Mångfalden av endotelceller: en utmaning för terapeutisk angiogenes

Vad är mekanismerna genom vilka endotelceller diversifieras och när sker detta? Är endotelcellen programmerad, eller finns det miljöelement som reglerar diversifiering och efterföljande specificitet? Miljöfaktorer påverkar helt klart organogenesen, och samspelet mellan endotelceller och de pericyter, stromaceller och extracellulära matriser som omger dem är viktigt för deras samordnade funktion. Detta faktum understryks av upptäckten att en fenotyp som liknar blod-hjärnbarriärens fenotyp kan induceras i endotelceller som inte har sitt ursprung i hjärnan genom att odla dem tillsammans med astrocyter. Denna omvandling, som kallas ”barriärgenesis”, kännetecknas av att det bildas täta korsningar mellan endotelcellerna, vilket utlöses av att flera molekyler uttrycks av de omgivande gliacellerna, bland annat Src-suppressed C-kinase substrate (SSeCKS), den trombocytavledda tillväxtfaktorn PDGF-BB, den angiogena och antipermeabilitetsfaktorn angiopoieitin-1, dess receptor Tie2 och celladhesionsmolekylen N-cadherin . I näthinnan läggs en astrocyt-”mall” fast före vaskulariseringen, och interaktionen mellan R-cadherinmolekyler på astrocyter och integriner och/eller N-cadheriner på endotelceller eller cirkulerande endotelföräldraceller (CEP) medierar tillväxten och migrationen av det vaskulära endotelet .

Och även om miljömässiga signaler tycks vara kritiska för specialiseringen av endotelceller, är den genetiska programmeringen lika viktig. Tidigare trodde man allmänt att artärer och vener utvecklades olika som svar på skillnader i hemodynamiska krafter. Nya studier har dock visat att skillnaden mellan artär och ven bestäms under den embryonala utvecklingen, även innan blodet cirkulerar, och att Notch-signalering är ett av de avgörande stegen för att bestämma endotelcellens fenotyp. Under kärlutvecklingen störs den normala differentieringen till artärer eller vener av defekter i signaleringen genom Notch-systemet – som omfattar ligander som Jagged-1, Jagged-2 och Delta-like-4 och receptorer som Notch-1, Notch-2 och Notch-4 – vilket resulterar i förlust av artärspecifika markörer som ephrin-B2 och ektopiskt uttryck i aortan av venösa markörer som flt4 . Omvänt undertrycker överaktivering av Notch differentiering av kärl till vener. Chi et al. visade att Hey2, en transkriptionsfaktor som induceras av Notch-signalering, ger arteriella endotelcellers genuttryck till endotelceller som härstammar från vener, genom att uppreglera arteriespecifika gener, inklusive ADHA1, EVA1 och keratin-7, samtidigt som venspecifika gener, som GDF, lefty-1 och lefty-2, undertrycks. Fishman och medarbetare fastställde i zebrafiskar att uttrycket av Hey2:s homolog, gridlock, krävs för den tidiga tilldelningen av arteriell endotelidentitet, och defekter i denna väg kan vara kopplade till morfogena abnormiteter i aorta. Dessa resultat tycks motbevisa hypotesen att fysiologiska signaler är ansvariga för differentiering av artärer och vener. Flera studier tyder dock på att även efter det att endotelcellerna har uppnått en specifik arteriell eller venös fenotyp sent i embryonalutvecklingen kan transdifferentiering ske, och denna process regleras delvis av kärlväggen . Ett komplext genetiskt program för att reglera differentieringen av endotelceller till artärer och vener kan alltså moduleras av yttre faktorer, vilket ger plasticitet åt uppbyggnaden och ombildningen av kärlnätverket vid hälsa och sjukdom.

Den här typen av interaktion mellan ett genetiskt program och miljöfaktorer kan också gälla för andra typer av endoteldifferentiering, inte bara valet mellan artärer och vener. Celler som bekläder endokardiet och kranskärlen härstammar från progenitorceller som migrerar från olika embryonala platser (granskad i ). Studier av ödeskartläggning tyder på att diversifiering av dessa klonala celler sker innan de migrerar till hjärtat under utveckling. Även om detta tyder på att ödet för en endotelcell i kranskärlen är förutbestämt, är möjligheterna för den migrerande cellen att interagera med andra celler och faktorer betydande, och därför är diversifieringen sannolikt en dynamisk process som modifieras av inneboende och yttre faktorer.

Studier av lungornas utveckling har visat att när isolerade lungrodiment utan blodkärl implanteras subkutant eller under njurkapslar bildar de lungor med kärlsystem som – anmärkningsvärt nog – utvecklas genom både vaskulogenes och angiogenes, med det karakteristiska kärl- och alveolära nätverket . Dessa fynd stöder konceptet att det finns genetiska program för utvecklingen av de mycket specifika vaskulaturerna, men att dessa moduleras av extrinsiska faktorer som tillhandahålls av omgivande celler, den extracellulära matrisen och utsöndrade tillväxtfaktorer och cytokiner, vilket ger både plasticitet och mångfald.

Den fenotypiska plasticiteten och mångfalden hos endotelcellerna manifesteras inte bara under den embryonala utvecklingen, utan är också central för den normala funktionen hos flera organ. Detta är slående tydligt i corpus luteum, en kropp som bildas från en äggfollikel efter att ägget släppts ut. Morfologiska subtyper av mikrovaskulära endotelceller i corpus luteum har definierats utifrån deras form (epitelioid, spindelformig, rund eller polygonal), förekomsten av cytoplasmatiska vakuoler och mönstret av aktin- och vimentinfilament . Distinkta populationer av dessa celler är mer eller mindre framträdande i olika skeden av den månatliga cykeln för bildning och regression av corpus luteum. Bildandet av corpus luteum innefattar en övergående angiogenes med tillväxt och proliferation av endotelceller som uttrycker höga nivåer av cytokeratiner, N-cadherin och E-cadherin, och etablering av ett kontinuerligt kärlnätverk med täta förbindelser. Vid efterföljande regression av corpus luteum upplöses nätverket, eftersom endotelet transdifferentieras och ger upphov till störda, diskontinuerliga intercellulära förbindningar. Permeabiliteten ökar, endotelcellerna apoptoserar, kapillärerna regredierar och/eller blir ockluderade och corpus luteum degenererar för att förbereda sig för nästa cykel. Denna extraordinära endotelcellsplasticitet och mångfald är inte bara avgörande för den normala lutealcykeln, utan endotelceller från den luteala kroppen under graviditeten uppvisar också unika lektinbindande egenskaper, som skiljer sig från dem som ses i det icke-gravida tillståndet.

Lymfcirkulationen består av ett nätverk av tunnväggiga, diskontinuerliga kapillärer som transporterar vätska, makromolekyler och immunceller. Omfattningen av mångfalden av lymfatiska endotelceller har ännu inte utvärderats, men all kunskap om detta kan vara viktig för vår förståelse av immunövervakning och hur tumörceller metastaserar genom de lymfatiska kärlen . Även om de yttre och inre faktorer som reglerar bildandet av lymfatiska kärl och specifikationen av lymfatiska organ och vävnader är till stor del okända, verkar det som om uttrycket av transkriptionsfaktorn Prox1 signalerar en övergång från en venös endotelfenotyp till en lymfatisk fenotyp . Transkriptionsprofilstudier av isolerade celler har identifierat flera markörer som är tydligt uppreglerade i lymfatiska endotelceller jämfört med blodendotelceller, däribland Prox1, LYVE-1 (en markör med okänd funktion), kemokinerna CCL21 och RANTES, stromal cell-derived factor-1 och angiogeneseregulatorn angiopoietin-2.