Microsc微型肛门。作者手稿;PMC 2014年2月10日提供。
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美国国立卫生研究院:美国国立卫生研究院538942
内皮细胞-脂肪细胞相互作用刺激基底膜基质组装:对血管管重塑、成熟和稳定的影响
1和1,2
琥珀·N·斯特拉曼
1密苏里大学哥伦比亚分校医学药理学和生理学系,65212
乔治·E·戴维斯
1密苏里哥伦比亚大学医学药理学和生理学系,65212
2密苏里哥伦比亚大学病理和解剖科学系,65212
1密苏里哥伦比亚大学医学药理学和生理学系,65212
2密苏里哥伦比亚大学病理和解剖科学系,65212
1,2哥伦比亚密苏里大学道尔顿心血管研究中心医学院,65212
摘要
血管系统周围细胞外基质(ECM)的合成和沉积对血管重塑和成熟至关重要。尽管基底膜是内皮细胞(EC)下面的一个整体结构,但直到最近,还很少有研究能够了解其在这种情况下的形成。在这篇综述中,我们强调了新的数据,这些数据表明,在形态发生过程中,内皮细胞和周细胞需要共同沉积和组装血管基底膜。在仅EC培养物中,或在周细胞募集受阻的条件下,缺乏基底膜组装,血管稳定性降低(对渐进性刺激的敏感性增加),EC管宽度增加(EC-周细胞相互作用功能障碍的标志)。内皮细胞和周细胞都贡献基底膜成分,而且,这两种细胞都诱导特定成分以及识别它们的整合素的表达。EC衍生因子血小板衍生生长因子-BB(PDGF-BB)和肝素结合表皮生长因子(HB-EGF在体外和体内因此,异型内皮细胞与嗜酸细胞的相互作用在血管基底膜基质沉积中起着重要作用,这是一种关键的导管成熟事件,在糖尿病和癌症等关键疾病状态下发生改变。
关键词:血管基底膜组件、内皮细胞、周细胞、整合素、细胞外基质、血管导向隧道、层粘连蛋白、IV型胶原、纤维连接蛋白
周细胞募集诱导血管基底膜在三维基质中发育的内皮细胞管周围组装
我们进一步确定了周细胞和内皮细胞-周细胞相互作用的新功能,以控制血管基底膜基质组装的关键过程(斯特拉曼等人,2009年a;Stratman等人,2010年). 这些研究表明,在三维细胞外基质中,内皮细胞和周细胞在血管管的形态发生、成熟和稳定过程中需要共同组装和维持血管基底膜基质() (斯特拉曼等人,2009年a;Stratman等人,2010年). 这项工作集中于以下关键的基底膜结构和交联蛋白:层粘连蛋白、纤维粘连蛋白,IV型胶原,造巢原1/2和珍珠糖。通过使用无洗涤剂免疫染色方案,仅检测细胞外ECM中沉积的蛋白质,结果表明,在仅EC或仅周细胞培养物中,这些基底膜蛋白质几乎没有沉积(斯特拉曼等人,2009年a;Stratman等人,2010年). 我们进一步证明,这两种细胞类型都是血管基底膜基质沉积的重要共同贡献者。相反,当内皮细胞和周细胞共同培养时,这些相同分子在内皮细胞管的胚泡表面的胞外沉积显著增加() (斯特拉曼等人,2009年a;Stratman等人,2010年). 同样的现象也是如此体内此外,鹌鹑血管基底膜的出现与发育中的微血管管周围周细胞的到来直接相关(斯特拉曼等人,2009年a;Stratman等人,2010年). 在所有情况下,基底膜的沉积会导致血管直径和图案化的限制,而基底膜组装、适当的EC-周细胞相互作用或细胞-基质通讯(通过阻断整合素)的破坏会导致血管生长不受调节和图案化错误,包括血管宽度增加(斯特拉曼等人,2009年a;Stratman等人,2010年).
内皮细胞与脂肪细胞的相互作用通过血管基底膜的沉积促进管重塑、成熟和稳定在3D胶原基质中建立5天的EC与EC-白桦细胞共培养。使用无洗涤剂染色方案进行免疫染色分析,仅识别EC和EC-胞外细胞共培养物的细胞外蛋白。血管基底膜基质组装显示,只有在共培养条件下,指示的基底膜蛋白才会在细胞外沉积。周细胞被GFP标记,而所示的各种基底膜蛋白被免疫标记为红色。Bar等于25μm。
识别基质蛋白的主要细胞表面受体是整合素。整合素通过α和β受体亚单位的二聚化发挥作用,允许从细胞表面以外-内和内-外的方式传递信号级联(Davis&Senger,2005年;Hynes,2007年;Somanath等人,2009年). 在内皮细胞中,主要的α链整合素亚基包括与β1亚基配对的α1-6(由内皮细胞可变表达的α4除外)和与β1、β3或β5配对的αV(Davis&Senger,2005年;Hynes,2007年;斯特拉曼等人,2009年a;Stupack&Cheresh,2004年). 每个α/β整合素亚基配对对差异基质成分具有特异性,α1和α2主要是胶原受体,α5和αV是纤维连接蛋白受体,α3和α6(以及部分α1)是层粘连蛋白受体(Hynes,2007年). 植入I型胶原凝胶中的内皮细胞,例如在我们的3D分析中,依赖α2β1整合素进行小管生成(Davis&Camarillo,1996年;Sacharidou等人,2010年;斯特拉曼等人,2009年a). 然而,随着基底膜开始在管周围聚集(周细胞存在并向管内募集时),内皮细胞失去对α2(I型胶原受体)的依赖,转而依赖其他α链整合素,主要是α5、α3、α6和α1(识别基底膜成分),以维持管的稳定性,限制EC血管宽度并与新组装的基底膜基质相互作用() (斯特拉曼等人,2009年a). 重要的是,这种新的整合素依赖性仅在内皮细胞和周细胞共同培养时发生,而在仅培养内皮细胞时不会发生(斯特拉曼等人,2009年a). 因此,我们证明周细胞需要与内皮细胞一起工作才能正确组装血管基底膜,并且在构建和重塑基底膜的同时,在血管形态发生和成熟的过程中,这两种细胞类型都识别并响应这种基质(如对识别这种新ECM的新整合素链的需求和对识别I型胶原的整合素需求的丧失所证明的那样(和) (斯特拉曼等人,2009年a).
为了了解内皮细胞和周细胞组装基底膜的共同需求,进行了一系列额外的研究,以确定每个关键基底膜基质分子、IV型胶原链、层粘连蛋白亚型链、纤维连接蛋白、巢蛋白1/2和珍珠糖的调控模式,在单独的EC或周细胞中的mRNA水平,而在共同培养中的每个细胞单独。通过开展这些研究,三个主要结论显而易见:;1) 在没有共培养设置的情况下,大多数基底膜基因的mRNA转录水平在5天的时间过程中下降,以及它们相关的整合素链在仅EC和仅周细胞培养中的表达水平;2) 内皮细胞和周细胞都能够贡献基底膜的成分(斯特拉曼等人,2009年a); 和3)内皮细胞与脂肪细胞的相互作用显著增加了层粘连蛋白α5和β2链的表达,这是形成层粘连素511和521所必需的,层粘连蛋白质511和52可以自我组装到基底膜中(Miner&Yurcenco,2004年;Yurcenco等人,2004年)以及其他结构成分,如纤维连接蛋白和胶原IVα1链,以及架桥分子,如巢蛋白1和珍珠糖(斯特拉曼等人,2009年a). 基因表达的这些变化描述了在异型细胞与细胞相互作用下游观察到的分子后果,例如在血管管联合组装过程中,相互作用的内皮细胞和周细胞之间的分子结果,并开始阐明周细胞在支持管长期稳定中的作用。
我们还观察到,周细胞衍生的TIMP-3在稳定新沉积的血管基底膜方面发挥了关键作用。TIMP-3的siRNA抑制尤其导致IV型胶原组装和/或稳定性显著降低(斯特拉曼等人,2009年a). 有趣的是,当周细胞TIMP-3表达受到抑制时,EC管明显变宽(斯特拉曼等人,2009年a). 因此,内皮细胞与脂肪细胞的相互作用不仅控制基底膜成分的合成和沉积,而且通过抑制蛋白水解促进基质的稳定性。
PDGF-BB和HB-EGF调节周细胞向EC内衬管的募集,以诱导血管基底膜沉积和管稳定性
由于内皮细胞-嗜酸细胞异型相互作用的关键性质是基底膜沉积和管稳定所必需的,我们试图了解在3D矩阵中定义的无血清条件下控制周细胞定向募集到内皮细胞管的信号。如前所述,已经做了大量工作来了解PDGF-BB在血管壁细胞投资中的作用(Gaengel等人,2009年;Stratman等人,2010年). 通过使用基因敲除小鼠显示,EC-derived PDGF-BB的丢失导致微血管床周细胞覆盖率降低(Abramsson等人,2003年;Bjarnegard等人,2004年;Lindblom等人,2003年). 在最近的研究中,EGF家族成员似乎在影响周细胞对血管系统的投资方面起着类似的作用(Iivanainen等人,2009年;Iivanainen等人,2003年;Stratman等人,2010年;Weskamp等人,2010年). 需要对这些生长因子控制血管壁细胞投资的机制进行更详细的研究。
基于上述信息,我们旨在了解PDGF亚型和EGF家族分子,无论是单独还是联合,在血管发育、导管成熟和血管稳定过程中,在周细胞运动、增殖和募集的分子控制中的功能作用(Stratman等人,2011年;斯特拉曼等人,2009年a). 在这些事件中使用周细胞核追踪分析(在3D矩阵中实时评估核GFP标记周细胞的周细胞运动),我们确定周细胞本身无法在3D矩阵内迁移或增殖(Stratman等人,2010年). 与之形成鲜明对比的是,在有内皮细胞存在且与内皮细胞小管生成一致的情况下,周细胞运动和增殖明显() (Stratman等人,2010年). 我们还确定EC衍生的PDGF-BB和HB-EGF都是EC在这些事件中产生的主要生长因子,因此我们进行了实验以解决它们的特定作用(Stratman等人,2010年). 一种组合方法,利用对PDGF-BB或HB-EGF特异性的中和试剂(即阻断抗体和可溶性受体陷阱)和对周细胞中这些配体的关键受体(即PDGFRβ、EGFR和ErbB4)的siRNA抑制,被用来证明这些关键配体来源于内皮细胞并作用于周细胞,以引导其向发育中的输卵管募集() (Stratman等人,2010年). 在周细胞无法对这些配体作出反应的情况下(即同时对两种配体使用中和抗体/受体陷阱或siRNA抑制受体),其在3D基质中的运动能力会受到显著影响,表现为平均细胞速度降低,平均总移动距离和距原点的平均距离(). 除了这种运动性降低外,周细胞增殖和周细胞向EC管的募集也显著减少() (Stratman等人,2010年). 从这些数据中获得在体外,PDGF-BB和HB-EGF协同工作以控制这些过程,因为单独抑制任一配体的治疗不会引起联合治疗的最大效果(Stratman等人,2010年).
内皮细胞衍生的PDGF-BB和HB-EGF需要在三维基质中的内皮细胞-球囊管组装期间诱导周细胞运动和增殖(A) 将核GFP周细胞接种在有无内皮细胞的三维胶原基质中,并在3天内追踪其运动。周细胞的核追踪图像揭示了内皮细胞促进周细胞运动的需求。此外,PDGF-BB和HB-EGF的联合抑制导致3D基质中周细胞运动的显著抑制。(B) 在存在EC、不存在EC或PDGF-BB和HB-EGF被抑制的EC-脂肪细胞共培养物中,周细胞的核追踪定量表明,PDGF-BB和HB-EGF的组合需要刺激EC在3D胶原基质中的运动和增殖。
为了进一步支持这些数据体内利用鹌鹑血管发育模型,研究PDGF-BB和HB-EGF信号在这些过程中的联合影响。在周细胞募集的发育时间点,用EGFR(即Iressa)和PDGFRβ(即Imatinib)的化学抑制剂或PDGF-BB和HB-EGF的中和抗体治疗鹌鹑胚胎后,我们证明,与对照组或个别治疗条件相比,联合破坏这两种配体会导致与EC管相关的周细胞数量急剧减少() (Stratman等人,2010年). 与这些征募缺陷相关的是EC管宽度的增加、EC分支点数量的减少以及整个胚胎中存在的渗漏、出血血管,这高度暗示了血管重塑不当和不稳定() (Stratman等人,2010年). 重要的是,发现EC管宽度增加,周细胞向EC血管募集的减少体内与中获得的数据完全一致在体外模型。
鹌鹑血管形态发生过程中PDGF-BB和HB-EGF直接周细胞募集到内皮细胞管(A) ECs(QH1-绿色)与相关周细胞区(PDGFRβ-红色)重叠的图像显示,在鹌鹑胚胎用PDGFR?(伊马替尼)和EGFR(艾瑞莎)的化学抑制剂处理的情况下,缺乏与EC管相关的周细胞。Bar等于15μm。(B) 对照组与PDGF-BB/HB-EGF双重抑制治疗条件(两种抗体均以50μg/ml添加)下非相关周细胞数量的量化。在发育第6天,与对照组相比,抑制周细胞PDGF-BB和HB-EGF活性的治疗导致非相关周细胞数量增加。(C) 对照组与治疗组胚胎的图像显示,周细胞募集受损的胚胎中颅内血管出血表型的发生率增加。
特别令人感兴趣的是是否阻断周细胞向EC管的募集体内(即使用PDGF-BB/HB-EGF中和抗体或对其受体的化学抑制剂)导致发育中的血管系统中的血管基底膜基质组装的缺陷。数据同时生成在体外和体内表明在缺乏直接的内皮细胞-脂肪细胞相互作用的情况下,基底膜蛋白沉积受到显著抑制() (Stratman等人,2010年). 这些数据表明,这两种细胞类型之间的物理相互作用强烈地促进了基底膜的形成,而周围组织中周细胞的存在不足以控制这一过程(Stratman等人,2011年;斯特拉曼等人,2009年a;Stratman等人,2010年). 这些物理相互作用可能是ECM蛋白质(如纤维连接蛋白)组装所必需的,已知这需要对这些分子施加机械张力,以暴露促进基质组装反应所必需的纤维连连接蛋白-纤维连接蛋白相互作用的基质隐秘位点(沃格尔,2006年;钟等,1998). 此外,我们的数据表明,在缺乏纤维连接蛋白装配的情况下,IV型胶原装配会同时丢失,EC血管宽度会增加(这是EC细胞功能障碍的一致标志)(斯特拉曼等人,2009年a). 在这两种情况下都注意到EC血管宽度的增加在体外文化设置和体内鹌鹑血管系统和纤维连接蛋白基因敲除小鼠(Astrof等人,2007年;George等人,1997年;斯特拉曼等人,2009年a;Stratman等人,2010年).
体外和体内,内皮细胞与脂肪细胞的相互作用显著刺激3D基质中基底膜的沉积和组装(A) 纤维连接蛋白免疫染色强度水平的量化显示,在EC-pericyte相互作用受到干扰的情况下(即伊马替尼/伊雷莎),在胚胎第6天,发育鹌鹑EC-lined管周围的纤维连接到蛋白沉积量显著减少。(B) 这一表型的图像显示在血管系统(QH1-绿色)与纤维结合蛋白沉积(红色)的叠加图像中,对照组与周细胞募集明显受到抑制的治疗条件下。Bar等于25μm。(C) 显示IV型胶原或纤维连接蛋白染色(红色)与GFP周细胞的图像显示,当周细胞募集受阻时,治疗条件下缺乏沉积。该表型的强度映射也包括显示对照组与治疗组EC管周围沉积的IV型胶原的定位增加。
结论
在这篇综述中,我们描述了新的发现,这些发现表明血管基底膜组装是由三维细胞外基质中EC-周细胞相互作用控制的。这一过程发生在EC小管发生后,导致血管导向隧道形成(通过MT1-MMP依赖性蛋白水解生成的3D基质中的无基质物理空间)以及PDGF-BB和HB-EGF的产生,它们是将周细胞导向EC管的胚泡表面和血管导向隧道空间的关键EC衍生因子在体外和体内周细胞沿管壁表面的运动刺激内皮细胞和周细胞沉积基底膜基质蛋白,以促进管成熟和稳定事件。内皮细胞管周细胞募集被证明是血管基底膜组装所必需的在体外和体内.内皮细胞与脂肪细胞的相互作用选择性地诱导基底膜成分以及整合素,如α5β1、α6β1、β3β1和α1β1,它们识别这个新沉积的基质。因此,异型EC和周细胞相互作用通过影响基底膜基质合成、重塑ECM的沉积、通过差异整合素表达识别ECM、,通过表达TIMP-2和TIMP-3保护基底膜基质,通过抑制MMPs阻止蛋白水解和进一步的管形态发生以及管退化机制。
如上所述,最近已经取得了相当大的进展,阐明了内皮细胞与嗜酸细胞的相互作用是如何导致试管成熟和稳定的,但显然需要更多的工作来进一步了解这些过程。在未来的工作中需要强调的一个领域是生长因子和细胞因子介导的信号传递如何与血管基底膜介导的信息传递相结合。生长因子和ECM受体之间的协同作用是这些事件的一个关键方面,但需要更详细地研究这些信号所必需的特定分子相互作用。有趣的是,特定的生长因子对不同的基底膜成分具有选择性亲和力,因此这可能是一个需要进一步探索的关键领域。此外,这种共信号如何影响管成熟所需的其他关键EC事件,如EC-EC连接形成和稳定性以及EC流反应性,对于我们理解这些过程至关重要。最后,本综述中讨论的进展对我们理解疾病状态的潜在发病机制具有重要意义,已知在疾病状态下会发生EC-脂肪细胞相互作用异常(例如糖尿病和癌症)。此外,这些见解可能会带来新的治疗可能性。
致谢
这项工作得到了NIH向GED拨款HL59373、HL79460、HL87308和HL105606的支持。
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