Науки о жизни
0

Гетерогенность и специализация сосудов при нормальном развитии и в патологии

by ЛисицкийСентябрь 5, 2017

Резюме | Кровеносные и лимфатические сосуды пронизывают почти все ткани организма и выполняют множество важных функций в физиологии и патологии. Внутренняя поверхность этих сосудов образована одним слоем эндотелиальных клеток, который специализируется согласно потребностям кровоснабжаемой ткани. Несмотря на то, что  общие механизмы развития кровеносных и лимфатических сосудов определены вплоть до молекулярного уровня, исследования процессов специализации эндотелия остаются в основном описательными. Недавно в генетических исследованиях на животных были продемонстрированы способы взаимодействия эндотелиальных клеток между собой и с окружающими их тканями. Результаты этих исследований сформировали взгляды на сосудо- и органоспецифичную дифференцировку эндотелия. Определение ее основных принципов крайне важно для понимания как развития и самоподдержания тканей, так и нарушения их функции при патологии.

Глоссарий
Фенестрированный эндотелий — эндотелий, пронизанный порами (фенестрами).
Базальная мембрана (БМ) — слой межклеточного матрикса, отделяющий эндотелий от прилежащих тканей.
Гематоэнцефалический барьер (ГЭБ) — барьер, обладающий избирательной проницаемостью и ограничивающий поступление растворенных веществ из циркулирующей крови в мозг.
Плотные контакты — межклеточные соединительные комплексы, состоящие из молекул клаудинов, окклюдина и соединительных молекул адгезии, которые ограничивают диффузию.
Адгезионные контакты — связующие структуры, которые образуются при сцеплении кадгеринов, соединяющих актиновые нити между клетками.
Трансцитоз — транспортировка макромолекул в пределах клетки.
Ниша стволовых клеток — микроокружение, поддерживающее недифференцированное и самообновляемое состояние стволовых клеток.
Ангиобласты — клетки-предшественники эндотелиальных клеток, отличающиеся от мезодермы и образующие первые эмбриональные кровеносные сосуды.
Мезодерма — средний слой из трех зародышевых слоев раннего эмбриона, образующий соединительную ткань (включая эндотелий) и мышцы.
Формирование просвета сосуда — формирование внутреннего пространства сосуда, по которому протекает кровь или лимфа.
Пузырение (вакуолизация) мембраны — раздувание или выпячивания плазматической мембраны характерной сферической формы.
Клетки-предшественники — одни из первых потомков стволовых клеток. Способны делиться ограниченное число раз и дифференцироваться на несколько типов клеток.
Гемогенный эндотелий — специализированные эндотелиальные клетки, присутствующие в определенных кровеносных сосудах эмбриона и способные становиться гемопоэтическими клетками в ограниченный период эмбрионального развития.
Трансмуральный ток — ток жидкости сквозь слой эндотелия.
Гликолиз — анаэробный метаболический путь в процессе которого глюкоза превращается в пируват с образованием энергии и соединений необходимых для процессов синтеза.
β-окисление жирных кислот — катаболический процесс в митохондриях, в процессе которого происходит расщепление жирных кислот с образованием субстратов для цикла трикарбоновых кислот (ЦТК) и цепи переноса электронов.
Нотохорд — промежуточная срединная структура, которая образуется в эмбрионах хордовых и посылает сигналы для структурирования окружающих тканей
Гемангиомы — доброкачественные сосудистые новообразования, состоящие из избыточного количества эндотелиоцитов.
Эндотелиальный гликокаликс — покрывает апикальную поверхность клеток эндотелия, который состоит из протеогликанов и гликопротеинов и играет роль в механотрансдукции, передаче сигналов, гемостазе и взаимодействии с клетками крови.
Первичные реснички — неподвижные антенноподобные сигнальные органеллы, состоящие из микротрубочек.
Глаукома — группа заболеваний глаза, вызванная повреждением оптического нерва, что приводит к потере зрения.
Лимфедема — накопление жидкости и отек тканей в результате дисфункции лимфатических сосудов.

Поддержание гомеостаза органов зависит от функционирования двух иерархически разветвленных сетей: кровеносных и лимфатических сосудов. Кровеносные сосуды — артерии, вены и капилляры — образуют закрытую систему кровообращения. Кровь переносит газы, питательные вещества, метаболиты и клетки, а также доставляет паракринно действующие сигнальные молекулы к соседним тканям. Лимфатическая система, напротив, устроена в виде однонаправленной и слепо заканчивающейся сети, состоящей из лимфатических сосудов, лимфатических узлов и ассоциированных лимфоидных органов. Эта «вторая сосудистая система» связана с кровеносной системой, так как лимфа возвращает жидкость и макромолекулы из тканей в кровь. Кроме того, лимфатические сосуды участвуют в абсорбции липидов, транспортировке холестерина из тканей и переносе иммунных клеток [1].
Эндотелиальные клетки (ЭК) выстилают внутреннюю часть всех кровеносных и лимфатических сосудов. Несмотря на то, что эти клетки имеют мезодермальное происхождение и некоторые общие функции, не все из них одинаковы. В зависимости от типа сосуда или органа, ЭК проявляют различные молекулярные и функциональные особенности, результатом чего является значительная гетерогенность сосудистого русла. Механизмы, благодаря которым ЭК специализируются на выполнении своих тканеспецифичных задач, изучены плохо, хотя играют важную роль в нормальном развитии и функционировании органов. Была показана связь эндотелиальной специализации с внутренними клеточными процессами развития, а также с сигналами из микроокружения. Примерами таких сигналов из микроокружения являются факторы роста, механическое воздействие и метаболические стимулы, а также взаимодействия клеток между собой и с внеклеточным матриксом.

В данном обзоре авторы обсуждают молекулярную и функциональную гетерогенность сосудов и подчеркивают новые концепции специализации эндотелия. Сначала рассматриваются происхождение и развитие кровеносных и лимфатических сосудов, а затем объясняется, как они перестраиваются в функционально специализированные сети. Также авторы обсуждают взаимное влияние сосудов с процессами дифференцировки и функционирования тканей, а также механизмы, которые лежат в основе специфических заболеваний сосудов и сосудистого русла.

Архитектура кровеносных и лимфатических сосудов

Кровеносные сосуды организованы в древовидные структуры. Крупные артерии переносят обогащенную кислородом кровь от сердца и разветвляются на артерии меньшего калибра, несущие кровь в обширную капиллярную сеть (Рис.1). На этом этапе капилляры переходят в вены, те, в свою очередь, образуют крупные вены, которые в итоге возвращают бедную кислородом кровь к сердцу. Из сердца кровь по легочной артерии поступает к легким для повторного насыщения кислородом.

Лимфатические сосуды похожим образом организованы в иерархическую систему слепозамкнутых лимфатических капилляров, собирающих сосудов и протоков. Лимфатические капилляры выводят избыток интерстициальной жидкости; через них резидентные иммунные клетки поступают в лимфатическую систему. Собирающие сосуды специализируются на транспорте жидкости и доставляют лимфу в грудной и правый лимфатические протоки, которые соединяются с венозной системой. Каждый тип сосудов обладает отличительными морфологическими и функциональными характеристиками (Рис.1).

Источник: Nature

Рисунок 1 | Организация сосудистой сети.
Сосудистая сеть представлена иерархически организованной сетью артерий (красные), вен (синие) и соединительных капилляров, а также слепозамкнутыми лимфатическими капиллярами и собирающими сосудами (зеленые), которые сбрасывают жидкость в венозную циркуляцию. Артериолы, капилляры и венулы представляют собой микроциркуляторное русло — участок, где происходит большинство межклеточных взаимодействий. Крупные артерии и вены обладают непрерывной выстилкой из эндотелиальных клеток (ЭК), базальной мембраны (БМ) и слоев гладкомышечных клеток (ГМК). ЭК капилляров могут быть непрерывными, фенестрированными или прерывистыми, а также в различной степени покрытыми БМ и перицитами.

Лимфатические капилляры состоят из ЭК в форме дубового листа со специализированными точечными соединениями и якорными филаментами, которые оставляют зазоры между ЭК и позволяют тканевой жидкости поступать в лимфокапилляры при высоком тканевом давлении. Собирающие лимфатические сосуды покрыты неплотной сетью ГМК, помогающей при перекачке жидкости, а в просвете сосудов находятся клапаны, предотвращающие обратный поток лимфы.
Анатомия капилляров показана в верхней части рисунка, более крупные сосуды изображены внизу. Адвентициальная оболочка — внешний слой соединительной ткани, покрывающий сосуд.

Гетерогенность морфологии сосудов.

Стенка сосудов может морфологически различаться как в пределах одного участка сети, так и между отдельными участками. Например, эндотелий артерий и вен образует непрерывный монослой, в то время как слой ЭК капилляров может быть непрерывным, фенестрированным или прерывистым (Рис.1). Фенестрированный (висцеральный) эндотелий встречается в тканях, участвующих в фильтрации и секреции, в т.ч. в экзо- и эндокринных железах, клубочках почек и слизистой оболочке кишечника; прерывистый эндотелий характерен для синусоидных капилляров печени и костного мозга [2]. ЭК могут иметь различные особенности даже в пределах одной капиллярной сети. В кровеносной сети кости капилляры, расположенные близко к эпифизарной пластинке, образуют плотно упакованные столбчатые структуры, которые контролируют остеопрогениторные клетки, тогда как взаимосвязанные синусоидные капилляры в костном мозге сильно разветвлены, нерегулярны и взаимодействуют с гемопоэтическими клетками [3]. ЭК покрыты базальной мембраной (БМ), форма и состав которой в различных участках сосудистого русла различается [4]. Она варьирует от толстой эластичной мембраны в крупных артериях до тонкой, прерывистой БМ в лимфатических капиллярах (Рис.1).

Сосуды различаются также по плотности их покрытия пристеночными клетками, к которым относятся гладкомышечные клетки сосудов (ГМКС), перициты и звездчатые клетки печени. В стенках кровеносных сосудов крупного калибра присутствуют ГМКС, необходимые для поддержания стабильности и тонуса сосудов и регуляции артериального давления. В то же время, кровеносные капилляры и венулы покрыты перицитами. Перициты имеют связи с эндотелием, необходимые для регуляции стабильности сосудов, трансэндотелиального транспорта и формирования гематоэнцефалического барьера (ГЭБ) [5, 6]. Также сообщалось, что перициты обладают сократительными свойствами и способствуют регуляции церебрального кровотока [7], хотя эти результаты не подтвердились в другом исследовании [8], вероятно, из-за различий в определении перицита.

Пристеночные клетки в зависимости от органа, где они расположены, имеют различное эмбриональное происхождение [6], однако наличие у них особых тканеспецифичных свойств не установлено. Плотность покрытия лимфатических сосудов пристеночными клетками также различна. Собирающие лимфатические сосуды имеют слой ГМКС, который позволяет сосуду перекачивать лимфу благодаря их уникальной способности к фазовым и тоническим сокращениям. Стенка лимфатических капилляров лишена пристеночных клеток [9]. Другая особенность, характерная для определенного типа сосудов — это наличие в просвете сосуда клапанов, присутствующих только в венах и собирающих лимфатических сосудах для предотвращения обратного тока жидкости.

Гетерогенность функции сосудов.

Гетерогенность морфологии тесно связана с гетерогенностью функций (Таблица 1). Регуляция тонуса сосудов — функция артерий, которая в основном реализуется на уровне артериол, в то время как вены, особенно посткапиллярные венулы, являются основным местом экстравазации лейкоцитов в процессе воспаления.

Барьерная функция ЭК также варьирует в зависимости от локализации сосудов. Например, в головном мозге ЭК образуют высокоселективный ГЭБ, который защищает нейроны от токсинов, иммунных клеток и патогенов. Барьерные функции ГЭБ обусловлены непрерывным слоем эндотелия, имеющим специализированные плотные контакты и адгезионные контакты между клетками, низким уровнем трансцитоза и подавлением адгезии лейкоцитов [10]. Формирование и поддержание ГЭБ зависит от перицитов, контролирующих трансцитоз через ЭК [5], и от экспрессии натрий-зависимого лизофосфатидилхолин-симпортера 1 (NLS1, кодируемого геном MFSD2A), селективного транспортера незаменимых омега-3 жирных кислот, который преимущественно экспрессируется в ЭК ГЭБ [11,12].

Барьерные свойства ЭК значительно различаются в органах, участвующих в абсорбции и фильтрации. К таким органам относятся, например, почки и тонкий кишечник, в которых фенестрированные ЭК обеспечивают быстрый обмен, поглощение и секрецию жидкостей, растворенных веществ и молекул [2]. Еще более высокая проницаемость наблюдается в ЭК синусов печени (ЭКСП). ЭКСП составляют прерывистый слой, а их крупные фенестры, формирующие ситовидную пластинку, недиафрагмированы и не покрыты базальной мембраной, что позволяет небольшим частицам поступать из крови в гепатоциты [2]. Интересно, что барьерные свойства кровеносных сосудов также влияют на функции соответствующих ниш стволовых клеток. В костном мозге менее проницаемые артерии поддерживают гемопоэтические стволовые клетки (ГСК) в состоянии покоя, в то время как более проницаемые синусоидные сосуды способствуют активации и дифференцировке ГСК, поскольку пропотевающая плазма крови усиливает образование активных форм кислорода [13].

В отличие от большей части кровеносных сосудов, задача лимфатических капилляров заключается в обеспечении оттока жидкости из ткани, что связано с их высокой проницаемостью.

Их ЭК оснащены точечными соединениями и якорными филаментами, которые позволяют жидкости поступать в сосуд при высоком тканевом давлении [1,14]. В тонком кишечнике лимфатические капилляры (млечные сосуды) специализируются на поглощении липидов, поступающих с пищей [1]. Клетки собирающих лимфатических сосудов обладают протяженными соединениями [14], которые предотвращают утечку лимфы и обеспечивают доставку ее и дендритных клеток (ДК) в лимфоузлы. Несмотря на значительный прогресс в понимании того, как функционируют соединительные белки, строение соединений между ЭК в настоящее время изучено слабо, хотя это могло бы объяснить особенности барьерной функции различных типов кровеносных и лимфатических сосудов.

Органоспецифичные кровеносные сосуды различаются не только по проницаемости, но и по способности доставлять питательные вещества в ткани. В органах с энергозатратными функциями ЭК адаптируются к потребностям метаболизма, регулируя плотность капилляров и контролируя перенос питательных веществ через эндотелий. Например, сократительная способность миокарда основана на расщеплении жирных кислот для получения АТФ, и в его ЭК наблюдается высокий уровень экспрессии транспортера жирных кислот CD36 (см. 15). Показано, что трансэндотелиальный перенос жирных кислот регулируется фактором роста эндотелия сосудов B (VEGFB), преобладающим в сократимых тканях [16]. Авторы других исследований предполагают, что VEGFB играет основную роль в регуляции сердечного метаболизма и васкуляризации, но не в трансэндотелиальном транспорте [17,18]. Нейроны, напротив, в качестве основного источника энергии используют глюкозу. Следовательно, ЭК ГЭБ экспрессируют преимущественно транспортер глюкозы GLUT1 (также известный как SLC2A1), облегчающий перенос глюкозы из крови в мозг [10]. Важная роль тканезависимого трансэндотелиального переноса становится очевидной при возникновении заболеваний с нарушением экспрессии или функции транспортеров. Например, уровень GLUT1 в эндотелии уменьшается при болезни Альцгеймера, при диете с высоким содержанием жиров и при синдроме дефицита GLUT1, что ведет к снижению доступности глюкозы для мозга, дисфункции нейронов и нейродегенерации [10,19, 20]. К дополнительным субстрат-специфическим транспортерам эндотелия ГЭБ относится белок 5 семейства переносчиков растворенных веществ 7 (SLC7A5), поддерживающий в головном мозге нормальные уровни аминокислот с разветвленной боковой цепью. Его селективная инактивация в ЭК приводит к расстройствам аутистического спектра [21].

Функциональная гетерогенность эндотелия особенно важна для регулируемого транспорта и хоминга (прим. пер.: органоспецифического возврата иммунных клеток в периферические лимфоидные органы) иммунных клеток. Например, специализированные наружные эндотелиальные венулы (НЭВ) в лимфатических узлах экспрессируют молекулы для рекрутинга и трансэндотелиальной миграции лимфоцитов [22, 23]. Более того, тканеспецифичная дифференциация ЭК НЭВ лежит в основе органоспецифичного хоминга лейкоцитов к отдельным анатомическим областям. Примером является CD22-опосредованный хоминг В-клеток в лимфоидную ткань кишечника, который возможен благодаря НЭВ, экспрессирующим β-галактозид-2,6-сиалилтрансферазу 1 (ST6GAL1), гликозилтрансферазу, нарабатывающую лиганды для CD22 (см. 22). Также лимфатические сосуды необходимы для переноса иммунных клеток к лимфоузлам и из них. Например, лимфатические капилляры экспрессируют хемокин CCL21 для рекрутинга ДК из периферических тканей. В лимфатических узлах специализированные лимфатические ЭК (ЛЭК) субкапсулярных или корковых и медуллярных синусов экспрессируют молекулы, регулирующие привлечение антигенов и ДК или выход лимфоцитов соответственно [23].

Таблица 1 | Примеры органоспецифичной специализации эндотелия

Развитие сосудистой сети

Развитие и рост сосудистой сети тесно связаны с гомеостатическими потребностями ткани, обслуживаемой этой сетью . У развивающегося эмбриона основным стимулом формирования кровеносных сосудов служит недостаточное поступление питательных веществ и кислорода, а фактором роста лимфатических сосудов — повышение давления тканевой жидкости [24]. В зависимости от стадии развития, снабжаемого органа или патофизиологического контекста, кровеносные и лимфатические сосуды могут иметь различное клеточное происхождение и механизмы формирования.

Формирование первых кровеносных сосудов путем васкулогенеза

В процессе эмбрионального развития первые кровеносные сосуды образуются путем процесса, известного как васкулогенез (Рис.2а). У рыбки данио (прим. пер.: danio rerio) мультипотентные мезодермальные клетки дифференцируются в предшественники эндотелиальных клеток, известные как ангиобласты.Этот процесс управляется несколькими регуляторами транскрипции, ведущим из которых является белок Npas4l, содержащий нейронный домен bHLH-PAS (основный домен спираль-петля-спираль-Per–ARNT–Sim) [25]. Ангиобласты происходят из задней и передней частей боковой пластинки мезодермы и собираются в крупные аксиальные и черепные сосуды, а также во временные артерии подъязычной дуги [26-28]. «Сборка» аксиальных сосудов связана с формированием первых крупных артерии и вены: спинной аорты и кардинальной вены. Сначала ангиобласты собираются в общий сосуд-предшественник и затем разделяются на будущие артериальные и венозные ЭК, которые экспрессируют эфрин B2 и рецептор 4 эфрина типа B (EPHB4) соответственно [29, 30]. Более поздние исследования показали, что артериальные и венозные ЭК происходят из различных пулов ангиобластов, возникающих в различных участках [31]. Существование дополнительных пулов ангиобластов также подтверждается следующим наблюдением: у полосатых данио с мутацией потери функции в Npas4l отсутствует большая часть ЭК, но не все [25].

У мышей первые ЭК также дифференцируются из мезодермальных предшественников и сливаются в примитивные сосудистые сети в эмбриональных и экстраэмбриональных тканях (Рис.2a). У млекопитающих во время дифференцировки линии ЭК временно экспрессируется NPAS4, ближайший гомолог Npas4l, однако для эмбрионального развития мыши он не является необходимым [25]. Такая разница между рыбой и мышью может компенсироваться другими белками BHLH-PAS, к тому же она может указывать на формирование сосудистой сети млекопитающих преимущественно NPAS4-независимым пулом ангиобластов. Независимо от точного происхождения ангиобластов, их дифференцировка и функционирование контролируются несколькими тканевыми факторами, включая фактор роста фибробластов 2 (FGF2), костный морфогенетический белок 4 (BMP4) и VEGF. FGF2 и BMP4 регулируют специфичность мезодермы и дифференцировку ЭК, а VEGF, по-видимому, играет основную роль в распространении и выживании ЭК [32]. Другим регулятором ангиобластов эмбриона рыбки данио является гормональный пептид Elabela, регулирующий правильное расположение клеток [33].

Расширение сосудистой сети путем ангиогенеза

Дальнейший рост сосудистой сети, как эмбриона, так и взрослого организма, происходит путем ангиогенеза.
Ангиогенез описывает формирование новых сосудов из уже существующих, в ходе чего ЭК растут, разветвляются и объединяются, а затем образуют функциональную сосудистую систему (Рис.2b). При этом процессе ЭК должны приобретать специализированные фенотипы и функции. Ведущие ЭК (прим. пер.: также их называют направляющими), известные как концевые клетки, способны к миграции, инвазии и, как считается, к направлению краевого роста сосудов. За концевыми клетками следуют ведомые клетки, которые удлиняются, пролиферируют и стабилизируют зарождающийся сосуд, а также определяют его просвет [34, 35] (Рис.2b). В зависимости от расположения и организма, образование просвета может происходить путем различных механизмов, таких как: формирование полости внутри сплошного тяжа, слияние вакуолей клеток и формирование сферических инвагинаций мембраны клеток (прим. пер.: т.н. inverse membrane blebbing) [36, 37]. Ответвления сосудов с просветом, в конечном итоге, анастомозируют (т.е. сливаются и соединяются) с соседними ответвлениями, образуя новые сосудистые петли, либо путем формирования полости изнутри (возникает сосуд из множества в клеток), либо путем инвагинации мембраны (формируется сосуд со стенкой из одной клетки) [38]. Ток крови по образовавшимся сосудам стабилизирует новые соединения; неперфузируемые сегменты регрессируют [39]. Повторяя подобные циклы краевого роста, ЭК постепенно расширяют первичную сосудистую сеть. Существовавшая сосудистая сеть также может расширяться путем расщепления сосудов — процесса, известного как интуссусцепция [40]. Однако клеточные механизмы интуссусцепции изучены плохо.

Источник: Nature

Рисунок 2 | Механизмы развития сосудов.
a | Эндотелиальные клетки-предшественники, известные как ангиобласты, происходят из мезодермы, дифференцируются в клетки будущих артерий или вен, а затем собираются в первые эмбриональные сосуды: дорсальную аорту и кардинальную вену. Во внезародышевом желточном мешке ангиобласты сначала группирутся в кровяные островки, которые затем сливаются и образуют первичную кровеносную сеть.

b | Сеть расширяется благодаря ангиогенезу, в процессе которого новые сосуды и сети формируются путем краевого роста, ветвления и анастомоза уже существующих сосудов.

c | Первые лимфатические эндотелиальные клетки (ЛЭК) трансдифференцируются из венозных эндотелиальных клеток в кардинальной вене между 9.5 и 9.75 днями эмбрионального развития (E9.5 и E9.75) и мигрируют из вен для формирования первых примитивных лимфатических структур: первичного грудного протока (pTD) и периферического продольного лимфатического сосуда (PLLV). Дальнейшее расширение лимфатической сосудистой системы происходит путем лимфангиогенного краевого роста, благодаря чему формируется первичное сосудистое сплетение.

d | Некоторые лимфатические русла, например, брыжеечная сосудистая сеть, образуются путем лимфоваскулогенеза из не-венозных предшественников. Считается, что лимфоваскулогенез протекает только во время эмбрионального развития, в то время как лимфангиогенез имеет место и в постнатальном периоде.

Ткани, васкуляризация которых происходит в результате процессов, описанных в разделах a-d, схематично обозначены на рисунках эмбрионов мыши. e | Ключевые сигнальные пути, которые контролируют краевой рост кровеносного сосуда и специализацию напрявляющих и ведомых клеток. В концевых клетках повышена экспрессия рецептора 2 фактора роста эндотелия сосудов (VEGFR2), VEGFR3 и их мишени — Delta-подобный белка 4 (DLL4), который активирует сигналинг Notch и заставляет соседние клетки принимать фенотип ведомых. В концевых клетках фенотип ведомых клеток активно подавляется с помощью нейропилин 1 (NRP1)-опосредованного ингибирования сигналинга костного морфогенетического белка (BMP) и активино-подобной киназы (ALK). В концевых клетках также наблюдается высокий уровень гликолиза, что способствует поддержанию функции и конкурентоспособности концевых клеток. Обратите внимание, что протеолитические процессы, опосредованные белками CCBE1 (коллаген и кальций-связывающий белок 1, содержащий домен EGF) и ADAMTS3 (дезинтегрин и металлопротеиназа с мотивом тромбоспондина 3), а также активация VEGFC на данный момент показаны лишь в контексте лимфангиогенеза.

Тканеспецифичные механизмы формирования сосудов

В ходе развития организма для поддержания роста и функционирования различных органов формируются новые сосудистые русла (Рис.2). Некоторые из них возникают путем комбинации васкулогенеза и ангиогенеза, а другие, например, сосуды головного мозга и сетчатки, формируются исключительно благодаря ангиогенезу. В последнем случае в процессе ангиогенного краевого роста формируется промежуточное сплетение, которое впоследствии подвергается ремоделированию в сеть артерий, вен и капилляров. В зависимости от характеристик ткани клеточные механизмы ангиогенеза могут различаться. В жесткой костной ткани ЭК не образуют подвижных разветвлений, а вместо этого организуются в столбчатые структуры с многоклеточными почками, которые сливаются, формируя дуги сосудов [41]. Динамика ЭК также важна для формирования артерий. Так, в сетчатке направляющие клетки венозного происхождения непрерывно мигрируют из областей со слабым током крови (вены) в области с сильным током (артерии) [42] (Рис.3). Артериовенозная пластичность также наблюдается и в других сосудистых руслах, образующихся путем краевого роста.

Например, артериальные и венозные составляющие сосудистой сети желудочно-кишечного тракта у рыбок данио имеют общее венозное происхождение, поскольку эта сосудистая сеть возникает из пула специализированных ангиобластов, располагающихся в основании задней кардинальной вены (ЗКВ) [43] (Рис.3). Коронарные сосуды образуются из популяций ЭК венозного синуса, проэпикарда и эндокарда, заселяющих также соседние регионы сердца [44]. Вклад эндокарда в коронарную сосудистую сеть сердца у эмбриона минимален [45]. Однако в постнатальном периоде формирование значительной доли коронарных сосудов происходит из популяции ЭК эндокардиального происхождения, возникающей благодаря трансформации клеточной линии в процессе уплотнения трабекул [46]. Образование сосудистого русла из различных источников ЭК является эффективным механизмом для обеспечения адекватной васкуляризации жизненно важных органов, таких как сердце. Интересно, что ЭК сердца также являются источниками пристеночных клеток, поскольку эндокардиальные ЭК эндокарда могут превращаться в предшественники перицитов и ГМКС путем эндотелиально-мезенхимального перехода [47].

Хотя считается, что большая часть ЭК способна к пролиферации и вносит вклад в рост сосудистых русел, сообщалось и о клональной экспансии ЭК (Рис.3). Во время роста сосудистой сети лимфоузлов, индуцированного воспалением, ЭК НЭВ становятся локальными предшественниками, которые в результате клональной пролиферации формируют новые капилляры лимфоузлов и НЭВ [48]. Исследования на взрослых мышах также указывают на существование циркулирующих и находящихся в стенке сосудов клеток-предшественников, которые, в случае необходимости, могут активироваться для усиления роста сосудов [49] (Рис.3). Однако их общий вклад в рост сосудов остается спорным.

Источник: Nature

Рисунок 3 | Происхождение и источники ЭК при развитии сосудов.
Ангиобласты мезодермального происхождения формируют первые главные сосуды: дорсальную аорту и кардинальную вену. Расширение сосудистой сети происходит благодаря пролиферации уже имеющихся ЭК. В лимфатических узлах взрослого организма была показана клональная экспансия местных предшественников в наружных эндотелиальных венулах. Неоангиогенезу во взрослом организме также может способствовать внедрение циркулирующих и резидентных эндотелиальных предшественников. Концевые клетки вен мигрируют против кровотока и способствуют формированию артерий. Первые ЛЭК появляются путем трансдифференцировки венозных ЭК кардинальной (рыбки данио, млекопитающие) и межсомитной вен (млекопитающие). Специализированные ангиобласты основания кардинальной вены формируют сосуды ЖКТ и ЛЭК эмбриона данио.Не-венозные предшественники ЛЭК дополнительно вносят вклад в формирование лимфатических сосудов определенных органов. Происхождение этих клеток пока не выяснено, но,возможно, они имеют гемогенное эндотелиальное происхождение.
Развитие лимфатической сосудистой системы

Развитие лимфатической системы начинается только после стабилизации функционального кровообращения. Первые ЛЭК возникают путем трансдифференцировки ЭК кровеносных сосудов (КЭК). Этот процесс запускается транскрипционным фактором — белком гомеобокса 1 Prospero (PROX1) и протекает в определенных венах, таких как кардинальная вена [50]. Миграцию ЛЭК из вен стимулирует VEGFC, лиганд рецептора 3 VEGF (VEGFR3) [51]. Из вен ЛЭК выходят единым потоком, после чего, соединяясь в яремной области эмбриона, формируют первые примитивные лимфатические сосуды — примордиальные грудные протоки и периферические продольные лимфатические сосуды [50, 52] (Рис.2c). В некоторых других областях эмбриона происходит краевой рост (прим. пер.: sprouting — образование бокового отростка сосуда путем выпячивания участка его стенки) вен, формирующий четыре дополнительные примитивные лимфатические структуры, называемые лимфатическими мешочками, которые затем расширяются путем лимфангиогенного краевого роста (Рис.2с). Было показано, что у рыбок данио источником ЛЭК являются специализированные ангиобласты вентральной стенки кардинальной вены [53]. В другом исследовании на дорсальной стороне вены были обнаружены PROX1-экспрессирующие предшественники, потенциально способные давать начало двум типам дочерних клеток; при этом дифференцировка ЛЭК происходит после их деления, индуцированного VEGFC [54]. Неизвестно, являются ли вентральные и дорсальные предшественники независимыми пулами предшественников ЛЭК и присутствуют ли они в венах млекопитающих.

В дополнение к венозному источнику ЛЭК, описано их альтернативное клеточное происхождение из брыжейки, кожи и сердца у цыплят [55] и мышей [56-59]. Точное происхождение клеток неясно, за исключением брыжеечной сосудистой сети, которая, как уже известно, образуется путем васкулогенной дифференцировки и сборки (лимфоваскулогенеза) клеток линии Kit, происходящих из гемогенного эндотелия [59] (Рис.2d). Также предполагается что в формирование лимфатической сосудистой системы вносят вклад макрофаги, однако это нельзя подтвердить исследованиями, отслеживающими судьбу определенной линии клеток [58, 60].
Все вместе эти данные свидетельствуют о том, что гетерогенность происхождения эндотелия может способствовать тканеспецифичному формированию и специализации сосудов. Тем не менее, чтобы уточнить наши знания о различных источниках ЭК, их органоспецифичный вклад и функциональное значение, необходимы дальнейшие исследования.

Регуляция формирования структуры сосудов

Чтобы подстроиться под структуру и потребности ткани, новообразованное сосудистое русло использует различные способы межклеточной коммуникации. Несмотря на то, что плотность сосудистой сети регулируется согласно определенным общим принципам, она, тем не менее, зависит от окружающих тканей.

VEGFR как регулятор краевого роста и ветвления сосудов

Гипоксия ткани является ключевым сигналом ветвления сосудов и стимулирует секрецию про-ангиогенных факторов роста и цитокинов. Наиболее изученный из этих факторов, VEGF, связывается со своими рецепторами (VEGFR) на ЭК и стимулирует миграцию, пролиферацию и формирование направляющих клеток [61]. Активация VEGFR2 и VEGFR3 (рецептора VEGFC) на ЭК запускает их превращение в направляющие клетки, имеющие повышенную экспрессию DLL4 (Delta-подобный белок 4), лиганда Notch (Рис. 2e) [62]. DLL4, в свою очередь, активирует сигнальный путь NOTCH1 на соседних клетках, снижающий экспрессию VEGFR2 и VEGFR3 и повышающий экспрессию VEGFR1 — рецептора-ловушки, связывающего VEGF. Это, в конечном счете, запускает в ЭК поведение ведомых клеток. Таким образом, специализация концевых и ведомых клеток зависит от экспрессии VEGFR и относительной чувствительности к VEGF, что управляется через сигнальный путь DLL4–NOTCH1 [62, 63].

Во время краевого роста сосудов уровни VEGFR на ЭК постоянно варьируют, так как изменяется среда вокруг ЭК — появляются новые соседние клетки или же происходит асимметричное деление ЭК [64, 65]. Ведомые клетки могут стать концевыми и наоборот, в результате чего происходят динамические изменения строения растущего сосуда [64]. Такая динамика смены ведомых и концевых клеток стала причиной появления модели фенотипа концевых ЭК с неактивным путем DLL4–NOTCH1. Однако результаты последних исследований подтверждают необходимость активного подавления фенотипа ведомых клеток для образования из них концевых клеток. Эта супрессия опосредуется нейропилином-1 (NRP1), ко-рецептором VEGF и семафоринов, определяющим чувствительность к сигналингу трансформирующего фактора роста β (TGFβ) и BMP (Рис. 2e) [67]. В соответствии с этой концепцией, BMP9 и BMP10 поддерживают специализацию ведомых клеток путем активации генов-мишеней Notch. Подавление активности этих генов приводит к избыточному краевому росту ЭК [68-70].

Как обсуждалось выше, VEGFC, другой член семейства VEGF, является ключевым регулятором краевого роста лимфатических сосудов и способен связываться как с VEGFR2, так и с VEGFR3 рецепторами, экспрессирующимися преимущественно на ЛЭК. Активность VEGFC регулируется протеолитическим расщеплением, которое контролируется коллаген- и кальций-связывающим белком 1, содержащим домен EGF (CCBE1), и опосредуется металлопротеиназой с мотивом тромбоспондина 3 (ADAMTS3) и дизинтегрином (Рис. 2е), что в итоге обеспечивает пространственный и временной контроль лимфангиогенеза [71-73]. Аналогично тому, что NRP1 необходим в качестве ко-рецептора VEGFR2 при VEGF-индуцированном краевом росте кровеносных сосудов [61], NRP2 необходим для VEGFC–VEGFR3-опосредованного краевого роста лимфатических сосудов [74]. Известно несколько других регуляторов краевого роста лимфатических сосудов, действие которых также реализуется через вовлечение сигнального пути VEGFC–VEGFR3. Например, TGFβ, активируя свои рецепторы TGFBR2 и рецепторы активин-подобной киназы 5 (ALK5, также известные как TGFBR1), изменяет экспрессию VEGFR3 and NRP2 и таким образом стимулирует краевой рост ЛЭК [75]. Гораздо меньше известно о клеточных механизмах образования лимфатических сосудов. Имеются доказательства того, что, по крайней мере в некоторых типах сосудистого русла происходят похожие процессы с участием концевых и ведомых клеток [76].

ЭК используют направляющие молекулы, такие как белки семейства slit, нетрины и эфрины, которые связываются с окружением, рецепторами UNC5 и EphB соответственно, что позволяет пространственно управлять ростом зарождающихся сосудов [77]. Было показано,что в некоторых органах рост нервов и сосудов происходит совместно; сосуды могут посылать сигналы для роста нервов и наоборот [78]. Было показано, что при формировании туловища рыбок данио, а также лимфатических сосудов цыплят и крыс, хемокин артериального происхождения CXCL12 (известный как белок SDF1) регулирует миграцию CXCR4+ ЛЭК, что говорит о существовании реципрокных механизмов направления роста между различными типами сосудов [57, 79]. Стоит отметить, что рост сосудов также зависит от сосудистого русла. Такие факторы роста, как VEGFB, в определенных органах и тканях (например, сердце и жировая ткань) могут стимулировать расширение сосудистой сети [17, 80]. Другим примером является краевой рост сосудов аксиальной вены рыбок данио, требующий поступления сигналов от BMP, но не зависящий от VEGF [81]. Кроме того, классические пути развития могут зависеть от сосудистого русла. Такие примеры можно найти в сосудах костей и в млечных сосудах ворсинок кишечника, где путь Notch не ограничивает, а, скорее, стимулирует (лимф)ангиогенный краевой рост [82,83].

Краевой рост и ветвление сосудов регулируется механическими силами и метаболизмом

Воздействие механических сил со стороны кровотока представляет совсем иной уровень регуляции и дополняет запрограммированные клеточные сигнальные пути. В исследованиях in vivo и in vitro показано, что краевой рост сосудов зависит от тока жидкости в просвете и от трансмурального тока [84, 86]. Другим важным фактором, регулирующим поведение концевых и ведомых клеток сосудов кровеносного русла, является метаболизм клеток эндотелия. В основе этой идеи лежат высокие метаболические потребности краевого роста сосудов [87]. Метаболизм КЭК, в первую очередь, зависит от гликолиза, и под воздействием про-ангиогенных сигналов его интенсивность увеличивается [88]. Повышение интенсивности гликолиза дает дополнительное преимущество для образования из КЭК концевых клеток, так как полученная АТФ будет обеспечивать их реорганизацию и миграцию. Снижение скорости гликолиза, напротив, подавляет расширение сосудистой сети, что было показано при помощи блокировки активатора гликолиза — 6-фосфофрукто-2-киназы/
фруктоза-2,6-бисфосфатазы 3 (PFKFB3) [88]. Краевой рост сосудов также зависит от интенсивности β-окисления жирных кислот в ЭК. Атомы углерода, полученные в ходе окисления ЖК, используются для синтеза нуклеотидов, необходимых для репликации ДНК во время пролиферации [89]. Новые данные подтверждают, что ЛЭК также зависят от окисления ЖК во время роста лимфатических сосудов [89].

Регрессия сосудов как механизм перестройки сосудистого русла

Регуляция плотности сосудистой сети включает не только образование новых соединений, но и устранение ненужных. Этот процесс известен как регрессия сосудов. В основе регрессии промежуточной сосудистой сети стекловидного тела и зрачковой мембраны глаза лежит апоптоз ЭК [91], однако физиологическая регрессия в других сосудистых руслах происходит иначе [92]. Была предложена концепция, в которой основным механизмом регрессии сосудов является не апоптоз, а динамическая перестройка ЭК, ведущая к сокращению числа ЭК в неперфузируемых сосудистых сегментах [93-96]. Считается, что лимфатические сосуды подвергаются похожим перестройкам, как было показано на процессе формирования собирающих сосудов брыжейки из промежуточного сосудистого сплетения [97, 98]. Интересно отметить, что после разрешения воспаления в дыхательных путях сохраняется гиперплазия лимфатических сосудов, в то время как вызванные воспалением изменения кровеносных сосудов исчезают [99, 100]. Это подтверждает существование различных механизмов перестройки кровеносных и лимфатических сосудов, как минимум при патологических состояниях.

Вставка 1 | Управляющие функции сосудов

Специализация клеток эндотелия происходит под влиянием сигналов микроокружения, но они также могут влиять на заселяемую ткань. Независимо от трофической функции, ЭК секретируют факторы роста, хемокины и компоненты внеклеточного матрикса, или же представляют на своей поверхности сигнальные молекулы, воздействующие на ближайшие клетки. Эти “ангиокринные факторы” передают сигналы паракринным способом и руководят морфогенезом, гомеостазом и регенерацией органов [124, 125]. Например, в развивающемся эмбрионе формирование и структурирование сердца, печени, почек, легких и поджелудочной железы регулируется сигналами от ЭК; в отсутствие ЭК развиваются дефекты морфогенеза [125]. Гомеостаз органов взрослых мышей также зависит от ангиокринных сигналов. Исследования печени показали что обновление гепатоцитов происходит под воздействием сигналов WNT, которые посылаются ЭК центральной вены печеночной дольки [181]. ЭК, продуцируя WNT2 и WNT9B, поддерживают соседние AXIN-2 экспрессирующие клетки-предшественники, которые обновляют печень в физиологических состояниях. Восстановление печени после повреждений осуществляется другим набором ангиокринных сигналов. ЭК синусов печени (ЭКСП) высвобождают WNT2, фактор роста гепатоцитов (HGF) и ангиопоэтин 2 (ANG2), которые поддерживают восстановление ткани и функции печени [182, 183]. Интересно то, что ANG2 координирует пролиферацию гепатоцитов и ЭК, обеспечивая таким образом адекватное кровоснабжение новообразованной паренхимы [185]. Однако дисбаланс ангиокринных сигналов может привести к патологии: при хроническом повреждении печени избыточное воздействие стромального клеточного фактора 1 (SDF-1) на CXCR4 приводит к развитию фиброза [184]. Сигналы от ЭК также формируют ниши для стволовых клеток и клеток-предшественников, включая гемопоэтические стволовые клетки, нейрональные стволовые клетки и сперматогонии [124]. Известным примером являются кости, в которых специализированные ЭК оказывают помощь в поддержке остеопрогениторных клеток, предшественников остеогенеза, и гемопоэтических стволовых клеток (ГСК) поддерживающих гематопоэтическую систему [124, 125]. Остеопрогениторные клетки взаимодействуют с так называемым эндотелием типа H, который обнаруживается в дистальных отделах сосудистой сети костей. ЭК типа H характеризуются высокой экспрессией эндотелиальных маркеров PECAM1 и эндомуцина, а также высвобождают важные остеогенные факторы (например, факторы роста фибробластов (FGF), тромбоцитарный фактор роста (ТФР) и костные морфогенетические белки (BMP)) стимулирующие остеогенез. Стоит отметить, что возрастную потерю костной массы можно предотвратить, стимулируя рост сосудов типа H при помощи гипоксия-индуцируемого фактора (HIF) и Notch [3, 82], что подтверждает необходимость ангиокринных сигналов со стороны H-сосудов для поддержания функции кости. Сигналинг Notch со стороны эндотелия также стимулирует расширение ниши гемопоэтических стволовых клеток (ГСК) в кости и вовлекает ЭК типа H, формирование артериол и артерий, а также рост периваскуляных клеток [185]. Все эти данные говорят о сторожевой функции эндотелия и демонстрируют, что воздействия со стороны эндотелиальных клеток необходимы для изменения дифференцировки, регенерации и гомеостаза тканей.

Ключевым фактором, вызывающим регрессию сосудов, является напряжение сдвига [93-95], которое также определяет функциональную специализацию кровеносных и лимфатических сосудов [101-103]. Влияние механических факторов тока жидкости по сосудам на их специализацию обсуждается ниже.

Покоящееся состояние сосудов необходимо для поддержки функционирования сосудистой сети

После формирования новой сосудистой сети ЭК возвращаются к состоянию покоя. В покоящемся состоянии ЭК не делятся и не мигрируют; оно обратимо и характерно для большинства ЭК кровеносных и лимфатических сосудов взрослого организма, хотя о его регуляции известно относительно немного. Важность этой регуляции возрастает при различных патологиях сосудов, вызванных сбоем активации главных митогенных сигнальных путей PI3K–AKT и RAS–MAPK. Активирующие мутации в гене каталитической субъединицы фосфаинозитол-4,5-бисфосфат 3-киназы (PIK3CA), который кодирует каталитическую субъединицу p110α PI3K, могут приводить к развитию аномалий венозных и лимфатических сосудов [104-108], а инактивация RAS p21-активирующего белка 1 (RASA1), негативного регулятора RAS, приводит к появлению капиллярных и артериовенозных аномалий [109-110] и гиперплазии лимфатических сосудов [111]. Считается, что сигнальный путь RAS является важнейшим антагонистом покоя ЛЭК [112, 113] и объединяет сигналы факторов роста и пути PI3K [114]. Главными факторами, поддерживающими состояние покоя КЭК, являются фосфатаза PTEN (негативный регулятор сигнального пути PI3K–AKT) и фактор транскрипции FOXO1, инактивирующиеся AKT-опосредованным фосфорилированием [115, 116]. PTEN активируется сигнальным путем DLL4–NOTCH1 и останавливает клеточный цикл в ведомых клетках [115], а FOXO1 замедляет пролиферативную и метаболическую активность ЭК [116]. В основе состояния покоя ЭК, вызванного FOXO1, лежит супрессия MYC, который сам по себе является сильным активатором пролиферации, метаболизма и роста эндотелия [116].

Напряжение сдвига, известный инициатор покоящегося состояния эндотелия, аналогичным образом управляет метаболизмом и клеточным циклом ЭК. Данное влияние напряжения сдвига опосредуется фактором транскрипции KLF2 (Krueppel-like factor 2), подавляющим гены, которые участвуют в гликолизе (например, PFKFB3) и ангиогенезе (например, VEGFR2) [117]. Другими факторами, запускающими состояние покоя КЭК, являются белки BMP9 и BMP10, передающие сигнал через ALK1 (известный как SKR3) и эндоглин, а также белки церебральной кавернозной мальформации 1-3 (CCM1-3), инактивация которых вызывает гиперпластические мальформации сосудов ЦНС [68, 69, 118, 119]. В отличие от КЭК, ЛЭК переходят в покоящееся состояние через механизм, зависящий от FOXC2, в ответ на пульсирующий сдвиг, имитирующий турбулентный ток [120]. Инактивация FOXC2 приводит к выходу из покоящегося состояния, что проявляется в разрыве контактов и TAZ-опосредованному перезапуску клеточного цикла [120]. Следует отметить, что в некоторых тканях ЭК поддерживают пролиферативный статус или более чувствительны к возобновлению роста после того, как они перешли в состояние покоя. Например, ЛЭК млечных сосудов находятся в состоянии пролиферации постоянно, предположительно с целью адаптации к постоянно обновляющемуся микроокружению тонкого кишечника [83]. Кроме того, активация мишени комплекса рапамицина 1 (mTORC1) или ингибирование DLL–NOTCH1 вызывает утрату состояния покоя сосудов и образование сосудистых новообразований преимущественно в печени и коже взрослых мышей, хотя считается, что эти органы наименее подвержену такому влиянию [121-123]. Неизвестно, является ли такая тканеспецифичность эффекта следствием различного микроокружения, структуры сосудов или же особенностей эндотелия.

Специализация сосудов

Специализация сосудов включает не только разделение их на артерии, вены и лимфатические сосуды, а также и разделение по тканеспецифичному эндотелию. Специализированные ЭК реципрокно формируют свое тканевое микроокружение путем ангиокринных сигналов, поддерживающих развитие и функционирование органов (Вставка 1) [124, 125]. Специализацию эндотелия могут определять как внутриклеточные механизмы, которые проявляют свою активность или экспрессию в определенных органах, так и внеклеточные сигналы тканей,
проявляющие свое действие локально и зависящие от микроокружения. Далее обсуждаются некоторые из этих механизмов.

Тканеспецифичные биохимические сигналы определяют специализацию эндотелия

Биохимические сигналы играют ключевую роль в начальных этапах дифференцировки ЭК, а именно в разделении на артерии и вены (Рис. 4а). Клетки нотохорда синтезируют белок sonic hedgehog, повышающий экспрессию VEGF, под воздействием которого происходит   артериальная специализация ангиобластов [31, 32].  Другим источником VEGF являются периферические чувствительные нервы, в этом случае VEGF необходим для дифференцировки артерий кожи [126]. VEGF-зависимая специализация артерий происходит через активацию сигнального пути ERK, запускаемого активацией рецепторов VEGFR2 и NRP1 (источник 126). Специализация клеток-предшественников в артерии также может быть запущена симпатической иннервацией [127]. Окончания симпатических нервов выделяют норадреналин, который активирует путь ERK, связываясь с α1 и α2-адренорецепторами [127]. Интересно, что от активации ERK также зависит специализация ЛЭК, запускаемая через рецепторы VEGFC–VEGFR3 (Рис. 4а) [73, 128, 129].

Источник: Nature

Рисунок 4 | Сигналы и механизмы специализации в сосудах кровеносной и лимфатической систем

а | Ключевые сигнальные пути и программы транскрипции, контролирующие дифференцировку ЭК. Стрелки показывают что сигнальный путь VEGFC– VEGFR3 необходим для запуска экспрессии PROX1 у рыбок данио и мышей

b | На ЭК действуют различные типы механических сил, возникающих ввиду эластичности тканей и сил натяжения соседних клеток, а также с напряжения сдвига тока крови, просветного давления, циклических окружных сил и клеточной трансмиграции. Величина и характер этих сил различаются в зависимости от органа и сосуда. Артерии образуют системы с высоким давлением, которое направляет кровь в капиллярное русло, в то время как вены и лимфатические сосуды формируют градиент низкого давления и имеют клапаны для предотвращения обратного тока. Функционирование органов также создает механические силы. Сокращения скелетных мышц или сердца оказывает давление на стенку сосуда. ЭК воспринимают и передают различные типы внешних сил непосредственно через межклеточные или же контакты с ВКМ, которые также генерируют внутренние силы натяжения. Различные типы сил, оказывающие воздействие на ЭК, показаны цветными стрелками.

α1 — α1-адренорецептор; DLL4 — Delta-подобный белок 4; EPHB4 — 4 подтип рецептора B-эфрина; FOXC — транскрипционный фактор группы C семейства консервативного ДНК-связывающего домена FOX; LYVE1 — рецептор 1 гиалуроновой кислоты эндотелия лимфатического сосуда; NR2F2 — транскрипционный фактор, подсемейства ядерных рецепторов 2, группы F, элемент 2; NRP — нейропилин; PROX1 — белок гомеобокса 1 Prospero; SHH — белок Sonic hedgehog; SOXF — группа F факторов транскрипции семейства SOX (SRY-связанный HMG-бокс); VEGF — Факторы роста эндотелия сосудов; VEGFR — рецептор VEGF.

О сигнальных путях, регулирующих функциональную специализацию сосудов, известно гораздо меньше, нежели чем об их артериовенозной дифференцировке. В качестве примера можно назвать сигналы от ВКМ и сигналы, получаемые через β1-интегрины, контролирующие специализацию ЭК на подтипы в процессе развития костей [130]. Другим примером является зависимость фенестрированного эндотелия взрослого организма от постоянного получения сигналов VEGF [131], а также участие системы ангиопоэтин (ANG)-тирозиновой киназы с иммуноглобулин- и EGF-гомологичными доменами 2 (TIE2) в принятии сосудами фенотипа посткапиллярных венул, что, в свою очередь, стимулирует адгезию лейкоцитов при воспалении [132]. Возможно, одним из наиболее хорошо описанных механизмов функциональной специализации является процесс формирования клапанов лимфатических сосудов, который включает несколько сигнальных путей, такие как FOXC2–кальцинейрин–NFATC1 (nuclear factor of activated T cells, cytoplasmic 1), эфрин  B2–EPHB4, коннексин, α9 интегрин–FN-EIIIA (фибронектин-EIIIA) и сигнальный путь ANG–TIE [9, 133]. Сигналы через ANG2–TIE2 также необходимы для образования точечных соединений между ЛЭК лимфатических капилляров [134].

Программы транскрипции определяют идентичность и специфику клеток эндотелия

Транскрипционные программы необходимы не только для  дифференцировки клеточных линий эндотелиоцитов (Рис. 4а) но и для появления подтипов ЭК, специфичных для разных типов сосудов и органов. Классическим примером выступает артериовенозная специализация сосудов, управляемая транскрипционными факторами семейств FOXC и SOXF. Эти факторы запускают артериальную дифференцировку сосудов, а их действие частично опосредовано активацией сигнального пути Notch [135, 136]. Например, транскрипционный фактор SOX17 обнаруживается в эндотелии артерий мышей и его делеция приводит к остановке развития артерий [137]. Формирование характерных признаков вен, в свою очередь, регулируется NR2F2 (рецептором 2 группы F субсемейства ядерных рецепторов, также известным как COUPTF2), регулятором транскрипции, экспрессирующемся в ЭК вен и лимфатических сосудов, но не экспрессирующемся в ЭК артерий [32]. Согласно центральной роли Notch в формировании специфических признаков артерий, NR2F2 запускает дифференцировку вен путем подавления сигнального пути Notch. NR2F2 также вовлечен в дифференцировку лимфатических сосудов. В венозных предшественниках ЛЭК NR2F2 и SOX18 трансактивируют мастер-регулятор дальнейшей дифференцировки ЛЭК — PROX1 [138, 139], который затем запускает свою собственную экспрессию, взаимодействуя с NR2F2 [140, 141]. NR2F2 в комплексе с PROX1 не способен подавлять гены-мишени Notch и вместо этого начинает поддерживать экспрессию ЛЭК-специфичных генов [140].

Хотя эти факторы транскрипции необходимы для специализации ЭК основных типов сосудов, получение орган-специфических характеристик ЭК управляется уже другими факторами. Примерами таких факторов являются транскрипционные факторы MEOX2 (мезенхимальный гомеобокс гена 2) и TCF15 (транскрипционный фактор 15), которые настраивают фенотип ЭК сосудов сердца на эффективный транспорт жирных кислот в миокард [15]. Учитывая такую тканеспецифичную транскрипционную активность, фенотип сосудов можно задавать путем генетических манипуляций над определенными факторами транскрипции; например, инактивация FOXO вызывает гемангиомы в соответствующих органах, что коррелирует с изменениями органоспецифичной экспрессии [142]. Более того, ЭК каждого органа экспрессируют уникальный набор транскрипционных факторов [143], подтверждая, что сложный характер ответов ЭК в итоге определяет их фенотипы соответственно тканевым компартментам. Однако, транскрипционные профили, устанавливающие тканеспецифическую дифференцировку ЭК, пока еще не определены.

Механические силы определяют специализацию ЭК

ЭК сталкиваются с различными видами механических сил, обусловленными эластичностью ВКМ, тянущими силами соседних клеток, напряжением сдвига тока жидкости, просветным давлением, циклическим окружным натяжением и клеточной трансмиграцией (Рис. 4b) [9, 144]. ЭК воспринимают и передают внешние силы через их межклеточные и ВКМ-клеточные контакты, которые также создают силы сцепления. Гликокаликс эндотелия и первичные реснички также участвуют в восприятии ЭК различных сил [145,146]. Сигнальные пути, конвертирующие механические силы в биологический ответ — то есть механотрансдукция — и эффекты различных типов сил на КЭК и ЛЭК рассмотрены в другой литературе [9,144, 147]. Ниже рассказывается о том, как напряжение сдвига запускает процессы, особым образом вовлеченные в ремоделирование и специализацию сосудов.

Исследования на эмбрионах кур демонстрируют ключевую роль кровотока при перестройке первичной сосудистой сети желточного мешка и специализации артерий [32, 148]. Напряжение сдвига дозозависимо контролирует экспрессию генов, специфических для отдельных линий ЭК. Например, в ЭК, подвергнутых высокому напряжению сдвига, повышается экспрессия артериальных генов EFNB2, NRP1 и GJA5 (который кодирует коннексин 40) [32, 14]. Напротив, экспрессия PROX1, специфичного для лимфатических сосудов со слабым током жидкости, под воздействием высокого напряжения сдвига снижается [149].

Как обсуждалось выше, физиологический ламинарный ток оказывает стабилизирующее влияние и способствует покоящемуся состоянию ЭК, а долговременное воздействие высокого или низкого напряжения сдвига вызывает перестройку сосудов, корректируя диаметр просвета. КЭК и ЛЭК реагируют на физиологический ламинарный сдвиг реорганизацией актинового цитоскелета и локальной адгезии, а также выравниванием по направлению тока, однако в условиях крайне высокого напряжения сдвига ЭК выравнивались перпендикулярно току [150]. Хотя и удалось достигнуть прогресса в понимании механизмов чувствительности к характеру тока жидкости [144, 147], гораздо меньше известно о том, как ЭК интерпретируют величину напряжения сдвига и что определяет разный ответ на ток жидкости в разных подтипах эндотелия. Предполагается, что артериальные ЭК, венозные ЭК и ЛЭК имеют разную чувствительность к напряжению сдвига — так называемые точки отсчета, которые определяют диапазон значений напряжений сдвига, на которые реагируют клетки [9, 144]. Предполагается, что точка отсчета определяется количеством VEGFR3 [150], компонента механочувствительного комплекса тромбоцитарно-эндотелиальных молекул адгезии 1 (PECAM1)-VE-кадгерин-VEGFR, который активно экспрессируется в лимфатических сосудах, и очень слабо в эндотелии кровеносных сосудов.

Различные участки сосудистой сети сталкиваются не только с различной силой, но и с разным характером тока жидкости, который варьирует от пульсирующего в артериях до слабого и постоянного в венах, а также сложных форм тока в области клапанов вен и лимфатических сосудов. Характер тока определяет экспрессию генов и клеточный ответ. Например, турбулентные токи в местах разветвления сосудов являются сигналом для морфогенеза клапанов путем повышения экспрессии факторов транскрипции FOXC2 и GATA2 [102, 120, 151]. Определенный характер тока в различных областях сформированного клапана может объяснять специфические молекулярные и морфологические отличия в различных участках и определять уникальность ЭК клапанов. Это подчеркивает одинаковая экспрессия генов, которые, как считалось до этого, ограничены лимфатическим и/или артериальным эндотелием. К ним относятся PROX1, FOXC2, ITGA9 и EFNB2 в ЭК клапанов вен и лимфатических сосудов [120, 152, 153]. Кроме напряжения сдвига, оказывающего воздействие со стороны просвета сосуда, лимфатические сосуды, в особенности лимфатические капилляры, подвергаются трансмуральному току, который, как было показано, вызывает реорганизацию межклеточных контактов и повышает проницаемость стенок [154]. Трансмуральный ток может способствовать образованию точечных соединений в лимфатических капиллярах, а также регулировать различные аспекты морфогенеза и функции сосудов при патологиях.

Турбулентный кровоток в местах ответвления, бифуркации и изгибов сосудов стимулирует пролиферацию и воспалительную активацию КЭК и способствует предрасположенности этих участков к атеросклерозу [144, 155].  Более того, этиология некоторых сосудистых мальформаций связана с аномальной регуляцией тока жидкости, что будет подробней раскрыто ниже.

Метаболизм влияет на гетерогенность клеток эндотелия

ЭК могут находиться в различных условиях, которые различаются по парциальному давлению кислорода, доступности нутриентов и накоплению метаболитов. Например, ЭК аэрогематического барьера легких сталкиваются с высокими уровнями кислорода, в то время как ЭК костного мозга или лимфатических сосудов находятся в состоянии относительной гипоксии. Влияние такого метаболического окружения на специализацию эндотелия пока детально не изучено. Однако, учитывая способность ЭК воспринимать и отвечать на метаболические сигналы [87], можно говорить, что метаболизм окружающих тканей обеспечивает целый диапазон стимулов, формирующих гетерогенность ЭК. Например, дифференцировка мезенхимальных предшественников в ангиобласты стимулируется низким содержанием кислорода и включает сигнальный путь HIF (гипоксия-индуцируемых факторов) [156]. Насыщенность среды кислородом также влияет на метаболизм ЭК с соответствующими последствиями для их биоэнергетики и функционирования. Так, депривация кислорода изменяет редокс-баланс и тормозит реакции, осуществляемые кислород-зависимыми ферментами (например, реакции FAO) [157]. Изменение доступности нутриентов также может изменять метаболические потоки и приводить к накоплению метаболитов, влияющих на передачу сигналов и экспрессию генов. Таким примером является центральный метаболит энергетического обмена ацетил-КоА, ацетильная группа которого используется для посттрансляционной модификации белков [157]. Исследования ЛЭК показали, что ацетил-КоА, полученный в реакциях окисления жирных кислот, способствует экспрессии специфических генов лимфатических сосудов, так как он используется ацетилтрансферазой p300 для ацетилирования гистонов в области генов-мишеней PROX-1 [90]. Негистоновые белки, такие как VEGFR2 и NOTCH1, также управляются путем ацетилирования [158, 159], что подтверждает зависимость функционирования эндотелия от имеющихся метаболических ресурсов.

Кроме того, тканевые метаболиты могут выступать в роли сигнальных паракринных молекул. Промежуточный продукт метаболизма разветвленных аминокислот, 3-гидроксибутират, синтезируемый скелетными мышцами, стимулирует транспорт жирных кислот через эндотелий чтобы таким образом обеспечивать субстратом катаболизм липидов в мышечных волокнах [160]. Другим примером является конечный продукт гликолиза — лактат. Лактат поступает в ЭК из окружающей среды с помощью монокарбокисльного транспортера MCT1, активируемого сигнальным путем HIF [151]. Под воздействием лактата ЭК повышают экспрессию VEGF и других лигандов тирозинкиназных рецепторов, что в итоге стимулирует ангиогенное поведение [162].

Заболевания, специфичные для типов сосудов и сосудистых русел

Гетерогенность сосудов дает о себе знать при многих заболеваниях [2]. Например, воспалительные заболевания сосудов часто поражают определенные сосудистые сети, а системные заболевания, такие как диабет и гиперлипидемия, преимущественно влияют на участки сосудистой системы, предрасположенные к формированию атеросклероза. Считается, что некоторые опухоли избирательно метастазируют в определенные сосудистые русла, а сигналы микроокружения опухоли определяют гетерогенность ее сосудов, что, в свою очередь, влияет на ответ опухоли на терапию [163]. Возможно, наиболее наглядным примером заболеваний, зависящих от типа сосудов и органа, являются сосудистые мальформации. Эта группа заболеваний обычно возникает из аномалий ЭК и классифицируется согласно пораженному типу сосудов (Таб. 2). Последовательные исследования в этом направлении выявили причинные мутации для каждого типа мальформации (Таб. 2). Например, большинство венозных мальформаций вызываются активирующими мутациями TIE2 или его посредника PIK3CA [104, 107-109]. Соматические активирующие мутации PIK3CA также ответственны за большинство мальформаций лимфатических сосудов [105,106]. Мутации TIE2 не наблюдаются при мальформациях лимфатических сосудов, но были обнаружены при другом органоспецифичном сосудистом заболевании, поражающем шлеммов канал (сосуд, подобный лимфатическому, который собирает водянистую влагу камер глаза) [164-166]. Гаплонедостаточность TIE2 вызывает гипоплазию шлеммова канала и развитие первичной врожденной глаукомы у человека [167].

Кроме влияния на специфические типы сосудов, сосудистые мальформации могут возникать и органозависимо. Например, церебральные кавернозные мальформации, имеющие венозное происхождение, возникают только в ЦНС [119]. Увеличивающиеся и склонные к разрывам области поражения сосудов возникают в результате мутации, вызывающей утрату функции одного из трех генов CCM. Белки, кодируемые этими генами, работают в комплексе и контролируют организацию и полярность межклеточных контактов. Было обнаружено, что повышенная активация RHOA при ССM способствует дизагрегации соединений [168], нарушенному ответу на ток жидкости, неправильному ангиогенезу и TGFβ–BMP-опосредованному эндотелиально-мезенхимальному переходу, что играет доказанную роль в формировании сосудистых мальформаций [169-171]. Дальнейшие исследования показали, что утрата белков CCM повышает активность киназы MAPK/ERK-киназы 3 (MEKK3) и ее мишеней, чувствительных к току жидкости — факторов KLF2 и KLF4 [171-173]. Предполагается, что склонность вен к образованию кавернозных мальформаций в ЦНС можно объяснить проангиогенной/вазопротекторной ролью KLF2 в сосудах со слабым/сильным током жидкости соответственно. [171]. Однако причины того, почему эта патология возникает именно в ЦНС, до конца не ясны. Важную роль в этом процессе могут играть факторы нейроваскулярного микроокружения: так как формирование патологии требует активного процесса ангиогенеза [170, 174], сосуды мозга оказываются уязвимы к кавернозным мальформациям ввиду их подзнего развития. Ангиогенез, вызываемый ишемией головного мозга, также может объяснять повышение с возрастом частоты церебральных кавернозных мальформаций [174]. Интересно, что ангиогенные сигналы также необходимы для возникновения артериовенозных мальформаций (AVM) у мышей с отсутствием ALK1, рецептора TGFβ 1 типа, что является моделью врожденной геморрагической телеангиоэктазии у человека (ВГТ) [175]. При ВГТ в местах прямых соединений артерий и вен образуются склонные к разрывам AVM, которые могут возникать не только в мозге, но и в легких, печени и желудочно-кишечном тракте. Предполагается, что в в основе возникновения AVM у мышей лежит нарушение BMP–ALK1-эндоглин-зависимого ингибирования пролиферации ЭК и рекрутинга клеток стенки сосуда [118]. Визуализация начальных, зависящих от свойств кровотока, этапов формирования AVM у рыбок данио [176, 177] выявила ослабленную миграцию ALK1-дефицитных клеток против тока крови, что приводило к повышению калибра дистальных артерий и увеличению числа ЭК [178]. Вместе эти исследования подтверждают, что образованию сосудистых мальформаций различных типов способствует нарушение механизмов реакции ЭК на особенности тока крови.

Помимо мальформаций лимфатических сосудов, генетические заболевания лимфатической системы включают врожденную лимфедему, клинические формы которой классифицируются согласно мутации, вызвавшей нарушение, а также пораженному участку тела [179]. На данный момент выявлено более 20 этиологически вовлеченных генов, большая часть которых связана с передачей сигнала на VEGFR3 и соответствующим нарушением активности сигнального пути [180]. Интересно, что некоторые из этих мутаций поражают как лимфатические капилляры, так и собирающие сосуды. Например, болезнь Милроя, вызванная инактивирующей мутацией гена VEGFR3, характеризуется гипоплазией и/или дисфункцией лимфатических капилляров [133]. Стоит отметить, что VEGFR3 присутствует во всех ЛЭК, и пока неясно, что определяет сосудистую специфичность заболевания.

Таблица 2 | Примеры сосудистых аномалий, специфичных для определенных органов и типов сосудов, а также мутации, лежащие в их основе

Заключения и перспективы

Исследования молекулярной, морфологической и функциональной гетерогенности эндотелия в норме и патологии не стоят на месте. Установлено, что эта гетерогенность влияет на архитектуру, структуру и функции сосудов. Высокая пластичность ЭК подтверждает разнообразие их фенотипов, это также говорит о том, что гетерогенность является основным свойством эндотелия, позволяющим ему выполнять широкий спектр задач. Ткане- и клеточно-специфические генетические модели начинают проливать свет на механизмы, определяющие дифференцировку ЭК в зависимости от органа и типа сосудов, и в то же время указывают на сложность ее механизмов. Однако наше понимание гетерогенности эндотелия только в начале пути, так как остается ряд нерешенных фундаментальных вопросов. Например, какие ткани являются источником органоспецифичных ЭК и как они влияют на специализацию сосудов? Управляется ли специализация эндотелия независимыми внутриклеточными механизмами или же задается микроокружением? Какие сигналы и сигнальные пути являются ключевыми и как они регулируются? Хотя роль сигнальных каскадов факторов роста и транскрипции является наиболее хорошо изученным аспектом тканеспецифичной дифференцировки эндотелия, кажется вполне вероятным, что роль механических сил и метаболических процессов в будет продолжать оставаться привлекательной областью исследования. Несмотря на то, что эти сигналы неспецифичны в отношении ЭК, они могут управлять дифференцировкой ЭК, создавая особое окружение или состояние эндотелиоцитов. Учитывая последние данные о влиянии метаболизма на эпигенетику и клеточную дифференцировку [157], будет интересно изучить связь между тканевым окружением, эпигенетическим статусом и фенотипом эндотелия. Но такие исследования должны будут учитывать происхождение используемых для анализа ЭК. До сегодняшнего момента большинство исследований in vitro основывались на ограниченном числе модельных систем ЭК (например, ЭК пупочной вены человека (HUVEC) и KЭК кожи человека (HDLEC)), не учитывающих межтканевые различия фенотипа и функции ЭК. Решение этих вопросов и задач обещает открыть новые, захватывающие перспективы относительно механизмов развития и функционирования сосудов, вовлеченных в различные сосудистые заболевания.

Перевод: Юлия Королёва, Cornu Ammonis
Редакция: Михаил Гусев, Анастасия Нагорняк, Николай Лисицкий
Обложка: Cornu Ammonis

Оригинал

About The Author
Лисицкий