VEGF-C and angiopoietins in lymphangiogenesis

Angiogenesis and lymphangiogenesis occur during development as the result of tightly coordinated signalling programs to generate two hierarchically organised vascular systems. All tissues and organs are dependent on a functional blood vasculature for oxygen and nutrients, whereas the lymphatic vasculature functions to collect excess tissue fluid, passing it through lymph nodes for immune surveillance, and returning it to the blood circulation. Effectors that control developmental angiogenesis and lymphangiogenesis are also involved in pathological settings, and therefore potential targets for therapy. Vascular endothelial growth factor (VEGF) and angiopoietin (Ang) growth factors, signalling through endothelial VEGFR and Tie receptors, have been established as key regulators of angiogenic and lymphangiogenic processes in development and disease. In this study, we aimed to obtain a clearer understanding of the vascular effects of stimulation by VEGF-C, Ang1 and Ang2, all known to be involved in lymphangiogenesis. In cell culture models, we found that both intrinsic and microenvironmental regulatory mechanisms are involved in the regulation of endothelial cell phenotypes, and distinct responses to VEGF signalling are induced by specific receptor pathways in different endothelial cell types. Surprisingly, we also found that Ang1 induces sprouting lymphangiogenesis in vivo by a VEGFR-3 dependent mechanism, establishing Ang1 as a novel lymphangiogenic factor. Using inducible transgenic mouse models, we found that VEGF-C-induced lymphatic hyperplasia persisted independently of the growth factor, indicating that short pro-lymphangiogenic therapy could lead to lasting improvements in tissue oedema. While VEGF-C had blood vessel effects in embryos, no angiogenic side effects were observed in adult tissues. Furthermore, inducible transgenic expression of Ang2 during embryonic development confirmed Ang2 as an important regulator of lymphatic remodelling and mural cell contacts. The unexpected similarity of the lymphatic maturation defects caused by excess Ang2 to those observed in Ang2 deficient mice demonstrated that correct doses of Ang2 are crucial for the control of lymphatic development. Unlike Ang1, Ang2 did not induce lymphatic sprouting. Although Ang1 has been shown to be able to substitute for Ang2 during developmental lymphangiogenesis, their lymphatic effects are not identical. These findings further our understanding of the basic mechanisms of angiogenesis and lymphangiogenesis, important for the future development of targeted therapies for vascular diseases such as cancer, inflammation, lymphoedema and ischemia. VEGF-C and Ang1 especially emerged as promising candidates for pro-lymphangiogenic therapy.

Kaikki kudokset ja elimet tarvitsevat toimivan verisuoniverkoston saadakseen happea ja ravinteita. Imusuonten tehtävä puolestaan on kerätä verisuonista kudoksiin vuotava neste ja valkuaisaineet, ja kuljettaa ne immuunipuolustusta valvovien imusolmukkeiden kautta takaisin verenkiertoon. Verisuonten uudismuodostusta (angiogeneesia) tapahtuu normaalisti sikiönkehityksen aikana ja haavojen parantuessa, mutta angiogeneesi on välttämätöntä myös syöpäkasvainten kehitykselle, ja verisuonten liikakasvua ilmenee myös esimerkiksi silmäsairauksissa. Imusuonten uudismuodostus (lymfangiogeneesi) voi edistää etäpesäkkeiden muodostumista. Toisaalta imusuonten vajaatoiminta aiheuttaa kudosturvotusta (lymfödeemaa), ja angiogeneesi olisi hyödyksi veritulppien aiheuttaman lihasten hapenpuutteen korjaamiseksi. Siksi sekä suonten kasvun pysäyttäminen että kasvun edistäminen ovat mahdollisia hoitomuotoja eri sairauksiin. Sikiönkehityksen aikana veri- ja imusuoniston muodostumista säätelee joukko kasvutekijöitä, joiden toiminta on keskeisessä roolissa myös useissa sairauksissa. Verisuonen endoteelin kasvutekijöiden (VEGF) sekä angiopoietiinien (Ang) signaalinvälitys suonten sisäseinän endoteelisoluissa on olennaisen tärkeää suonten uudismuodostukselle. Tässä työssä tutkimme VEGF-C-, Ang1- ja Ang2-kasvutekijöiden vaikutuksia erityisesti imusuonten kehitykseen ja uudismuodostukseen. Tutkimuksen ensimmäisessä osatyössä havaitsimme, että erilaisten suonten endoteelisoluissa VEGF-kasvutekijöiden vaikutukset olivat erilaisia, ja selviteltiin mihin prosesseihin eri signaalinvälitysreitit vaikuttavat. Totesimme myös, että solun seinän sileälihassolut voivat muokata VEGF-tekijöiden vaikutuksia endoteelisoluihin. Useat mekanismit siis säätelevät myös VEGF-signaalinvälitystä. Toinen osatyö osoitti, että Ang1-kasvutekijä aiheuttaa lymfangiogeneesiä VEGFR-3-reseptorin signaalinvälityksen kautta. Kolmannessa osatyössä selvitimme imusuonten kasvutekijä VEGF-C:n vaikutusta, ja totesimme että lyhytaikainen VEGF-C-terapia voi johtaa pysyvän uuden imusuoniston muodostumiseen ilman sivuvaikutuksia verisuoniin. Nämä rohkaisevat tulokset luovat pohjaa kasvutekijähoitojen kehittämiselle lymfödeemaan. Neljännessä osatyössä havaitsimme, että liian suuri pitoisuus Ang2-kasvutekijää sikiönkehityksen aikana estää imusuonten normaalin kehityksen viimeisen vaiheen, jossa yksinkertaisesta suoniverkostosta muokataan hierarkkinen järjestelmä. Yllätykseksemme huomasimme, että liiallinen Ang2 aiheuttaa samankaltaisen ilmiasun kuin Ang2:n täydellinen puutos. Tämä tulos osoittaa, että Ang2:n pitoisuuden tarkka säätely on ensiarvoisen tärkeää imusuonten kehitykselle.