Посещений:
РЕГУЛЯЦИЯ МОРФОГЕНЕЗА



Сигналами от эндотелиальных клеток

Regulation of tissue morphogenesis by endothelial cell-derived signals
Saravana K. Ramasamy, Anjali P. Kusumbe, Ralf H. Adams
Trends iv Cell Biol. Volume 25, Issue 3, p148-157, March 2015




Рисунки к статье



Blood vessels: more than a transport network


Образование кровеносных сосудов происходит в течение всей репродуктивной жизни самок, а также во время репарации ткани или при определенных болезнях, но экспансия сосудистой сети существенна во время развития. Большая часть такого сосудистого роста обеспечивается с помощью ангиогенеза, который использует процессы, такие как пролиферация и разрастание EC [1, 2]. Последующее ремоделирование и созревание кровеносных сосудов генерирует стабильное, иерархически организованную эффективную сосудистую сеть, лишенную нежелательных соединений [1, 3, 4]. Возникающая сосудистая сеть, представленная артериями, венами и соединяющими капиллярными ложами, оптимизирована для выполнения своей функции в живом организме, а именно, транспорт газов, питательных веществ, метаболитов, продуктов отходов, гормонов и клеток. Однако получены доказательства, что ECs не только строительные блоки сосудистой транспортной сети, но и также активно вносящие вклад в рост, дифференцировку, формирование паттерна или репаративные процессы в окружающей ткани. Паракринное (известен также как 'angiocrine') высвобождение сигнальных молекул сосудистыми клетками, которые действуют на др. клетки вблизи кровеносных сосудов, недавно проявил себя как фундаментальный механизм во многих системах органов.

Endothelial cells as mediators of organogenesis


Поскольку ангиогенез стимулируется сигналами, происходящими из тканей, ECs, в свою очередь, высвобождают ростовые факторы или даже вносят непосредственный вклад в морфогенез органов. Напр., гемогенный эндотелий в эмбриональной дорсальной аорте генерирует hematopoietic stem cells (HSCs) и тем самым гематопоэтическую систему взрослых [5,6]. Раннее сердце позвоночных представлено трубкой из внутреннего эндотелиального слоя, которая отделана от наружного миокарда желатинозным матриксом, наз. 'кардиальным гелем'. ECs образуют кардиальную сосудистую систему и эндокард, тогда как миокард генерирует мышечный компонент сердца. Однако, субпопуляция клеток кардиальных предшественников, экспрессирующая Fetal Liver Kinase 1/Kinase insert domain receptor/vascular endothelial growth factor receptor 2 (Flk1/KDR/VEGFR2), рецептор для VEGF-A, отделяется от эндокарда и проникает в кардиальный гель. В процессе, наз. 'endothelial-mesenchymal transformation' (EndMT), эндокардальные клетки трансдифференцируются и включаются в атриовентрикулярные подушки [7, 8, 9]. Передача сигналов Notch в эндокарде контролирует формирование паттерна камер сердца и клапанов путем ограничения миокардиальной экспрессии bone morphogenetic protein 2 (Bmp2), который не только является критическим сигналом для EndMT, но и также индуцирует экспрессию генов мишеней в миокарде (Figure 1A) [10]. Эндокардиальные клетки высвобождают фактор роста neuregulin-1, который действует паракринным способом на миокардиальные клетки, экспрессируя рецепторы v-erb-b2 птичьего erythroblastic leukemia viral oncogene homolog 2 (ErbB2) и ErbB4 [11,12], приводя к трабекуляции желудочков сердца [13]. Напротив, передача сигналов от миокарда к эндокарду VEGF-A запускает образование коронарных артерий с помощью эндокардиальных клеток, экспрессирующих VEGFR2 (Figure 1A) [14].
ECs также предоставляют инструктивные сигналы во время развития почек. В клубочках, единицах ультрафильтрации крови, капилляры плотно покрываются сильно ветвящимися подоцитами и подобными перицитам мезангиальными клетками, обладающими лишь небольшими разрезами для фильтрации. Архитектура клубочков нарушена у мутантных cloche рыбок данио [15], у которых отсутствуют почти все ECs и гематопоэтические клетки. Инактивация гена, кодирующего VEGF-A или ингибирование VEGF у новорожденных мышей также приводят к дефектам почек [16]. Если подоциты обеспечивают доставку EC в клубочки посредством VEGF [17], то ECs регулируют созревание подоцитов и мезангиальных клеток в клубочках с помощью локальной экспрессии matrix metalloproteinase 2 (MMP2) [18] и platelet-derived growth B (PDGF-B) (Figure 1B) [19]. Semaphorins, молекулярные сигналы наведения, которые контролируют прокладку путей в нервной системе и формирование паттерна сосудов, также участвуют в развитии клубочков. Semaphorin-3A (Sema3a), который строго экспрессируется подоцитами взрослых почек, ингибирует миграцию и жизнеспособность EC во время раннего развития почек. Напротив, Sema3c является позитивным регулятором формирования сети EC и способствует ветвлению эпителия уретрических зачатков [20]. Базальная мембрана клубочков, важная для функции почек, формируется с помощью белков extracellular matrix (ECM), синтезируемых с помощью ECs и подоцитов. Laminin-521, trimer субъединиц α5, β2 и γ1 laminin, продуцируется клетками обоих типов и способствует формированию клубочков (Figure 1B) [21].
Раннее развитие печени является др. примером важности передачи сигналов от EC. Во время образования зачатка печени и перед началом кровообращения, ECs взаимодействуют с клетками печеночной энтодермы, которые мигрируют в мезенхиму поперечной перегородки, ткани, дающей торакальную диафрагму и вентральный мезентерий передней кишки. Flk1-/- мутантные эмбрионы обнаруживают нормальное формирование печеночной энтодермы и поперечной перегородки, но лишены зачатка печени [22]. Напротив, мутантные cloche и данио, лишенные ECs, обнаруживают нормальное образование зачатка печени [23], это может быть объяснено видо-специфическими различиями в органогенезе. Позднее в развитии печени ECs участвуют в дифференцировке эпителия желчных протоков путем активации передачи сигналов Notch в гепатобластах [24]. ECs, как было установлено, действуют в качестве клеток ниши, которые супрессируют передачу сигналов Wnt и Notch в энтодерму и тем самым способствуют печеночной спецификации у ранних эмбрионов (Figure 1C) [25]. Напротив, делеция Hepatocyte nuclear factor 4 (Hnf4), ядерного рецептора, критического для развития печени, из гепатобластов плода приводят к потере ECs и нарушают гепатоцеллюлярную полярность [26].
Во время раннего развития поджелудочной железы дорсальный и вентральный зачаток развиваются из кишечной энтодермы в тесном контакте с эндотелием дорсальной аорты и вителлиновых вен [27]. У Flk1-/- эмбрионов, развитие дорсального зачатка, но не вентрального панкреатический зачатка сильно нарушено [28]. Т.о., ECs выполняют разные роли в дорсальном и вентральном зачатке поджелудочной железы перед их слиянием в один орган. Происходящие из дорсальной аорты сигналы также важны для индукции Pancreatic and duodenal homeobox 1 (Pdx1), транскрипционного фактора, обязательного для развития поджелудочной железы и экспрессии инсулина в эмбриональной энтодерме ex vivo. Избыточная васкуляризация поджелудочной железы, индуцированная в результате избыточной экспрессии VEGF, приводит к гиперплазии островков [27]. Более того, предшественники панкреатических островков экспрессируют высокие уровни VEGF-A во время раннего развития, это усиливает их васкуляризацию по сравнению с не поджелудочной железы [29]. Во время развития кур панкреатическая энтодерма, как было установлено, секретирует хемокин stromal cell-derived factor 1/C-X-C motif chemokine 12 (SDF1/Cxcl12) , чтобы привлекать ангиобласты, экспрессирущие C-X-C chemokine receptor type 4 (CXCR4), которые, в свою очередь, индуцируют экспрессию Pdx1 в энтодермальных клетках [30]. Исследования рыбок данио и кур подтвердили механизм с участием обеспечиваемой ретиноевой кислотой паракринной индукции Pdx1 в энтодермальных клетках с помощью ангиобластов [31, 32]. N-cadherin-дефицитные (Cdh2-/-) эмбрионы мыши, лишенные функциональной системы кровообращения и дорсальной части поджелудочной железы, , однако, развитие поджелудочной железы восстанавливалось после восстановления кровообращения за счет специфичной для сердца возобновления экспрессии N-cadherin [33]. Это указывает на важную роль растворимых факторов, присутствующих в плазме крови, на формирование панкреатического зачатка у Cdh2-/- эмбрионов, дефект частично устранялся при воздействии sphingosine-1-phosphate (S1P). Т.о., происходящий из кровеносных сосудов S1P контролирует пролиферацию или жизнеспособность мезенхимных клеток дорсального зачатка поджелудочной железы, который экспрессирует соотв. рецепторы для S1P (Figure 1D) [33]. Удивительно, ECs могут также ограничивать экспансию энтодермы и тем самым развитие органов. Избыточные количества ECs и нарушение роста, происходящих из передней кишки, органов, таких как желудок, печень и поджелудочная железа, наблюдались у эмбрионов мышей, лишенных рецепторов для S1P (S1P1). Напротив, фармакологическое устранение эмбриональных ECs приводит к экспансии эпителия поджелудочной железы [34].
Эмбриональная дорсальная аорта также действует как морфогенетический центр для происходящих из клеток нервного гребня нейрональных предшественников, формирующих автономную нервную систему. Общие предшественники [sympathoadrenal (SA) progenitors] из симпатических ганглиев и мозгового вещества надпочечников, сначала мигрируют вентрально в направлении аорты перед разделением на разные маршруты миграции и клоны. Это контролируется с помощью BMPs на двух стадиях (Figure 1E). Первоначально, BMP4 и BMP7, продуцируемые дорсальной аортой, необходимы для экспрессии SDF1 и neuregulin-1 в пара-аортальной мезенхиме, которая действует как хемоаттрактант для SA предшественников [35]. Впоследствии активность передачи сигналов BMP сохраняется в предшественниках, формируемых мозговым веществом надпочечников, но не предшественниками, дающими симпатические ганглии, и контролирует расхождение этих клеточных популяций, которые используют передачу сигналов посредством neuregulin-1 и ErbB рецепторов [35].

Lung morphogenesis and regeneration


Сосудистая сеть легких возникает параллельно с воздушными путями и окружает сложные альвеолярные структуры, выстилаемые клетками респираторного эпителия. Тесная ассоциация сосудистых и эпителиальных клеток важна для эффективного газообмена и дыхания. Некоторые исследования подчеркивают важность сосудистой сети для морфогенеза легких [36, 37], при этом сосудистая сеть и эпителий развиваются взаимозависимым способом, чтобы генерировать альвеолярные структуры. Морфогенез ветвления в развивающихся легких высоко стереотипирован и использует удивительно небольшие количества геометрически простых способов образования эпителиальных веточек [38]. Кровеносные сосуды важны, но не из-за их роли в перфузии. Поскольку устранение легочной васкулатуры в in vivo и ex vivo эксплантах легких не нарушает скорости эпителиального ветвления, но стереотипность ветвления изменена благодаря предпочтительной потере специфических способов ветвления, нуждающихся в ротации растущих эпителиальных зачатков. Этот дефект приводит к изменению легочной морфологии и образованию эктопических разветвлений с высокой частотой [39]. На молекулярном уровне пространственная экспрессия регуляторов ветвления, таких как fibroblast growth factor 10, Sonic hedgehog и Sprouty2, нарушена. В то время как молекулярные сигналы, предоставляемые легочной васкулатурой неизвестны, стереотипичность морфогенеза эпителиального ветвления не контролируется кровоснабжением, кровотоком или циркулирующими факторами [39].
Принимая во внимание участие сосудов в ветвлении воздушных путей, неудивительно, что передача сигналов VEGF является критической для развития легких. Раннее нарушение пути VEGF вызывает серьезные структурные аномалии в легких [40, 41]. Анализ экспрессии VEGF мРНК показал, что наивысшие уровни в выборках легких животных и человека наблюдаются в альвеолярном эпителии [42, 43]. Помимо защитной функции VEGF для легочного эндотелия и позитивной регуляции пролиферации EC во время роста и регенерации легких, факторы роста обладают также трофической активностью, которая облегчает рост эпителиальных клеток после повреждений легких аутокринным образом. Воздействие VEGF повышает жизнеспособность, способствует ангиогенезу в легких и способно предупреждать альвеолярные повреждения при повреждениях легких, вызванных гипероксией [44]. У новорожденных мышей, пониженная экспрессия VEGF в альвеолярных клетках или потеря связанных с матриксом изоформ VEGF приводят к фатальному респираторному distress, нарушению созревания легких и к недостаточной продукции сурфактанта, активного поверхностного липопротеинового комплекса, предупреждающего коллапс альвеол [45].
Легочная васкулатура также является критическим игроком во время регенерации после повреждений или при болезни. Напр., пролиферация эндотелия происходит при регенерации легких после H1N1 грипозной инфекции, а функция стволовых клеток дистальных воздушных путей, регенерация альвеол и восстановление альвеолярных капилляров связаны [46]. Связь морфогенеза альвеол с легочной васкулатурой наблюдается также во время компенсаторного роста легких после удаления с одной стороны доли легкого [47]. Сразу же после пневмоторакса, происходит взрывная пролиферация и экспансия предшественников бронхиолярного и альвеолярного эпителия, это ассоциирует с пролиферацией легочных EC [47]. Передача сигналов VEGF и fibroblast growth factor (FGF) индуцирует экспрессию в эндотелии MMP14, это приводит к высвобождению активных фрагментов, подобных epidermal growth factor (EGF), heparin-binding EGF-like growth factor (HB-EGF) и laminin5 γ2 субъединицы (Figure 2). Это приводит к активации EGFR в альвеолярных эпителиальных клетках и бронхоальвеолярных стволовых клетках (BASCs), к экспансии BASCs и пролиферации альвеолярного эпителия. Системное воздействие EGF делает возможным компенсаторный альвеологенез и восстанавливает функцию легких в отсутствие эндотелиальной передачи сигналов VEGF и экспрессии MMP14 [47].
Представленные выше примеры показывают. что репарация легочного эпителия зависит от популяций стволовых клеток и клеток предшественников, которые располагаются в микроусловиях специфических ниш. ECs также регулируют дифференцировку BASC во время регенерации после повреждений [48]. Анализ колоний, выросших из одиночных BASC клонов в 3D культуре показал, что ECs поддерживают дифференцировку BASC во многие эндотелиальные клоны in vitro и после подкожных инъекций. Это было связано с экспрессией белка ECM thrombospondin-1 (TSP1) легочными эндотелиальными клетками и соотв., Tsp1-/- ECs были неспособны поддерживать дифференцировку альвеол [48]. Анализ вышестоящей передачи перекрестных сигналов показал, что вызванная повреждениями продукция BMP4 запускает calcineurin/nuclear factor of activated T-cells, cytoplasmic 1 (NFATc1)-зависимую экспрессию TSP1 в ECs, это затем способствует дифференцировке и репарации альвеол (Figure 2) [48]. Эти находки подчеркивают важность эндотелиально-эпителиального взаимодействия при дифференцировке стволовых клеток легких во время регенерации легких.

Hepatic endothelium in liver regeneration and fibrosis


Liver sinusoidal endothelial cells (LSECs) специализированы, чтобы вносить вклад в разные физиологические процессы. Регенерация печени нуждается в пролиферации LSECs и гепатоцитов, которые участвуют в большом количестве в общении между этими типами клеток. LSECs предоставляют инструктивные сигналы как во время ранней индуктивной фазы регенерации, которая характеризуется высокой пролиферацией гепатоцитов и во время последующей ангиогенной фазы, которая генерирует кровеносные сосуды, необходимые для восстановления печени. Hepatocyte growth factor (HGF), высвобождаемый ECs, запускает пролиферацию гепатоцитов вблизи активирующего nuclear factor (NF)-κB [49, 50]. Гепатоциты, в свою очередь, высвобождают VEGF, который активирует соотв. рецепторы в LSECs и тем самым способствует ангиогенезу [49, 51]. Экспрессия angiopoietin-2 (Ang2), секретируемого лиганда для Tie2 рецептора с важной ролью в интеграции и росте сосудов, динамически регулируется после частичной гепатэктомии у мышей (Figure 3). В ранней индуктивной фазе подавленная экспрессия Ang2 сопровождается снижением в LSEC экспрессии transforming growth factor β1 (TGFβ1), известного ингибитора пролиферации гепатоцитов [52]. Позднее в процессе регенерации восстановление экспрессии Ang2 инициирует пролиферативную ангиогенную фазу путем стимуляции эндотелиального VEGFR2 рецептора [53]. Более того, VEGFR2 и нижестоящий его рецептор, транскрипционный фактор Id1 в LSECs, также необходим для инициальной взрывной пролиферации гепатоцитов после частичной гепатэктомии (Figure 3) [54]. Восстановление печеночно-сосудистой массы снижается после индуцибельной инактивации гена, кодирующего VEGFR2 в LSECs или у Id1-/- мышей. Это связано с уменьшением экспрессии, происходящих из LSEC, ангиокринных факторов, таких как HGF и Wnt2, которые способствуют пролиферации гепатоцитов (Figure 3). Кроме того, VEGFR2-Id1-зависимый пролиферативный ангиогенез вносит вклад в двухфазное восстановление печени [55].
Несмотря на исключительный регенеративный потенциал печени, хронические инсульты вызывают фиброз, приводящий к циррозу и в конечном счете к недостаточности печени. Хемокин SDF1/Cxcl12 и его два G protein-связанных рецептора, CXCR4 и CXCR7, играют ключевую роль в выборе между фиброзом и регенерацией [56]. Просле острого повреждения стимуляция CXCR7 в LSECs способствует эндотелиальной экспрессии Id1 и регенерации с помощью способствующего высвобождения про-регенеративных ангиокринных факторов. Соответственно, EC-специфическая делеция CXCR7 редуцирует Id1-обусловленную регенеративную передачу сигналов. CXCR7-зависимая способствующая регенерации реакция нарушает баланс с помощью передачи сигналов конституитивного FGF receptor 1 (FGFR1) и активации экспрессии CXCR4 в LSECs, это приводит к фиброзу печени. EC-специфическая, генетическая инактивация, FGFR1 или CXCR4 восстанавливает регенеративный потенциал печени [57]. Т.о., баланс между регенерацией и фиброзом закладывается соотношением про-регенеративных, ангиокринных и про-фибротических путей в сосудистых нишах (Figure 3).
Несмотря на эти находки, процессы в регенерирующей печени остаются не совсем понятными и используют общение между многими типами клеток. LSECs располагаются в непосредственной близости от печеночных звездчатых клеток, которые располагаются в перисинусоидных пространствах между гепатоцитами и эндотелием. После повреждения печеночные звездчатые клетки активируются и секретируют факторы и ECM, чтобы модулировать функции LSECs и гепатоцитов, которые рассматриваются как основная причина фиброза [58]. LSECs высвобождают SDF1/Cxcl12, чтобы привлечь печеночные звездчатые клетки к эндотелию [59]. Печеночные звездчатые клетки высвобождают также Cxcl12, чтобы привлечь иммунные клетки к повреждению и экспрессируют высокие уровни HGF после частичной гепатэктомии, чтобы преодолеть анти-пролиферативный эффект TGFβ1 (Figure 3) [60]. На заключительных стадиях регенерации печени печеночные звездчатые клетки участвуют в завершении пролиферации гепатоцитов, для этого используется, как полагают, высокая экспрессия TGFβ1 [60].

Coupling of angiogenesis and osteogenesis in the skeletal system


Структурная поддержка тела позвоночных обеспечивается скелетной системой, которая остается удивительно динамичной после завершения развития и обновляется в течение жизни взрослых. Такое поддержание использует постоянную продукцию зрелых костных клеток (остеоцитов) и их предшественников остеобластов. Остеогенное образование новой кости происходит при балансе с деградацией остеокластами, и оба процесса являются критическими для гомеостаза и репарации скелета [53]. У человека и большинства др. позвоночных кости также содержат гематопоэтическую систему, которая в течение всей жизни обеспечивает кровяными клетками, возникающими из само-обновляющихся HSCs [54]. Кость является сильно васкуляризованной тканью и ECs играют важную роль в остеогенезе и гематопоэзе (Figure 4).
Во время развития скелетной системы образование рудиментов костей нуждается в васкуляризации мезенхимных конденсатов (внутримембранрозная оссификация) или хрящевых элементов (эндохондральная оссификация). Сосудистая инвазия совпадет с появлением кость-формирующих остеобластов, кость-резорбирующих остеокластов и гематопоэтических клеток [55]. Хондроцитарные и остеобластные линии клеток являются важным источником ECM молекул, которые, скорее всего, затрагивают поведение EC, но хондроциты также обнаруживают высокую экспрессию VEGF и тем самым предоставляют критический способствующий ангиогенезу сигнал [61,62, 63]. Путь hypoxia-inducible factor (HIF) является важным позитивным транскрипционным регулятором экспрессии VEGF, как было установлено, регулирует также ангиогенез, остеогенез и хондрогенез [64, 65].
Кровеносные сосуды в скелетной системе гетерогенны и функционально специализированы. Помимо питающих артерий и дренирующих вен, капилляры костного мозга (BM) описаны как сильно разветвленные, нерегулярные и непрерывные синусоидные сети, которые окружают гематопоэтические клетки [66,67]. Недавно костные капилляры были еще далее подразделены на два специализированных подтипа сосудов H и тип L (Figure 4) [68]. Эндотелий типа H, который обнаруживает высокую экспрессию маркеров CD31/Pecam1 и endomucin, обнаруживается по фронту сосудистого роста в постнатальных длинных костях и секретирует факторы, способствующие остеогенезу, воздействуя на клоны хондроцитов и остеобластов [68, 69]. Типа H ECs также обнаруживают высокую пролиферативную активность и в экспериментах по отслеживанию клонов было показано, что они стоят иерархически выше типа L ECs. Напротив, типа L ECs формируют синусоидальные сосуды полости BM и не ассоциируют с остеобластными клетками. Интересно, что поскольку общее количество ECs не существенно отличается у молодых, взрослых и старых мышей, но фракция типа H снижается после созревания [68], это может вносить вклад в хорошо известную потерю остеогенной способности и костной массы во время старения. Передача сигналов Notch и HIF идентифицируется в виде путей, которые способствуют экспансии типа H сосудов (Figure 4) вместе с ассоциированными остеогенными предшественниками [68, 69].
Уже давно предполагалось, что остеогенез и ангиогенез связаны. Остеобласты экспрессирующие VEGF, который способствует ангиогенезу и напротив ECs экспрессирующие факторы, способствующие остеогенезу. Дефекты ангиогенеза и остеогенеза описываются у мутантных мышей, лишенных связанных с матриксом изоформ VEGF [70]. BMPs, важные остеогенные факторы, также способствуют ангиогенезу посредством экспрессии VEGF в остеобластах [71]. Уровни BMPs и их рецепторов по-разному модулируют образование костей [72], подчеркивая тем самым важность соотв. активности BMP. Генетическая инактивация Noggin, секретируемого антагониста BMP, приводит к нарушениям формирования скелетного паттерна, гиперплазии хряща, слиянию суставов и нарушению оссификации [73]. Показана важность уровней Noggin, специфичная для остеобластов инактивация и избыточная экспрессия Noggin в постнатальном скелете приводит к остеопении, потере костной массы [74, 75]. Эндотелиальная экспрессия Noggin строго модулируется с помощью передачи сигналов Notch (Figure 4) [69]. EC-специфическая потеря функции Notch приводит к редукции у мутантов экспрессии Noggin, это ангиокринным способом приводит к нарушениям остеогенеза и созревания хондроцитов [69]. Последнее приводит к нарушению экспрессии в хондроцитах VEGF, приводя к серьёзным дефектам ангиогенеза, которые устранялись при воздействии Noggin [69]. Т.о., сигнальные взаимодействия между эндотелиальными и не эндотелиальными типами клеток связывают рост сосудов и остеогенез в скелетной системе.

Vascular niche for hematopoiesis


Микроусловия в нишах с участием мезенхимных, остеобластных, сосудистых и нервных клеток, как полагают, контролируют самообновление и функцию HSC [76]. ECs и стромальные клетки, экспрессирующие ассоциированный с сосудами leptin, как было установлено, поддерживают HSCs посредством высвобождения факторов стволовых клеток (SCF/Kitl) и Cxcl12 (Figure 4). Напротив, инактивация гена, кодирующего SCF в остеогенных предшественниках и др. мезенхимных клетках не влияет на поддержание HSC, подтверждая, что HSCs располагаются в околососудистых нишах [77]. В ранней работе уже было показано, что т. наз. 'Cxcl12 abundant reticular' (CAR) клетки, располагающиеся вблизи синусоидальных ECs и во внутренней оболочке костномозговой полости (endosteum), поддерживают пул HSC посредством передачи сигналов Cxcl12-CXCR4 [78]. Точные взаимоотношения между разными околососудистыми популяциями клеток, ассоциированных с сосудистой сетью BM и их точная функция, изучены недостаточно.
Исходящие от сосудов сигналы также вносят вклад в сосудистые HSC ниши. Фактор роста pleiotrophin (PTN) является ещё одним секретируемым компонентом, необходимым для сохранения самообновления HSCs в сосудистых нишах. Соотв., количество HSCs достоверно уменьшалось и нарушалась гематопоэтическая регенерация у Ptn-/- мышей [79]. Молекулы клеточной адгезии E-selectin экспрессируются исключительно в ECs и контролируют поддержание HSC. инактивация или фармакологическое подавление синтеза glycosphingolipid, который предупреждает продукцию лиганда, связывающегося с E-selectin, усиливая состояние покоя HSC и потенциал самообновления [80]. Т.о., функция E-selectin в сосудистых нишах способствует пролиферации HSC. Напротив, EC-специфическая делеция Notch лиганда Jagged1приводит к снижению гематопоэза и истощению пула HSC [81]. Недавно, сообщалось, что артериолярные ниши, в частности околососудистые клетки, экспрессирующие хондроитин сульфат протеогликан neural/glial antigen 2 (NG2), контролирует молчание HSC. Истощение NG2+ клеток увеличивает кругооборот и снижает способность к долговременной репопуляции HSCs [82]. Т.о., инструктивные, испускаемые сосудами сигналы регулируют поддержание BM HSCs.

The vascular niche for neurogenesis in the adult nervous system


Нейрогенез в головном мозге млекопитающих в основном ограничен развитием, но сохраняется продукция нейронов в subventricular zone (SVZ) взрослых и в гиппокампе, который содержит нейральные стволовые клетки (NSCs). Самообновление и функционирование NSC нуждается в микроусловиях локальных ниш с участием ECs. Делящиеся нейральные предшественники в субгранулярной зоне гиппокампа обнаруживаются в тесной ассоциации с сосудами, подтверждая важность ангиогенных ниш для нейрогенеза [83]. Кровеносные сосуды SVZ ниш нейральных стволовых клеток описаны как прямые (nontortuous) и образующие специализированные плоскостные сплетения. Низкие скорости кровотока в этом сплетении ассоциируют с гипоксическими условиями в эпендимном слое [84]. Поскольку ECs в ЦНС обычно тесно ассоциированы с перицитами и синаптическими окончаниями астроцитов, которые вместе формируют гематоэнцефалический барьер, предупреждающий проникновение иммунных клеток и потенциально вредных, возникающих в крови, субстанций [85, 86], то сосудистые сплетения во взрослых SVZ лишены астроцитов и покрытия перицитами. Вместо этого делящиеся NSCs и временно умножающееся потомство осуществляют непосредственный контакт с SVZ эндотелием [87, 88]. Это также говорит в пользу ключевой роли эндотелия в нейрогенных нишах, ECs, но не клетки сосудистых гладких мышц, были обнаружены, как высвобождающие растворимые факторы, которые стимулируют самообновление NSC и усиливают продукцию нейронов в экспериментах по совместному культивированию [89].
Многочисленные исследования были сконцентрированы на природе молекулярных взаимодействий между ECs и NSCs в нейрогенных нишах. Это говорит в пользу реципрокных взаимодействий, было также показано, что нейральные стволовые клетки и клетки предшественники постоянно экспрессируют HIF-1α и VEGF, которые были обогащены in vitro условиями, воспроизводящими ишемию [90]. Трансплантированные в головной мозг нейральные стволовые клетки и клетки предшественники обеспечивают сосудисто-трофическую поддержку и способствуют высокой плотности микрососудов у мышей, моделирующих умеренную фокальную ишемию [90]. Помимо VEGF, brain-derived neurotrophic factor (BDNF)также участвует во взаимодействии между NSCs и ECs in vitro. Оба ростовых фактора, как было установлено, запускают активацию endothelial nitric oxide synthase (eNOS) и продукцию nitric oxide, известного стимулятора ангиогенеза [91]. Воздействие VEGF на культивируемые ECs усиливает экспрессию множественных цитокинов и индуцирует миграцию NSC человека [92]. Биологическая функция VEGF не ограничивается ангиогенезом и контролирует развитие вновь зарождающихся промежуточных нейронов обонятельных луковиц и пластичность нейронов во взрослом гиппокампе [93, 94]. Др. член семейства VEGF, VEGF-C, является регулятором нейрогенеза, но не ангиогенеза в головном мозге взрослых. Избыточная экспрессия VEGF-C стимулирует NSCs, экспрессируют рецептор VEGFR3, тем самым способствуют нейрогенезу SVZ не затрагивая локальной васкулатуры. Напротив, инактивация гена Vegfr3 в нервных клетках или воздействие антител, блокирующих VEGFR3, снижает нейрогенез [95].
Pigment epithelium-derived factor (PEDF) идентифицирован в качестве происходящего из EC сигнала, способствующего самообновлению взрослых NSCs in vitro (Figure 5) [96]. Вливания вн3утрь желудочков PEDF приводит к активации медленно делящихся стволовых клеток, тогда как блокада эндогенных PEDF оказывает противоположный эффект [96]. Недавно функцию PEDF удалось связать с усилением зависимой от Notch транскрипции в похожих на астроглию NSCs, которые меняют результат асимметричных делений на продукцию двух самообновляющихся клеток [97]. В то время как большинство исследований было сфокусировано на роли секретируемых сигналов, экспрессия эндотелием трансмембранных белков ephrin-B2 (Efnb2) и Jagged-1 (Jag1) в SVZ взрослых, как было установлено, супрессирует пролиферацию NSC и индуцирует экспрессию генов стволовости (Figure 5). Соотв., EC-специфическая инактивация Efnb2 и Jag1 генов приводит к аберрантной активации и истощению покоящихся стволовых клеток [98].
Взаимодействия между ECs и NSCs могут быть особенно важны после локальных повреждений головного мозга. Фокальное деметилирование в corpus callosum взрослых приводит к увеличению количества кровеносных сосудов и их разветвлению. Происходящие из SVZ нейральные предшественники оказались физически ассоциированы с сосудами, а рекрутирование клеток предшественников в повреждения существенно снижено за счет ингибирования VEGF [99]. В SVZ экспрессия netrin 1, белка, участвующего в ведении аксонов, стимулируется после демиэлинизации. Эксперименты с блокирующими антителами показали, что netrin-1 контролирует локальный ангиогенез и миграцию клеток предшественников [99]. Трансплантированные пролиферативные SVZ клетки предшественники находили приют у сосудов, которые обеспечивались с помощью передачи сигналов SDF1-CXCR4. SDF1 оказывает определенные эффекты на разные популяции клеток предшественников. В то время как воздействие высоких уровней SDF1 способствовало покою стволовых клеток, хемокин также облегчал выход из сосудистых ниш в SVZ взрослых и увеличивал миграцию нейробластов в направлении обонятельных луковиц [87]. Показано, что факторы, происходящие из EC, могут вызывать вредные эффекты, эндотелиальная продукция TGFβ усиливает апоптоз в нейральных стволовых клетках и клетках предшественниках старых и облученных мышей. Соотв., нейрогенез усиливался с помощью ингибиторов TGFβ [100].

Concluding remarks


The examples provided in this review highlight the important roles of ECs in tissue development, patterning, homeostasis, and regeneration. The endothelium often takes a central position in these processes and there are many reasons why ECs are ideally positioned as the source of important instructive, angiocrine signals. The vascular transport network extends into every organ system and needs to be embedded in those tissues in a certain spacing or pattern, which places ECs in central and, therefore, strategic positions for the regulation of morphogenesis and organ homeostasis. Given that ECs and other cell types frequently form functional units, such as kidney glomeruli, liver lobules, or lung alveoli, the assembly, differentiation, and function of the different cellular components needs to be tightly coordinated. In addition, because circulating blood cells extensively rely on the vascular conduit system and frequently interact with the endothelium, it is perhaps not surprising that ECs contribute to niche microenvironments. During tissue repair, proliferative cell expansion processes are sometimes temporally separated from cell differentiation and tissue patterning events. The latter has to involve the restoration of a fully functional vascular network so that ECs appear ideally suited as the source of molecular signals that can trigger or suppress processes in the surrounding tissue. Many of the interactions of ECs with other cell populations are not unidirectional but part of a complex, interdependent network of signaling processes. During tissue growth and repair, positive or negative feedback loops in the communication between different cell populations provide robustness and help to prevent dysfunctional overgrowth or misguided differentiation. This also raises the important question of whether treatments aiming at ECs and their angiocrine activity might be utilized for therapeutic purposes in the future. Many results in animal models suggest that this might be the case, but further validation and studies with human cells or tissue samples are required. While it is obvious that ECs are functionally specialized in different organ systems [89], the molecular basis of organ-specific differentiation and the extent of EC heterogeneity remain largely unknown. It is, for example, feasible that ECs are programmed by transcription factors or other signals in a hardwired, predetermined fashion that is distinct for different organs. Alternatively, specific endothelial phenotypes and angiocrine signatures might result from plasticity in response to tissue-derived signals that are specific for certain local microenvironments. These and other important questions need to be resolved to utilize the full potential of ECs in tissue repair and regeneration, which would undoubtedly facilitate new, exciting opportunities in tissue engineering and medicine.