1.3.2. Sprossende Angiogenese
Die grundlegenden Schritte der sprossenden Angiogenese umfassen den enzymatischen Abbau der kapillaren Basalmembran, die Proliferation von Endothelzellen (EC), die gerichtete Migration von ECs, die Tubulogenese (EC-Röhrenbildung), die Gefäßfusion, die Gefäßbeschneidung und die Stabilisierung von Perizyten. Die sprossende Angiogenese wird in schlecht durchblutetem Gewebe eingeleitet, wenn Sauerstoffsensor-Mechanismen ein Maß an Hypoxie feststellen, das die Bildung neuer Blutgefäße erfordert, um den Stoffwechselbedarf der Parenchymzellen zu decken (Abbildung 1.4). Die meisten Arten von Parenchymzellen (Myozyten, Hepatozyten, Neuronen, Astrozyten usw.) reagieren auf eine hypoxische Umgebung mit der Ausschüttung eines wichtigen proangiogenen Wachstumsfaktors, des vaskulären endothelialen Wachstumsfaktors (VEGF-A). Es scheint keine redundanten Wachstumsfaktormechanismen zu geben, die die Rolle von VEGF-A bei der Hypoxie-induzierten Angiogenese ersetzen können.
Abbildung 1.4
VEGF-A steuert das Kapillarwachstum in schlecht durchblutetem Gewebe. (A) Endothelzellen, die der höchsten VEGF-A-Konzentration ausgesetzt sind, werden zu Spitzenzellen (grün). Hypoxisches Gewebe ist durch die kreisförmige blaue Einblendung gekennzeichnet. (B) Die Spitzenzellen leiten die sich entwickelnde Sprosse (mehr…)
Eine Endothelspitzenzelle leitet die sich entwickelnde Kapillarsprosse durch die ECM in Richtung eines angiogenen Stimulus wie VEGF-A . Lange, dünne zelluläre Fortsätze an den Zellspitzen, Filopodien genannt, scheiden große Mengen proteolytischer Enzyme aus, die dem sich entwickelnden Spross einen Weg durch die ECM bahnen. Die Filopodien der Spitzenzellen sind stark mit VEGF-A-Rezeptoren (VEGFR2) ausgestattet, die es ihnen ermöglichen, Unterschiede in der VEGF-A-Konzentration zu „spüren“ und sie veranlassen, sich dem VEGF-A-Gradienten anzupassen (Abbildung 1.5). Wenn sich eine ausreichende Anzahl von Filopodien auf einer bestimmten Spitzenzelle am Substrat verankert hat, zieht die Kontraktion der Aktinfilamente innerhalb der Filopodien die Spitzenzelle buchstäblich in Richtung des VEGF-A-Stimulus. In der Zwischenzeit vermehren sich die Endothelstielzellen, wenn sie einer Spitzenzelle folgen, was dazu führt, dass sich die Kapillarsprosse ausdehnt. Es bilden sich Vakuolen, die zusammenwachsen und ein Lumen innerhalb einer Reihe von Stielzellen bilden. Diese Stielzellen bilden den Stamm der neu gebildeten Kapillare. Wenn die Spitzenzellen von zwei oder mehr Kapillarsprossen an der Quelle der VEGF-A-Sekretion zusammenkommen, verschmelzen die Spitzenzellen miteinander und bilden ein durchgehendes Lumen, durch das sauerstoffreiches Blut fließen kann. Wenn das lokale Gewebe ausreichend mit Sauerstoff versorgt wird, kehrt der VEGF-A-Spiegel in den Normalbereich zurück. Die Reifung und Stabilisierung der Kapillare erfordert die Rekrutierung von Perizyten und die Ablagerung von ECM zusammen mit Scherspannung und anderen mechanischen Signalen.
Abbildung 1.5
Mikroanatomie eines Kapillarsprosses und Auswahl der Spitzenzellen. (A) Ein interstitieller Gradient für VEGF-A und ein Endothelzellgradient für VEGFR2 sind dargestellt. Es wird angenommen, dass die Migration der Spitzenzellen vom VEGF-A-Gradienten abhängt und die Proliferation der Stielzellen (mehr…)
Die Delta-Notch-Signalübertragung ist eine Schlüsselkomponente der Sprossbildung (Abbildung 1.5). Es handelt sich um ein Zell-Zell-Signalsystem, bei dem sich der Ligand Delta-like-4 (Dll4) mit seinem Notch-Rezeptor auf benachbarten Zellen paart. Sowohl der Rezeptor als auch der Ligand sind zellgebunden und wirken daher nur durch Zell-Zell-Kontakt. VEGF-A induziert die Dll4-Produktion in den Spitzenzellen, was zur Aktivierung der Notch-Rezeptoren in den Stielzellen führt. Die Aktivierung der Notch-Rezeptoren unterdrückt die Produktion von VEGFR2 in den Stielzellen, was das Migrationsverhalten im Vergleich zu dem der Spitzenzellen dämpft. Daher ist es sehr wahrscheinlich, dass Endothelzellen, die der höchsten VEGF-A-Konzentration ausgesetzt sind, zu Spitzenzellen werden. Obwohl die Spitzenzellen der höchsten VEGF-A-Konzentration ausgesetzt sind, ist ihre Proliferationsrate weitaus geringer als die der Stielzellen.
Nicht alle Aspekte des Delta-Notch-Signalwegs sind vollständig geklärt, aber es ist klar, dass die Bildung eines normalen Gefäßsystems stark von der VEGF-A-Konzentration in den Geweben abhängt. Eine Verringerung der VEGF-A-Expression um 50 % ist im Embryonalstadium aufgrund von Gefäßdefekten tödlich, und ein Überschuss an VEGF-A in Tumoren führt zu einer Überproduktion von Spitzenzellen und damit zu einem desorganisierten Gefäßsystem. Diese kritische Abhängigkeit von physiologischen VEGF-A-Konzentrationen für den Aufbau lebensfähiger Blutgefäße könnte erklären, warum Versuche, die Angiogenese in schlecht durchblutetem Gewebe durch VEGF-A-Verabreichung und Gentherapie zu induzieren, nicht sehr erfolgreich waren.