Balance of growth factors in the human perinatal lung : Implications for physiological lung development and link to bronchopulmonary dysplasia

The aims of this Thesis was to evaluate the role of proangiogenic placental growth factor (PlGF), antiangiogenic endostatin and lymphangiogenic vascular endothelial growth factor (VEGF) -C as well as the receptors vascular endothelial growth factor receptor (VEGFR) -2 and VEGFR-3 during lung development and in development of lung injury in preterm infants. The studied growth factors were selected due to a close relationship with VEGF-A; a proangiogenic growth factor important in normal lung angiogenesis and lung injury in preterm infants. The thesis study consists of three analyses. I: Lung samples from fetuses, preterm and term infants without lung injury, as well as preterm infants with acute and chronic lung injury were stained by immunohistochemistry for PlGF, endostatin, VEGF-C, VEGFR-2 and VEGFR-3. II: Tracheal aspirate fluid (TAF) was collected in the early postnatal period from a patient population consisting of 59 preterm infants, half developing bronchopulmonary dysplasia (BPD) and half without BPD. PlGF, endostatin and VEGF-C concentrations were measured by commercial enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA). III: Cord plasma was collected from very low birth weight (VLBW) (n=92) and term (n=48) infants in conjuncture with birth and endostatin concentrations were measured by ELISA. I: All growth factors and receptors studied were consistently stained in immunohistochemistry throughout development. For endostatin in early respiratory distress syndrome (RDS), no alveolar epithelial or macrophage staining was seen, whereas in late RDS and BPD groups, both alveolar epithelium and macrophages stained positively in approximately half of the samples. VEGFR-2 staining was fairly consistent, except for the fact that capillary endothelial staining in the BPD group was significantly decreased. II: During the first postnatal week in TAF mean PlGF concentrations were stable whereas mean endostatin and VEGF-C concentrations decreased. Higher concentrations of endostatin and VEGF-C correlated with lower birth weight (BW) and associated with administration of antenatal betamethasone. Parameters reflecting prenatal lung inflammation associated with lower PlGF, endostatin and VEGF-C concentrations. A higher mean supplemental fraction of inspired oxygen during the first 2 postnatal weeks (FiO2) correlated with higher endostatin concentrations. III: Endostatin concentrations in term infants were significantly higher than in VLBW infants. In VLBW infants higher endostatin concentrations associated with the development of BPD, this association remained significant after logistic regression analysis. We conclude that PlGF, endostatin and VEGF-C all have a physiological role in the developing lung. Also, the VEGFR-2 expression profile seems to reflect the ongoing differentiation of endothelia during development. Both endostatin and VEGFR-2 seem to be important in the development of BPD. During the latter part of the first postnatal week, preterm infants developing BPD have lower concentrations of VEGF-A in TAF. Our findings of disrupted VEGFR-2 staining in capillary and septal endothelium seen in the BPD group, as well as the increase in endostatin concentrations both in TAF and cord plasma associated with BPD, seem to strengthen the notion that there is a shift in the angiogenic balance towards a more antiangiogenic environment in BPD. These findings support the vascular hypothesis of BPD.

Raskausviikolla 24-28 syntyneen keskosen keuhkojen kypsymättömyys altistaa keuhkovaurioon, bronkopulmonaaliseen dysplasiaan (BPD). BPD johtaa keuhkojen kehityksen merkittävään hidastumiseen. Monet kasvutekijät vaikuttavat keuhkojen verisuonituksen kehitykseen ja BPD:ssa kasvua säätelevien tekijöiden ja niiden vastavaikuttajien välillä vallitsee epätasapaino. Tärkein verisuonten kasvuun vaikuttava tähän asti löydetty kasvutekijä on vascular endothelial growth factor A (VEGF-A). Väitöskirjatyön tavoitteena oli tutkia VEGF-A:n liittyvien kasvutekijöiden placental growth factor:n (PlGF), endostatiinin sekä VEGF-C:n yhteyttä keuhkojen kehitykseen ja BPD:n. Työ koostuu kolmesta osa-analyysista. Ensimmäistä osa-analyysia (I) varten kerättiin menehtyneiden ihmissikiöiden ja lasten keuhkokudosnäytteitä. Näytteet vastaavat sekä keuhkojen normaalia kehitystä että keuhkovauriota. Toista osa-analyysia (II) varten määritettiin kasvutekijäpitoisuuksia pikkukeskosten imulimanäytteistä ELISA-menetelmällä. Aineisto valittiin niin, että noin puolelle potilaista myöhemmin kehittyi BPD. Kolmatta osa-analyysia (III) varten endostatiinipitoisuus määritettiin napaverestä ELISA-menetelmällä 92 pikkukeskosesta ja 48 täysiaikaisena syntyneestä lapsesta. I: Kaikki tutkitut kasvutekijät ja reseptorit ilmenivät kaikissa keuhkokehityksen vaiheissa. Lisäksi, VEGFR-2:ta havaittiin vain joka toisessa näytteessä hiussuonten endoteelisoluissa BPD-ryhmässä, kaikissa muissa ryhmissä jokaisessa näytteessä havaittiin VEGFR-2:ta. II: Kohdunsisäistä tulehdusta heijastavat kliiniset tekijät olivat yhteydessä matalampiin kasvutekijäpitoisuuksiin. III: Täysiaikaisilla vastasyntyneillä tavattiin korkeampia napaveren endostatiinipitoisuuksia kuin pikkukeskosilla. Keskosryhmässä korkeampi endostatiinipitoisuus oli suoraan yhteydessä BPD:an. PlGF:n, endostatiinin sekä VEGF-C:n tasainen esiintyminen keuhkokehityksen kaikissa vaiheissa sekä johdonmukainen esiintyminen pikkukeskosilla syntymän jälkeen imulimassa painottaa kasvutekijöiden merkitystä normaalissa keuhkokehityksessä. Imulimassa havaittiin kaikkien kasvutekijöiden osalta, että matalammat kasvutekijäpitoisuudet ovat yhteydessä kohdunsisäiseen tulehdukseen liittyviin kliinisiin tekijöihin. Kohdunsisäinen tulehdus saattaa näin ollen aiheuttaa verisuonikehityksen vähenemistä. Verisuonikehityksen hidastumiseen liittyen VEGFR-2:n värjäytymisen väheneminen keuhkorakkuloiden hiussuoniendoteelisoluissa BPD-ryhmässä sopii vaskulaariseen hypoteesiin, jonka mukaan BPD:n kehittymisen syynä on keuhkojen verisuonikehityksen pysähtyminen. Napaveren korkeampi endostatiinipitoisuus pikkukeskosilla oli suoraan yhteydessä BPD:an. Nämä tulokset viittaavat siihen, että korkea endostatiinipitoisuus on haitallinen pikkukeskosen keuhkokehityksessä ja lisää pikkukeskosen riskiä sairastua BPD:n.