen Vorläuferzellen (CEPs) vermittelt das Wachstum und die Migration des Gefäßendothels.
Obwohl Umweltfaktoren für die Spezialisierung der Endothelzellen entscheidend zu sein scheinen, ist die genetische Programmierung ebenso wichtig. Früher glaubte man allgemein, dass sich Arterien und Venen als Reaktion auf unterschiedliche hämodynamische Kräfte unterschiedlich entwickeln. Neuere Studien haben jedoch gezeigt, dass die Unterscheidung zwischen Arterie und Vene während der Embryonalentwicklung festgelegt wird, noch bevor das Blut zirkuliert, und dass die Notch-Signalübertragung einer der entscheidenden Schritte bei der Festlegung des Phänotyps der Endothelzelle ist. Während der Gefäßentwicklung stören Defekte in der Signalübertragung durch den Notch-Signalweg – der Liganden wie Jagged-1, Jagged-2 und Delta-like-4 und Rezeptoren wie Notch-1, Notch-2 und Notch-4 umfasst – die normale Differenzierung in Arterien oder Venen, was zum Verlust von arterienspezifischen Markern wie Ephrin-B2 und zur ektopischen Expression von Venenmarkern wie flt4 in der Aorta führt. Umgekehrt unterdrückt eine Überaktivierung von Notch die Differenzierung von Gefäßen zu Venen. Chi et al. zeigten, dass Hey2, ein Transkriptionsfaktor, der durch Notch-Signale induziert wird, Merkmale der Genexpression arterieller Endothelzellen auf Endothelzellen aus den Venen überträgt, indem er arterienspezifische Gene wie ADHA1, EVA1 und Keratin-7 hochreguliert, während er venenspezifische Gene wie GDF, Lefty-1 und Lefty-2 unterdrückt. Fishman und Kollegen wiesen in Zebrafischen nach, dass die Expression des Hey2-Homologs, Gridlock, für die frühe Zuweisung der arteriellen Endothelidentität erforderlich ist und dass Defekte in diesem Signalweg mit morphogenetischen Anomalien der Aorta in Verbindung gebracht werden können. Diese Ergebnisse scheinen die Hypothese zu widerlegen, dass physiologische Hinweise für die Differenzierung von Arterien und Venen verantwortlich sind. Mehrere Studien deuten jedoch darauf hin, dass selbst nachdem Endothelzellen spät in der Embryonalentwicklung einen spezifischen arteriellen oder venösen Phänotyp erreicht haben, eine Transdifferenzierung stattfinden kann, die zum Teil von der Gefäßwand gesteuert wird. Somit kann ein komplexes genetisches Programm zur Regulierung der Differenzierung von Endothelzellen in Arterien und Venen durch extrinsische Faktoren moduliert werden, was dem Aufbau und der Umgestaltung des Gefäßnetzes in Gesundheit und Krankheit Plastizität verleiht.
Diese Art der Interaktion zwischen einem genetischen Programm und Umweltfaktoren kann auch für andere Arten der Endotheldifferenzierung gelten, nicht nur für die Wahl zwischen Arterien und Venen. Die Zellen, die das Endokard und die Koronargefäße auskleiden, stammen von Vorläuferzellen ab, die von verschiedenen embryonalen Stellen einwandern (siehe ). Fate-Mapping-Studien deuten darauf hin, dass eine Diversifizierung dieser klonalen Zellen stattfindet, bevor sie in das sich entwickelnde Herz wandern. Obwohl dies darauf hindeutet, dass das Schicksal einer Koronararterien-Endothelzelle vorbestimmt ist, sind die Möglichkeiten der wandernden Zelle, mit anderen Zellen und Faktoren zu interagieren, beträchtlich, so dass die Diversifizierung wahrscheinlich ein dynamischer Prozess ist, der durch intrinsische und extrinsische Faktoren modifiziert wird.
Studien zur Lungenentwicklung haben gezeigt, dass isolierte Lungenrudimente ohne Blutgefäße, wenn sie subkutan oder unter Nierenkapseln implantiert werden, Lungen mit Gefäßen bilden, die sich – bemerkenswerterweise – sowohl durch Vaskulogenese als auch durch Angiogenese entwickeln, mit dem charakteristischen Gefäß- und Alveolarnetz. Diese Befunde stützen das Konzept, dass es genetische Programme für die Entwicklung der hochspezifischen Gefäße gibt, dass diese aber durch extrinsische Faktoren moduliert werden, die von den umgebenden Zellen, der extrazellulären Matrix und sezernierten Wachstumsfaktoren und Zytokinen bereitgestellt werden, wodurch sowohl Plastizität als auch Diversität entstehen.
Die phänotypische Plastizität und Diversität von Endothelzellen zeigt sich nicht nur während der Embryonalentwicklung, sondern ist auch von zentraler Bedeutung für die normale Funktion verschiedener Organe. Dies zeigt sich besonders deutlich im Gelbkörper, der sich nach der Freisetzung der Eizelle aus dem Eifollikel bildet. Morphologische Subtypen von mikrovaskulären Endothelzellen im Gelbkörper wurden anhand ihrer Form (epitheloid, spindelförmig, rund oder polygonal), des Vorhandenseins zytoplasmatischer Vakuolen und des Musters der Aktin- und Vimentinfilamente definiert. In den verschiedenen Phasen des monatlichen Zyklus der Bildung und Rückbildung des Gelbkörpers sind unterschiedliche Populationen dieser Zellen mehr oder weniger ausgeprägt. Die Bildung des Gelbkörpers beinhaltet einen vorübergehenden Ausbruch der Angiogenese mit Wachstum und Proliferation von Endothelzellen, die hohe Konzentrationen von Cytokeratinen, N-Cadherin und E-Cadherin exprimieren, und die Etablierung eines kontinuierlichen, engmaschigen Gefäßnetzes; dieser Prozess wird durch humanes Choriongonadotropin, vasoaktive Peptide und Cytokine moduliert. Bei der anschließenden Rückbildung des Gelbkörpers wird das Netzwerk aufgelöst, da sich das Endothel transdifferenziert, was zu unterbrochenen, diskontinuierlichen interzellulären Verbindungen führt. Die Permeabilität nimmt zu, die Endothelzellen apoptieren, die Kapillaren bilden sich zurück und/oder werden verschlossen, und der Gelbkörper degeneriert, um sich auf den nächsten Zyklus vorzubereiten. Diese außergewöhnliche Plastizität und Vielfalt der Endothelzellen ist nicht nur für den normalen Lutealzyklus von entscheidender Bedeutung, sondern die Endothelzellen des schwangeren Gelbkörpers weisen auch einzigartige lektinbindende Eigenschaften auf, die sich von denen im nichtschwangeren Zustand unterscheiden.
Der Lymphkreislauf besteht aus einem Netz dünnwandiger, diskontinuierlicher Kapillaren, die Flüssigkeit, Makromoleküle und Immunzellen transportieren. Das Ausmaß der Diversität der lymphatischen Endothelzellen muss erst noch untersucht werden, aber jedes Wissen darüber kann für unser Verständnis der Immunüberwachung und der Metastasierung von Tumorzellen durch die Lymphgefäße wichtig sein. Obwohl die extrinsischen und intrinsischen Faktoren, die die Bildung von Lymphgefäßen und die Spezifizierung von lymphatischen Organen und Geweben regulieren, weitgehend unbekannt sind, scheint es, dass die Expression des Transkriptionsfaktors Prox1 einen Wechsel von einem venösen Endothelphänotyp zu einem lymphatischen Phänotyp signalisiert. In Transkriptions-Profiling-Studien an isolierten Zellen wurden mehrere Marker identifiziert, die in lymphatischen Endothelzellen im Vergleich zu Blutendothelzellen besonders hochreguliert sind, darunter Prox1, LYVE-1 (ein Marker mit unbekannter Funktion), die Chemokine CCL21 und RANTES, Stromazell-abgeleiteter Faktor-1 und der Angiogenese-Regulator Angiopoietin-2.