Развитие сосудистой системы является одним из самых ранних событий органогенеза. Ранние кровеносные сосуды эмбриона и желточного мешка у млекопитающих развиваются путем агрегации de-novo-формирующихся ангиобластов в примитивное сосудистое сплетение (vasculogenesis), которое затем подвергается сложному процессу ремоделирования, при котором рост, миграция, прорастание (sprouting) и упрощение (pruning) ведут к развитию функциональной системы кровообращения (angiogenesis; Рис. 1). Многие события, которые происходят во время нормального хода сосудистого развития у эмбриона воспроизводятся во время ситуаций неоангиогенеза у взрослых¹. Большинство опухолей обеспечивают свой собственный рост и распространение с помощью метастазирования путем использования кровеносных сосудов хозяина, растущих вблизи опухоли (т.наз. tumour angiogenesis). Кроме того, неоваскуляризация индуцируется после повреждения ткани в качестве ключевого компонента процесса репарации и заживления.

В последние годы осуществлен прорыв в нашем понимании генетического контроля нормального процесса сосудистого развития и ремоделирования, особенно благодаря характеристике сосудистых мутантных фенотипов у мышей². Эмбриональные фенотипы, которые неспособны развивать разные фазы нормальной васкулатуры описаны для vascular endothelial growth factor (VEGF)/VEGF receptor (VEGFR) и angiopoietin/Tie семейств специфичных для сосудов сигнальных молекул. Сходные результаты описаны для определенных членов более широко используемых сигнальных путей, включая platelet-derived growth factor (PDGF), transforming growth factor-β (TGF-β), ephrin, Notch, и путей, которые, как полагают, вовлечены в первую очередь в наведение аксонов (такие как semaphorins, netrins и Robo). Удивительно, многие из этих сигнальных путей реактивируются в ситуациях неоангиогенеза³. Эти находки открывают новую эру рационального лечения для предупреждения опухолевого ангиогенеза или способствования росту новых кровеносных сосудов.

В обзоре будет рассмотрено раннее формирование паттерна сосудистой эндотелиальной системы. Более поздние события и сигнальные пути, которые столь же важны для сосудистого развития, такие как PDGF, TGF-β и angiopoietin сигнальная система в рекрутировании перицитов и гладкомышечных клетках, а также ремоделирование сосудов рассмотрены в др. работах^4-6. Процесс лимфангиогенеза рассмотрен Alitalo, Tammela and Petrova в данном номере (p. 946). Более того, исчерпывающий список генов, существенных для развития сосудов суммирован и представлен в Supplementary Table 1.

Эндотелиальные клетки могут возможно иметь более интересные роли, чем действовать просто как каналы для циркуляции крови. Они могут способствовать развитию стволовых клеток и формированию органов, действуя как источник паракринных сигналов для окружающих клеток, как в развивающихся, так и продолжающихся эндотелиальных нишах у взрослых. Кроме того, сигналы, которые в первую очередь используются для обеспечения развития эндотелия, могут также действовать непосредственно на др. типы клеток, подкрепляя сложное взаимодействие между васкулаторой и окружающими тканями. Вторая часть обзора посвящена оценке доказательств роли передачи сигналов VEGF вне-сосудистых тканях, а также роли васкулатуры в индукции органогенеза и дифференцировке.





Будучи специфицированными сосудистые предшественники начинают формировать разветвленные сосудистые сплетения, которые затем постепенно реорганизуются в функциональное кровообращение. Как только сосуды начинают ремоделироваться они подвергаться локальной пролиферации и регрессии, а также запрограммированному ветвлению и миграции в разные регионы тела. Они нуждаются в спецификации в разного калибра и типов сосуды, включая подразделение на артерии, вены и лимфатические сосуды с дальнейшим подразделением на крупные сосуды артериолы, капилляры и т.д. Кроме того, они нуждаются в привлечении поддерживающих клеток, гладкомышечных клеток и перицитов, чтобы гарантировать стабильность сформированных сосудов (Рис. 2). Хотя мы еще не полностью понимаем всю сложность этих процессов, но ясно, что финальный исход предопределяется комбинацией hard-wired генетического программирования и внешними влияниями, такими как гипоксия²³ и гемодинамические потоки²⁴.

Одно из первых событий, которое имеет место во время созревания системы кровообращения, является спецификация артерий и вен, и это служит хорошим примером взаимодействия внутренних и внешних факторов. Вплоть до недавнего времени предполагалось, что спецификация судьбы артерий или вен является поздним событием в развитии и провоцируется различиями в гемодинамических потоках в двух типах сосудов. Это мнение изменилось, когда были обнаружены специфические маркеры венозной или артериальной судьбы, такие как ephrinB2 для артерий и его рецептор EphB4 для вен^25-27, на субнаборах развивающихся кровеносных сосудов ещё до начала циркуляции. У кур ранние вне-эмбриональные кровяные островки содержат случайную смесь субпопуляций клеток, экспрессирующих neuropilin 1 (NP1), который является VEGF ко-рецептором, позднее ограниченным артериями, и NP2, который является специфичным для вен рецептором. На стадии 13 сомитов, экспрессия двух генов расходится на будущие артериальные и венозные части сплетения несмотря на отсутствие кровотока²⁸. Это исследование открывает возможность, что выбор между артериальной и венозной судьбой возникает еще в ранних предшественниках, которые затем сегрегируют; сходное заключение было сделано при отслеживании клеточных клонов в рыбок данио²⁹.

Хотя маятник качнулся в сторону внутренне присущей спецификации артериальной или аенозной судьбы, всё ещё сохраняется существенная пластичность в ранней васкулатуре. Эксперименты по трансплантации у кур показали, что на 7 день эмбриогенеза, эктопические трансплантаты индивидуальных артерий или вен могут приводить к респецификации клеточных судеб на ранних стадиях, но пластичность постепенно меняется на поздних стадиях развития³⁰. Элегантная time-lapse кинематография у кур и рыбок данио показала, что установление финального паттерна кровообращения между артериями и венами связано с избирательными разъединениями и соединениями мелких сосудов и с одновременным переключением маркеров артериальной или венозной судьбы^24,31. Манипуляции с кровотоком физически (куры) или генетически (рыбы) показали, что он может изменять экспрессию генов и клеточные судьбы. Следовательно, общая сосудистая архитектура, по-видимому, совершенствуется с помощью гемодинамики паттернов кровотока поверх подлежащего генетического программирования артериальных против венозных судеб^24,29.

Путь передачи сигналов Notch участвует в качестве первого игрока первоначально в установлении артериальной или венозной судьбы. Инъекции доминантно негативной формы Suppressor of Hairless (общего нижестоящего эффектора передачи сигналов Notch) приводит в результате к снижению экспрессии артериальных маркеров, таких как ephrinB2, и к эктопической экспрессии венозных маркеров в дорсальной аорте^{29, 32}. Напротив, экспрессия активированной Notch конструкции индуцирует эктопические артериальные маркеры в задней кардинальной вене ³². Это указывает на то, что во время нормального развития активация пути передачи сигналов Notch в развивающихся артериальных клетках необходима для супрессии венозной судьбы и способствования артериальной дифференцировке. Hairy-related basic helix-loop-helix транскрипционные репрессоры из семейства Hes/Hey являются непосредственными нижестоящими мишенями передачи сигналов Notch во многих ситуациях, в которых Notch детерминирует выбор клеточных судеб. Ген gridlock рыбок данио³³ кодирует члена этого семейства белков. Gridlock экспрессируется специфически в аорте, но не в развивающихся венах, это согласуется с тем. что он является мишенью для Notch in vivo³³. Постепенное снижение экспрессии gridlock ведет к прогрессивной потере артерии и экспансии соседней вены точно так, как это наблюдается при блокировании передачи сигналов Notch с помощью доминантно-негативной конструкции Su(H)²⁹.

4 разных Notch рецепторов (Notch 1-4) и 5 лигандов (delta-like (Dll)1, Dll3, Dll4, Jagged-1 (Jag1) и Jag2) идентифицированы у млекопитающих³⁴. Генетический анализ у мышей и людей выявил разные типы сосудистых дефектовЮ ассоциированных с мутантами Notch-пути (Supplementary Table 1), хотя дефекты первичного выбора артериальной или венозной судьбы, по-видимому, согласуются с проявлениями этих сложных фенотипов. Однако, мутации в Dll4, который является Notch лигандом, специфически экспрессируются в развивающемся артериальном, но не венозном эндотелии, приводят к дефектному развитию дорсальной аорты и кардинальных вен с образованием артерио-венозных шунтов^35,36. Это ассоциирует с подавлением артериальных маркеров и усилением венозных маркеров в дорсальной аорте. Dll4, по-видимому, действует в первую очередь аутокринным способом на артериальный эндотелий, посредством рецепторов Notch1 и Notch4, имеющих сходный фенотип с потерей Dll4, a специфичный для эндотелия нокаут RBP, ортолога Su(H), также ведет к сложным сосудистым дефектам, включая потерю артериальной спецификации³⁷. Двойные мутации Hes1 и Hey1, ортологов gridlock у млекопитающих, также ведут к потере артериальных маркеров и к сосудистым шунтам³⁸. Т.о., активация передачи сигналов Notch и его нижестоящих генов мишеней, по-видимому, законсервированная потребность для спецификации судьбы артериальных клеток у позвоночных, при этом судьба венозного состояния предопределяется 'default'. Недавно было показано, что orphan ядерный рецептор COUP-TFII экспрессируется специфически в венозном эпителии и что мутации его ведут к активации артериальных маркеров в венах³⁹. Эктопическая экспрессия COUP-TFII в артериях супрессирует экспрессию NP1 и др. артериальных маркеров. Всё это указывает на то, что COUP-TFII является частью активного пути, способствующего приобретению венозной судьбы и супрессии передачи сигналов Notch.

Хотя уровни передачи сигналов Notch могут быть критическими для приобретения или артериальной или венозной судьбы, д.б. и др. механизмы, которые устанавливают позиции, в которых развиваются различные первичные кровеносные сосуды. Образование дорсальной аорты и кардинальных вен у эмбрионов кур и возможно мышей происходит в результате локальной агрегации предшественников ангиобластов по срединной линии и привлечения миграции внутрь гематопоэтических предшественников на вентральную сторону дорсальной аорты (Рис. 3). У рыбок данио одиночная дорсальная аорта может быть индуирована сигналами от хорды, т.к. floating-head и no-tail мутанты, лишенные хорды лишены также и дорсальной аорты. Эктопические трансплантации клеток хорды делают возможной сборку зачатков аорты^{40, 41}. У Xenopus, hypochord, который является структурой, расположеннной вентральнее и индуцируемой хордой, необходим для формирования дорсальной аорты^{42, 43}. Гипохорд отсутствует у эмбрионов кур и мышей, но дефинитивная энтодерма вентральнее аорты может заменять роль гипохорда в индукции образования дорсальной аорты у этих организмов. Общим сигналом во всех случаях снова, по-видимому, является VEGF-A, который действует в данном контексте как градиентно распределяющийся аттрактант для ангиобластов, чтобы обеспечить образование аорты. Гипохорд лягушек и дефинитивная энтодерма у кур и мышей являются мощными источниками VEGF^{42, 44}, тогда как VEGF, продуцируемый сомитами в ответ на действие sonic hedgehog (Shh) из хорды, способствует привлечению клеток, чтобы сформировать сосуды срединной линии у рыбок данио⁴⁵. Передача сигналов Hedgehog также, по-видимому, важна для образования дорсальной аорты у эмбрионов кур и мышей, т.к. мутанты с нарушениями компонента передачи сигналов hedgehog smoothened, или использование ингибиторов smoothenedвызывают дефекты образования дорсальной аорты⁴⁶. Природа hedgehog сигнала всё ещё недостаточно ясна, т.к. потеря Shh не ведет к потере дорсальной аорты у мышей, это указывает на вовлечение др. hedgehog лигандов. Роль хорды в формировании дорсальной аорты у эмбрионов кур и мышей также неясна. Мутанты Brachyury, лишенные задней части хорды, всё ещё формируют заднюю часть дорсальной аорты⁴⁷. Однако, нельзя исключить и роль хорды в передней области, где фенотип smoothened наиболее тяжелый⁴⁶.

Хорда выполняет, по крайней мере, одну ключевую роль в формировании паттерна аксиальной васкулатуры у эмбрионов кур и мышей путем секреции ингибиторов bone morphogenetic protein (BMP), noggin и chordin, которые предопределяют безсосудистые области вокруг разивающейся хорды^48,49. Позднее, секреция VEGF из нервной трубки участвует в рекрутировании ангиобластов, производных сомитов, чтобы сформировать перинейральное сосудистое сплетение, которое обрамляет нервную трубку в середине беременности⁵⁰. Затем ангиогенное проникновение внутрь нервной трубки будет происходить и зависит от сигналов Shh от вентральной части нервной трубки и соседних тканей⁵¹.

Образование межсомитных артерий из дорсальной аорты высоко стереотипный процесс, который начинается на ранней стадии сомитогенеза и распространяется каудально по мере образования сомитов. Межсомитные сосуды проникают дорсально из дорсальной аорты в область между сомитами (Рис. 3). Как только они достигают медиальной поверхности, они оказываются на поверхности сомита, где они сливаются с соседними веточками и образуют продольные позвоночные артерии, выравненные по нервной трубке. Начиная со стадии 8 сомитов презумптивные ангиобласты кардинальных вен посылают отростки, которые соединяются с позвоночными артериями и становятся межсомитными венами дорсальнее межсомитных артерий⁵². Что же контролирует положение и время ответвления и миграции межсомитных сосудов? Снова играт роль VEGF. Мутация Flt1 (VEGFR-1), который обычно рассматривается как негативный регулятор передачи сигналов VEGF, редуцируют выпускание отростков в ES клетках in vitro, и образование межсомитных сосудов in vivoЮ, подтверждая, что точные уровни биоактивного VEGF-A и вообще пространственная локализация сигнала VEGF скорее всего предопределяет собственно образование локальных межсомитных выростов (sprout)⁵³. Передача сигналов Notch может быть также важной в детерминации основного паттерна и количества точек ответвления, также как и в artery-vein спецификации. Некоторые in vitro исследования показали роль активной пердаи сигналов Notch в ограничении морфогенеза ветвления, а исследования мутаций in vivo это подтвердило. Потеря Dll4 (ref. 35) или Notch1 (ref. 54) ведет к избыточному и неправильно направленному межсомитному ветвлению, тогда как активация передачи сигналов Notch в эндотелии супрессирует ответвления сосудов.

Будучи сформированными межсомитные отростки нуждаются в собственно наведении их миграции между соседними сомитами. Этот процесс, подобно многим др. примерам образования и миграции сосудов, имеет несколько механистических и генетических сходств с ведением аксонов. Роль сигналов наведения аксонов в развитии кровеносных сосудов недавно рассматривалась⁵⁵.

Очевидно, что даже самые ранние фазы формирования паттерна сосудов используют сложную иерархию сигналов от VEGF через Notch к специфическим механизмам наведения сосудов с использованием молекулярных стратегий, впервые выявленных в нервной системе. Эти пути также, по-видимому, реактивируются и у взрослых в ситуациях неоангиогенеза, и , следовательно, становятся интересными новые мишени для pro-angiogenic или antiangiogenic терапии (см. обоз этого номера Ferrara and Kerbel, p. 967). Формирование развивающейся васкулатуры зависит от тонкой регуляции онтогенетических сигналов с некоторыми путями передачи сигналов, такими как VEGF и Dll4, обнаруживающих дефекты гаплонедостаточности. Если эта чувствительность проявляется в ситуациях взрослого неоангиогенеза, то имеется реальная надежда на эффективные терапевтические вмешательства.

Критические про-ангиогенные свойства VEGF, описанные выше, делают его первым кандидатом для терапевтических вмешательств, связанных с ангиогенезом. Интимная ассоциация эндотелиальных клеток с их родственными органами в течение всей жизни и потенциально плейотропная природа передачи сигналов VEGF, может , однако, привести к достоверным off-target эффектам этих вмешательств. При формообразовании сосудистой системы органные сигналы к сосудам, которые из обслуживают, влияют на эндотелиальные клетки, заставляя принимать функциональные специализации, такие как барьер кровь-головной мозг и фенестрированный эндотелий в клубочках почек⁵⁶. Однако, накапливаются доказательства, эндотелиальные клетки, в свою очередь, испускают инструктивные морфогенетические сигналы, способствующие формированию органов и формированию паттерна как во время развития, так и у взрослых.

Печень впервые появляется как мультислойный эпителий в энтодерме вентральной части кишки. Эндотелиальные клетки, окружающие этот презумптивный зачаток печени, затем проникают в него и агрегируются в синусоиды, когда гепатобласты начинают мигрировать из энтодермы в подлежащую поперечную перегородку (septum transversum)⁵⁷ (Рис. 3). Роль эндотелиальных клеток в развитии печени была предположена при изучении Flk1-мутантных мышей, которые неспособны формировать зрелые эндотелиальные клетки⁷. У этих мышей утолщение энтодермы передней кишки и экспрессия печень-специфических генов происходит нормально. Однако отсутствует миграция или пролиферация гепатобластов в окружающую поперечную перегородку, чтобы сформировать зачаток печени⁵⁷. Культуры эксплантов показывают, что эффект эндотелиальных клеток на развитие печени не зависит от кровообращения⁵⁷. Эндотелиальные клетки, активированные с помощью VEGF также поддерживают пролиферацию гепатоцитов и жизнеспособность взрослых животных⁵⁸. В ответ на VEGF, liver sinusoidal endothelial cells (LSEC) выделяют печеночные митогены, hepatic growth factor (HGF) и interleukin-6 (IL-6) VEGFR-1-зависимым образом, способствуя печеночному росту и защищая гепатоциты от токсического инсульта in vivo. Следовательно, эндотелиальные клетки создают важные сигналы для развития печени и могут быть простимулированы для обеспечения nutritional и trophic поддержки поврежденной взрослой печени.

Эндотелиальные клетки, по-видимому, играют сходную роль в обеспечении раннего развития поджелудочной железы. Развивающаяся поджелудочная железа образует тесную ассоциацию с дорсальной аортой и вителлиновыми венами (Рис. 3)⁵⁹. Панкреатические островки эндокринных клеток (такие как инсулин-продуцирующие клетки) также тесно ассоциируют эндотелиальными клетками, секретирующими гормоны непосредственно в кровь. Реципрокная передача сигналов, по-видимому, происходит между эндотелиальными и эндокринными клетками, чтобы сформировать функционалную поджелудочную железу. Изучение эксплантов показало, что дорсальная аорта необходима и достаточна для экспрессии инсулина в энтодермальных тканях, а эктопические эндотелиальные клетки могут индуцировать экспрессию инсулина в непанкреатической энтодерме⁵⁹. Эндокринные клетки затем сигналят обратно эндотелиальным клеткам посредством VEGF, чтобы индуцировать инвазию капилляров в островки и фенестрацию эндотелиальных клеток, оккупирующих островки⁶⁰. VEGF не нужен для собственно развития эндокринной части поджелудочной железы⁶⁰. Анализ Flk1-мутантных мышей подтвердил, что эндотелиальные клетки не нужны для инициальной спецификации поджелудочной железы из энтодермы передней кишки, но необходимы для последующего появления панкреатического зачатка и экспрессии Ptf1a, который является транскрипционным фактором, необходимым для развития поджелудочной железы, а также эндокринных генов⁶¹.

Исследования на рыбках данио не подтвердили этой ранней роли эндотелиальных клеток на развитие печени и поджелудочной железы, т.к. отпочкование печени и поджелудочной железы происходило нормально у мутантов рыбок данио, лишенных эндотелиальных клеток^62,63. Это может отражать эволюционные различия в источниках морфогенетических сигналов, чтобы компенсировать различия в развитии и функционировании этих органов у рыб и млекопитающих⁶⁴. Сигналы, предоставляемые эндотелием, чтобы способствовать морфогенезу зачатков печени и поджелудочной железы, пока неизвестны. Установление природы этих сигналов, их консервация между рыбами и млекопитающими и того, могут ли они экспрессироваться всеми эндотелиальными клетками или только теми, что в тесной близи к печени и панкреас, покажут будущие исследования

Многочисленные исследования на мышах показали, что передача сигналов между эндотелиальными клетками и подоцитами существенна для собственно развития и поддержания функции фильтрации почечных клубочков^{65, 66}. Подоциты, которые являются специализированными клетками, которые обеспечивают поддержку структуры функциональных клубочков, обычно экспрессируют VEGF на высоких уровнях. Гомозиготные делеции по VEGF особенно в подоцитах предупреждают рекрутирование и созревание эндотелиальных клеток в клубочках (glomerulus) и приводят к аномальному созреванию подоцитов и мезангиальных клеток и перинатальной летальности⁶⁵. Вклад мезангильаных клеток в гломерулы также аномален у мышей, специфически лишенных PDGFB в эндотелиальных клетках^67>. Всё это указывает на то, что эндотелиальные клетки, которые привлекаются, созревают и поддерживаются с помощью VEGF из подоцитов, способствуют дальнейшему созреванию подоцитов и мезангиальных клеток и образованию функциональных гломерул. Поддержание эндотелиальных клеток посредством регуляции уровня VEGF является критическим для продолжения функции гломерул у взрослых. Гетерозиготная потеря VEGF в подоцитах приводит в результате к исчезновению эндотелиальных фенестраций у взрослых мышей, что сопровождается потерей подоцитами отростков в нижней части. Клинические симптомы гипертензии и протеинурии появляются на конечной стадии почечной недостаточности⁶⁵ . Применение VEGF-нейтрализующих агентов приводит в езультате ек дисфункции гломерул, подтверждая, что гломерулы сильно зависят от эндотелиальной функции, контролируемой с помощью точных уровней VEGF в течение всей жизни⁶⁸.

Плацента млекопитающих является сложным органом, основные функции которой зависят от установления структуры, в которой кислород, продукты распада, пищевые и ростовые факторы могут обмениваться между условиями матери и плода. Установление сосудистого обменного ложа на стороне плода связано со слиянием аллантоиса с хорионом и разветвленной инвазией плодных капилляров в хориональный трофобласт (Рис. 4). На материнской стороне развивающиеся спиральные артерии, вступающие в плаценту, подвергаются процессу инвазии с помощью плодных трофобластов, которые в конечном итоге замещают эндотелиальные клетки, гарантируя, что материнская кровь будет непосредственно омывать плодные трофобласты и тем самым усиливать обмен.

Несмотря на некоторые детальные отличия в архитектуре, общие основные анатомические свойства и молекулярные пути, лежащие в основе формирования плаценты сходны у людей и мышей⁶⁹. Мутантные мыши по многим путям, затрагивающими сосудистое развитие, приводят к проблемам с плацентой⁶⁹ и те же самые пути, по-видимому, ответственны за развитие плаценты у людей. Однако, в целом пути, связанные с сосудистым развитием плаценты, сходны с теми, участвуют в установлении и др. сосудистых сетей (beds). Некоторые специальные признаки возникают, которые могут быть связаны с быстрой и экстенсивной неоваскуляризацией и ремоделированием, в которых нуждается плацента. Во-первых, плацента секретирует ряд специфических сигнальных молекул, которые, по-видимому, связаны с обеспечением сосудистого развития, помимо стандартных ангиогенных факторов. Напр., плацентарные lactogen-related гормоны, proliferin и родственный proliferin белок, обеспечивают ангиогенное и анти-ангиогенное действие на сосудистую систему плаценты⁷⁰. Кроме того, один член семейства VEGF, placental-like growth factor (PlGF), строго экспрессируется в плаценте и, как полагают, выполняет свою нормальную физиологическую роль здесь. Хотя мыши, лишенные PlGF, не обнаруживают очевидных физиологических дефектов в нормальном развитии⁷¹, но они обнаруживают дефекты в ситуациях индуцированного ангиогенеза, таких как тканевая ишемия. Соединение PlGF с Flt1 усиливает передачу сигналов VEGF посредством Flk1 (ref. 72), подтверждая тем самым механизм, с помощью которого эта молекула может оказывать модулирующую роль на развивающуюся плаценту.

Интересно, что у мышей и людей Flt1 (VEGFR, который преимущественно соединяется с PlGF) экспрессируется не только в васкулатуре плода, но и в субнаборах трофобластных клеток внутри плаценты, подтверждая, что PlGF играет также непосредственную роль в обеспечении развития плаценты. Однако, плаценты у химерных мышей, в которых трофобластные клетки лишены Flt1, но экспрессия в сосудах плода остается интактной, являются морфологически нормальными и поддерживают развитие плода до рождения⁷³. Следовательно, трофобласт-специфическая экспрессия Flt1 безразлична для установления взаимодействия мать-плод и формирования плацентарной васкулатуры. Это оставляет открытой возможность, что плацентарная экспрессия PlGF и Flt1 всё ещё может иметь важную модулирующую роль в самой плаценте или посредством продукции растворимой формы Flt1, sFlt1, на материнскую систему.

Pre-eclampsia является довольно распространенным заболеванием, затрагивающим примерно 2.5-5% беременностей (rev. 74). Она возникает в две стадии: преклиническая фаза характеризуется нарушениями инвазии cytotrophoblast в материнские спиральные артериолы, приводя к гипоксии плаценты и , следовательно, к усилению продукции плацентарных факторов. реагирующих на гипоксию, секретируемых трофобластом, включая компоненты VEGF/PlGF пути. В свою очередь, этот локальный дефект ведет ко второй фазе pre-eclampsia посредством системного ответа у матери возникает в результате гипертензия, протеинурия, свертыванию крови (blood clotting) и к различным др. дисфункциям внутренних органов. Pre-eclampsia может оказаться опасной для жизни как матери, так и ребенка и может быть вылечена только с помощью рождения (delivery) плаценты. Подтверждено, что повышенные уровни в кровообращении sFlt1, вместе с пониженным уровнем VEGF и плацентарного ростового фактора (PIGF) в материнской сыворотке за 5 недлель до клинического проявления, м. предсказать болезнь⁷⁵. Важно, что введение sFlt1 непосредственно беременным крысам воспроизводит многие характерные особенности to pre-eclampsia, включая гипертензию, протеинурию и почечный endotheliosis⁶⁸. Следовательно, блокирование sFlt1 является привлекательным путём для лечения pre-eclampsia. Обнаружение, что Flt1 не является обязательным для развития собственно плаценты у мышей обнадеживает, т.к. это предполагает, что не может быть нежелательных побочных плацентарных эффектов в результате такой терапии.

Дополнительной функцией эндотелиальных клеток в органогенезе может быть регуляция стволовых клеток. Пролиферирующие эндотелиальные и нейральные предшественники тесно ассоциированы и продуцируемые эндотелием растворимые факторы регулируют нейрогенез (см rev. Greenberg and Jin, p. 954). Учитывая их тесную близость, общение между пролиферирующими эндотелиальными и нейральными предшественниками скорее всего связано с более, чем только секретируемыми факторами. Juxtacrine сигнальные молекулы, такие как Notch, которые существенны для выбора клеточной судьбы у предшественников как в нейрональном, так и сосудистом клонах, являются очевидными кандидатами. Эндотелиальные клетки скорее всего играют ключевую роль в обеспечении ниши для регуляции активности нейральных стволовых клеток.

Эндотелиальные клетки обнаруживаются также в др. областях, где располагаются стволовые клетки и также могут играть важную роль в их поддержании и жизнеспособности. Haematopoietic stem cells (HSCs) хорошо определены в отношении их свойств стволовых клеток, но стромальные условия, вносящие вклад в их регуляцию менее определены. Один тип клеток, вносящий вклад в нишу взрослых HSC, это остеобласты, но др. стромальные клетки костного мозга, такие как эндотелиальные клетки, также возможно вносят вклад^{76, 77} (Рис. 5). Как уже отмечалось имеется интимная ассоциация и тесные линейные взаимоотношения между эндотелиальными и кровяными клетками, указывающие на то, что они также регулируют развитие HSC, начиная с их оккупации костного мозга. Эндотелиальные клетки костного мозга регулируют пролиферацию и дифференцировку более детерминированных предшественников из myeloid и megakaryocyte клонов^{78, 79}. Т.к. megakaryocytes продуцируют VEGF, то взаимодействие между этими предшественниками и эндотелиальными клетками возможно является реципрокным, как и в др. органах⁸⁰. Эндотелиальные клетки способствуют также выживаемости HSCs в культуре, но это, по-видимому, ограничено определенными популяциями эндотелиальных клеток⁸¹. На основании этих находок существование эндотелиального прибежища (niche) для HSCs, по-видимому, аксиоматично; однако, только недавно получены доказательства in vivo, подтверждающие существование эндотелиальной ниши для HSCs⁸². Важные функции HSCs во взрослом косном мозге и селезенке обнаруживаются в тесной ассоциации с эндотелиальными синусоидами, указывающими на то, что эндотелиальные клетки обеспечивают поддержку HSCs in vivo. Интересно бы изучить в дальнейшем соотв. вклады эндотелиальных и endosteal ниш на поведение HSC. Дальнейшее продвижение идеи реципрокной передачи сигналов между гематопоэтическими предшественниками и эндотелиальными клетками, производными костного мозга клетками предшественниками, возможно включая гематопоэтические клетки предшественники и HSCs, локализация сайтов активного ангиогенеза, включая опухолевый ангиогенез, открывает возможность, что гематопоэтические клетки передают сигнал обратно эндотелиальным клеткам, чтобы регулировать ангиогенез⁸³. Транспорт циркулирующих HSCs или гематопоэтических клеток предшественников в специфические органы может зависеть от адгезивных молекул, специфичных для эндотелиальных клеток каждого органа и это может представлять собой др. уровень регуляции.

Дальнейшие исследования функциональной роли эндотелиальных клеток по поддержанию взрослых органов, по пролиферации стволовых клеток и клеток предшественников, по-видимому, выявят более интересные функции для васкулатуры, чем просто доставка крови.

Экспрессия VEGFRs в неэндотелиальных клетках и наблюдения сделанные на мутантных по VEGF мышах также указывают на то, что VEGF является существенным сигнальным фактором в не-эндотелиальных клетках. Однако, доказательства прямого или косвенного влияния необходимо оценить критически во всех случаях.

VEGF action on cells of the nervous system Многочисленны исследования нейропротективной роли VEGF⁸⁴. Напр., мыши, гомозиготные по VEGF-A аллелю, лишенные hypoxia-response элемента, характеризуются болезнью моторных нейронов, сходной с amyotrophic lateral sclerosis (ALS)⁸⁵. Этот эффект снижения VEGF, по-видимому, частично обусловлен эффектами эндотелиальных клеток, т.к. наблюдается снижение нейральной перфузии; однако, прямой эффект VEGF также может быть возможен, т.к. VEGF защищает моторные нейроны в условиях стресса in vitro⁸⁵, а избыточная экспрессия Flk1 в моторных нейронах существенно удлиняет жизнь ALS мышей⁸⁶. В самом деле, in vitro, VEGF обнаруживает pro-survival активность для многих типов нейронов при ряде стрессовых условий, стимулирует рост аксонов в культурах эксплантов и способствует выживанию, пролиферации и миграции Шванновских клеток, астроцитов и микроглии⁸⁴. In vivo исследования показали. что VEGF-1 (ref. 64) необходим для миграции лицевых двигательных нейронов⁸⁷. Отсутствие VEGF-A специфически в нейральных популяциях ведет в результате к аномалиям в развитии сетчатки и коры, что сопровождается снижением плотности сосудов и ветвления в этих местах, это напоминает некоторые ретинопатии у людей⁸⁸. Однако, нейральное развитие протекает, по-видимому, нормально, если Flk1 удаляется из нейральной популяции, указывая на то, что VEGF-A фенотип обусловливается вторичными эффектами потери соответствующего сосудистого снабжения⁸⁸. VEGF может , следовательно, выполнять две роли в развитии нервной системы: во-первых, как прямой нейротрофный агент; и во-вторых, как ангиогенный фактор, стимулирующий эндотелиальные клетки создавать адекватное кровоснабжение и доставлять нейротрофные факторы. Независимо от того прямая или косвенная роль, применение VEGF может редуцировать тяжесть нейрологической травмы, включая повреждения спинного мозга, делая его потенциально пригодным для дополнительной терапии таких пациентов⁸⁹.

Bone Пердача сигналов с помощью VEGF, по-видимому, выполняет множественные роли в развитии костей, способствуя васкуляризации во время формирования эндохондральных костей и регулируя жизнеспособность и активность хондрогенных и остеогенных клеток. Растворимые ингибиторы впервые выявили потребность в VEGF для развития костей, супрессируя сосудистую инвазию и рост длинных костей⁹⁰. Условные и isoform-специфичные VEGF мутанты показали, что heparin-связывающие изоформы VEGF, продуцируемые хондроцитами, существенны для инвазии сосудов в метафизы, резорбциии хряща и первичной оссификации длинных костей^{91, 92}. VEGF, по-видимому, секретируется не-гипетрофическими хондроцитами, также по-видимому, необходим для обеспечения ангиоогенеза вокруг эпифизов длинных костей, чтобы облегчить вторичную оссификацию. В противоположность metaphyseal васкулатуре, рекрутирование epiphyseal васкулатуры зависит от растворимых форм VEGF⁹³, отсутствие которой приводит в результате к массивному апоптозу негипертрофических epiphyseal хондроцитов из-за гипоксии^{93, 94}. VEGF может действовать непосредственно на эти хондроциты, чтобы защитить их от гипоксии ^{93, 94}. VEGF играет также важную роль в заживлении переломов костей на животных моделях частично благодаря стимуляции сосудистого роста в область перелома, но доказательства также указывают на то, что он действует на сами кость-формирующие клетки⁹⁵. VEGF непосредственно стимулирует активность изолированных остеобластов и остеокластов in vitro, тогда как блокада VEGF в культурах эксплантов эмбриональных хрящевых metatarsals ингибирует оссификацию^{95, 96}.

VEGF может быть сигналом к др. типам неэндотелиальных клеток помимо только что описанных. Напр., делеции VEGF в HSCs подтверждают наличие аутокринной VEGF сигнальной петли в HSC для выживания⁹⁷, тогда как подоцит-специфичные точковые Flk1 мутации говорят об аутокринной роли для VEGF у взрослых подоцитов (S. Quaggin, personal communication). Др. неэндотелиальными мишенями для VEGF могут быть миобласты⁹⁸ и пневмоциты⁹⁹. Примеры, представленные выше четко подчеркивают необходимость дальнейших исследований клеточно-специфических мутаций VEGFR, чтобы вычленить автономную и неавтономную потребность в передаче сигналов VEGF как в развитии, так и болезнях.

We have presented an overview of vascular development from the initial specification of vascular cell types through to their role in maintaining homeostasis in adult tissues. Although we have made significant progress towards understanding how blood vessels are formed and patterned to generate the many types of vessel, much work remains to be done. We still do not fully understand the origins of angioblasts or the relationship of endothelial cells to other vascular cell types, such as cardiac, smooth-muscle and blood cells. The complexity and heterogeneity of endothelial cells is becoming increasingly apparent, opening the possibility of refining therapeutic applications to specific subsets of the vasculature. To what extent is this heterogeneity defined by intrinsic programmes or influenced by local environment? The genetic and environmental control of vascular assembly and remodelling is still not well understood, although it is crucial to understanding the states of neoangiogenesis in the adult and defining new angiogenesis-based therapies. The multiple roles of VEGF signalling in endothelial development and function have made it the most popular target for angiogenic therapeutic interventions. Yet, its importance and the increasing evidence of its possible roles in cell types other than the vasculature make the side effects of anti-VEGF therapies a real concern. A more refined understanding of the complex signalling pathways controlling all aspects of vascular development and remodelling will help define new and more-specific targets for future therapeutic intervention.