VEGFR-3 and Tie pathways in vascular network formation

The blood and lymphatic vascular systems are essential for life, but they may become harnessed for sinister purposes in pathological conditions. For example, tumors learn to grow a network of blood vessels (angiogenesis), securing a source of oxygen and nutrients for sustained growth. On the other hand, damage to the lymph nodes and the collecting lymphatic vessels may lead to lymphedema, a debilitating condition characterized by peripheral edema and susceptibility to infections. Promoting the growth of new lymphatic vessels (lymphangiogenesis) is an attractive approach to treat lymphedema patients. Angiopoietin-1 (Ang1), a ligand for the endothelial receptor tyrosine kinases Tie1 and Tie2. The Ang1/Tie2 pathway has previously been implicated in promoting endothelial stability and integrity of EC monolayers. The studies presented here elucidate a novel function for Ang1 as a lymphangiogenic factor. Ang1 is known to decrease the permeability of blood vessels, and could thus act as a more global antagonist of plasma leakage and tissue edema by promoting growth of lymphatic vessels and thereby facilitating removal of excess fluid and other plasma components from the interstitium. These findings reinforce the idea that Ang1 may have therapeutic value in conditions of tissue edema. VEGFR-3 is present on all endothelia during development, but in the adult its expression becomes restricted to the lymphatic endothelium. VEGF-C and VEGF-D are ligands for VEGFR-3, and potently promote lymphangiogenesis in adult tissues, with direct and remarkably specific effects on the lymphatic endothelium in adult tissues. The data presented here show that VEGF-C and VEGF-D therapy can restore collecting lymphatic vessels in a novel orthotopic model of breast cancer-related lymphedema. Furthermore, the study introduces a novel approach to improve VEGF-C/VEGF-D therapy by using engineered heparin-binding forms of VEGF-C, which induced the rapid formation of organized lymphatic vessels. Importantly, VEGF-C therapy also greatly improved the survival and integration of lymph node transplants. The combination of lymph node transplantation and VEGF-C therapy provides a basis for future therapy of lymphedema. In adults, VEGFR-3 expression is restricted to the lymphatic endothelium and the fenestrated endothelia of certain endocrine organs. These results show that VEGFR-3 is induced at the onset of angiogenesis in the tip cells that lead the formation of new vessel sprouts, providing a tumor-specific vascular target. VEGFR-3 acts downstream of VEGF/VEGFR-2 signals, but, once induced, can sustain angiogenesis when VEGFR-2 signaling is inhibited. The data presented here implicate VEGFR-3 as a novel regulator of sprouting angiogenesis along with its role in regulating lymphatic vessel growth. Targeting VEGFR-3 may provide added efficacy to currently available anti-angiogenic therapeutics, which typically target the VEGF/VEGFR-2 pathway.

Verisuonet ja imusuonet ovat elämälle välttämättömiä järjestelmiä. Verisuonet kuljettavat kudoksiin happea ja ravinteita, sekä poistavat niistä haitallisia aineenvaihduntatuotteita. Verisuonten uudismuodostus (angiogeneesi) on myös välttämätöntä syöpäkasvaimen kehittymiselle, ja angiogeneesin estäminen onkin houkutteleva tapa estää syövän kasvua. Imusuonet puolestaan keräävät kudoksista nestettä, valkuaisaineita ja puolustusjärjestelmän soluja. Imusuonten toiminnan estyminen johtaa krooniseen turvotustautiin, lymfedeemaan, johon ei tällä hetkellä ole olemassa parantavaa hoitoa. Tämän väitöskirjatutkimuksen tavoitteena oli kehittää uusia hoitomuotoja lymfedeemaan, sekä selvittää menetelmiä estää syöpäkasvaimen verisuonten kasvua tautimalleissa. Tutkimuksen ensimmäinen osatyö osoitti, että angiopoietiini-1-kasvutekijä aiheuttaa imusuonten uudismuodostusta (lymfangiogeneesiä). Esimerkiksi rintasyöpäpotilailta joudutaan usein poistamaan kainalon alueen imusolmukkeet, mikä johtaa imunestekierron häiriöön ja usein yläraajan lymfedeemaan. Tutkimuksen toinen osatyö näytti, että kainaloalueelle voidaan kasvattaa uudet toimivat imusuonet VEGF-C-kasvutekijän avulla. Lisäksi VEGF-C-hoidon avulla voitiin siirtää vaurioalueelle uusia imusolmukkeita, ja kytkeä nämä paikalliseen imusuonijärjestelmään. Kolmannessa osatyössä osoitettiin, että muokkaamalla VEGF-C:n ominaisuuksia sitoutua soluväliaineeseen imusuonten järjestäytymistä toimintakuntoisiksi voitiin nopeuttaa. Nämä tutkimukset muodostavat pohjan kasvutekijähoidon kehittämiseksi lymfedeemapotilaille. Neljännessä osatyössä näytettiin VEGF-C:n reseptorin VEGFR-3:n säätelevän verisuonten uudismuodostusta niin yksilönkehityksen kuin syöpäkasvaimen kasvunkin aikana. VEGFR-3:n estäminen vähensi verisuonten määrää kokeellisissa kasvaimissa, sekä hidasti kasvainten kasvua. Huomattavaa oli, että VEGFR-3:n estäjä lisäsi entisestään tunnetun angiogeneesin estäjän tehoa. Lisäksi havaittiin, että VEGFR-3:n estäminen ei johtanut merkittäviin haittavaikutuksiin. Tutkimuksessa selvitettiin lisäksi VEGFR-3:n säätelymekanismeja. Näiden tulosten perusteella VEGFR-3 on lupaava kohdemolekyyli angiogeneesiä estävien lääkeaineiden kehitykselle.