Jak komórki śródbłonka budują drożne naczynia krwionośne

Powstawanie sprawnie funkcjonującej sieci naczyń krwionośnych wymaga nie tylko ścisłego przylegania komórek śródbłonka, ale również ich kontrolowanego przemieszczania się i zmiany kształtu. Naukowcy z Biozentrum, Universität Basel opisali mechanizm, w którym naprzemienne siły pchające i ciągnące umożliwiają łączenie sąsiednich odcinków naczyniowych w ciągłą strukturę z drożnym światłem. Badania przeprowadzone z wykorzystaniem wysokorozdzielczej mikroskopii żywych zarodków danio pręgowanego pokazują także, że VE-kadheryna pełni znacznie bardziej aktywną rolę w morfogenezie naczyń, niż dotychczas sądzono.

W artykule:

• Jak powstaje ciągłe światło naczynia krwionośnego
• Rola połączeń między komórkami śródbłonka
• Znaczenie wypustek Junction-Based Lamellipodia
• Naprzemienne działanie sił pchających i ciągnących
• Podwójna funkcja VE-kadheryny
• Znaczenie wyników dla biologii narządów i organoidów

Jak powstaje funkcjonalna sieć naczyń krwionośnych?

Aby krew mogła dostarczać tlen, składniki odżywcze, hormony i komórki układu odpornościowego do poszczególnych tkanek, miliardy komórek muszą zorganizować się w rozległą, silnie rozgałęzioną i szczelną sieć naczyń krwionośnych. Jednym z najważniejszych etapów tego procesu jest powstanie ciągłego światła naczynia, czyli przestrzeni, przez którą może następnie przepływać krew.

Podczas rozwoju zarodkowego komórki śródbłonka nie tworzą od razu gotowych przewodów. Muszą się namnażać, migrować, zmieniać kształt, nawiązywać kontakty z sąsiednimi komórkami i odpowiednio przebudowywać istniejące połączenia. Oddzielne, początkowo niepołączone przestrzenie wewnątrz powstających odcinków naczyniowych muszą zostać zespolone w jedno drożne światło.

Dotychczas wiadomo było, że proces ten wymaga dużej plastyczności komórek śródbłonka. Nie wyjaśniono jednak dokładnie, w jaki sposób komórki jednocześnie zachowują stabilne połączenia między sobą i wykonują ruchy konieczne do wydłużania oraz łączenia powstającego naczynia.

Obserwacja powstawania naczyń w żywym organizmie

Zespół kierowany przez prof. Markusa Affoltera i dr. Heinza-Georga Beltinga z Biozentrum, Universität Basel zbadał ten proces przy użyciu wysokorozdzielczej mikroskopii prowadzonej w żywych zarodkach danio pręgowanego. Wyniki opublikowano w czasopiśmie naukowym „eLife”.

Danio pręgowany jest użytecznym modelem w badaniach rozwoju układu naczyniowego, między innymi ze względu na względną przezroczystość zarodków. Pozwala ona śledzić zachowanie pojedynczych komórek oraz powstawanie naczyń w czasie rzeczywistym, bez konieczności izolowania rozwijającej się tkanki z organizmu.

Naukowcy mogli dzięki temu analizować zmiany kształtu komórek śródbłonka, dynamikę ich połączeń oraz ruchy prowadzące do zespolenia sąsiednich przestrzeni naczyniowych. Badanie umożliwiło szczegółowe opisanie mechanizmu komórkowego i molekularnego, dzięki któremu odrębne światła sąsiadujących odcinków naczyniowych tworzą jeden ciągły kanał.

Połączenia między komórkami muszą być stabilne i dynamiczne

Podczas tworzenia naczynia komórki śródbłonka pozostają ze sobą połączone za pośrednictwem wyspecjalizowanych struktur kontaktowych. Połączenia te muszą spełniać dwa pozornie sprzeczne zadania.

Z jednej strony powinny być wystarczająco stabilne, aby utrzymać integralność ściany naczynia, zapobiegać rozdzieleniu komórek i podtrzymywać powstające światło. Z drugiej strony muszą zachowywać zdolność do szybkiej przebudowy, ponieważ komórki zmieniają położenie i przesuwają się względem siebie.

Gdyby kontakty były zbyt słabe, rozwijająca się ściana naczynia mogłaby utracić ciągłość. Gdyby natomiast były całkowicie nieruchome, komórki nie mogłyby się przeorganizować, wydłużać ani formować ciągłej struktury naczyniowej.

Junction-Based Lamellipodia jako mechanizm ruchu komórek

Wcześniejsze badania tego samego zespołu wskazywały, że ważną rolę w przebudowie połączeń między komórkami śródbłonka odgrywają Junction-Based Lamellipodia, określane skrótem JBL. Są to wyspecjalizowane, oparte na aktynie wypustki błony komórkowej, które powstają w obrębie połączeń międzykomórkowych.

Struktury te można porównać do niewielkich mechanizmów napędowych. Umożliwiają one jednej komórce wsuwanie się nad sąsiednią komórkę lub przesuwanie się względem niej, bez utraty ciągłości kontaktu między nimi.

Nowe badanie pozwoliło dokładniej określić, jakie siły mechaniczne uczestniczą w tym procesie. Autorzy wykazali, że formowanie naczynia zależy od powtarzającej się sekwencji rozciągania komórek, ich zakotwiczania oraz aktywnego podciągania.

Najpierw pchanie, następnie zakotwiczenie

Proces rozpoczyna się od powstania wypustki JBL na przednim końcu komórki. Rozrastająca się wypustka generuje siłę pchającą, która przesuwa błonę komórkową do przodu i prowadzi do wydłużenia komórki.

Na końcu wypustki powstaje następnie kontakt z sąsiednią komórką. Struktura ta działa jak molekularny punkt zakotwiczenia: łączy komórki, stabilizuje ich wzajemne położenie i przygotowuje warunki do kolejnego etapu ruchu.

Zakotwiczenie ma zasadnicze znaczenie, ponieważ sama siła pchająca nie wystarczyłaby do kontrolowanego wydłużania naczynia. Nowy kontakt musi być na tyle stabilny, aby przenieść naprężenia powstające podczas dalszego ruchu komórki.

Siły ciągnące przesuwają tylną część komórki

Po utworzeniu nowego punktu kontaktowego zaczynają działać siły ciągnące związane z aktywnością cytoszkieletu aktynomiozynowego. Powodują one przesuwanie tylnej części komórki w kierunku wcześniej zakotwiczonego końca.

Komórka nie wykonuje więc jednego prostego ruchu. Najpierw wysuwa przednią część, następnie łączy ją z sąsiednią komórką, a później podciąga pozostałą część swojego ciała. Powtarzanie tej sekwencji prowadzi do stopniowego wydłużania komórek i całego rozwijającego się naczynia.

Pierwszy autor publikacji, dr Ludovico Maggi, porównał ten sposób przemieszczania się do ruchu gąsienicy miernikowcowatej. Zwierzę przesuwa najpierw przednią część ciała, mocuje ją do podłoża, a następnie przyciąga część tylną. Analogiczna sekwencja sił pchających, zakotwiczających i ciągnących umożliwia komórkom śródbłonka wydłużanie powstającego naczynia.

Łączenie oddzielnych odcinków naczyniowych

Opisany mechanizm prowadzi nie tylko do zmiany kształtu pojedynczej komórki. Jego konsekwencją jest reorganizacja całego układu komórek tworzących ścianę naczynia.

W miarę jak komórki wydłużają się i przesuwają względem siebie, wcześniej oddzielone przestrzenie wewnątrz powstających segmentów naczyniowych zbliżają się i łączą. Ostatecznie powstaje ciągłe światło, przez które może przepływać krew.

Badanie wskazuje zatem, że drożność rozwijającego się naczynia nie jest wyłącznie wynikiem wzrostu pustej przestrzeni między komórkami. Wymaga aktywnej i precyzyjnie skoordynowanej przebudowy połączeń między komórkami śródbłonka.

VE-kadheryna nie jest wyłącznie „cementem” między komórkami

Jednym z najważniejszych wyników badania było określenie podwójnej roli VE-kadheryny. Jest to białko adhezyjne charakterystyczne dla połączeń między komórkami śródbłonka, mające podstawowe znaczenie dla integralności bariery naczyniowej.

Dotychczas VE-kadherynę przedstawiano przede wszystkim jako element spajający komórki śródbłonka. Białko to łączy błony sąsiednich komórek i pośrednio wiąże kompleksy połączeniowe z cytoszkieletem aktynowym. W ten sposób pomaga utrzymać ciągłość i mechaniczną stabilność ściany naczynia.

Obserwacje zespołu z Universität Basel pokazują jednak, że rola VE-kadheryny nie ogranicza się do biernego stabilizowania połączeń. Białko uczestniczy również w aktywnej przebudowie kontaktów między komórkami oraz w przenoszeniu sił umożliwiających ich ruch.

VE-kadheryna działa zatem jednocześnie jako składnik wzmacniający połączenie i element mechanizmu umożliwiającego reorganizację komórek. Jest to szczególnie istotne w rozwijającym się naczyniu, którego ściana musi być stabilna, ale nie może pozostawać nieruchoma.

Plastyczność śródbłonka podczas rozwoju naczyń

Autorzy podkreślają bardzo dużą plastyczność obserwowanych komórek śródbłonka. Komórki potrafiły znacząco zmieniać kształt i położenie, jednocześnie zachowując połączenia z sąsiadami.

Ta zdolność do pozostawania stabilnym i elastycznym zarazem jest jednym z podstawowych warunków prawidłowej morfogenezy układu naczyniowego. Śródbłonek musi utrzymywać ciągłość tworzącej się ściany, a jednocześnie odpowiadać na zmieniające się siły mechaniczne i sygnały pochodzące z otaczających tkanek.

Wyniki wskazują również na ścisły związek między adhezją komórkową, dynamiką aktyny i miozyny oraz powstawaniem światła naczynia. Nie są to niezależne procesy, lecz elementy jednego mechanizmu mechanobiologicznego.

Znaczenie badań wykracza poza układ krążenia

Naczynia krwionośne nie są wyłącznie przewodami transportującymi krew. Rozwijają się w ścisłej interakcji z większością narządów i uczestniczą w kształtowaniu ich mikrośrodowiska. Komórki śródbłonka dostarczają nie tylko tlen i składniki odżywcze, ale również sygnały wpływające na wzrost, różnicowanie i organizację innych typów komórek.

Lepsze poznanie sposobu powstawania naczyń może więc pomóc w zrozumieniu rozwoju całych narządów. Zaburzenia angiogenezy i tworzenia światła naczyniowego mogą wpływać na organizację tkanek już na wczesnych etapach rozwoju.

Opisany mechanizm może mieć również znaczenie dla badań nad patologiczną przebudową naczyń. Chociaż omawiana praca koncentrowała się na fizjologicznej morfogenezie naczyń u danio pręgowanego, procesy regulujące adhezję, ruch i reorganizację komórek śródbłonka są istotne także dla gojenia tkanek, angiogenezy nowotworowej oraz chorób związanych z nieprawidłową funkcją bariery naczyniowej.

Perspektywy dla organoidów i inżynierii tkankowej

Jednym z potencjalnych kierunków wykorzystania nowych danych jest rozwój organoidów i sztucznie hodowanych tkanek. Organoidy pozwalają odtwarzać wybrane elementy budowy i funkcji narządów w warunkach laboratoryjnych, jednak jednym z największych ograniczeń pozostaje brak odpowiednio rozwiniętej, drożnej sieci naczyniowej.

Bez naczyń komórki położone w głębszych częściach większej struktury mają ograniczony dostęp do tlenu i składników odżywczych. Dyfuzja jest skuteczna tylko na niewielkie odległości, dlatego wraz ze wzrostem organoidu może dochodzić do niedotlenienia i obumierania komórek w jego centrum.

Poznanie zasad, według których komórki śródbłonka łączą oddzielne światła naczyniowe, może pomóc w projektowaniu modeli tkanek wyposażonych w funkcjonalne układy naczyniowe. Byłoby to istotne zarówno dla badań podstawowych, jak i dla testowania leków, modelowania chorób oraz przyszłych zastosowań medycyny regeneracyjnej.

Co dokładnie wykazano?

Badanie dostarcza szczegółowego opisu mechanizmu, w którym dynamika połączeń między komórkami oraz aktywność cytoszkieletu aktynomiozynowego sterują zmianą ułożenia komórek śródbłonka podczas tworzenia cewy naczyniowej.

Najpierw wyspecjalizowane wypustki powstające w obrębie połączeń komórkowych generują siłę pchającą i wysuwają przednią część komórki. Następnie nowy kontakt z sąsiednią komórką tworzy punkt zakotwiczenia. Siły ciągnące przesuwają tylną część komórki, powodując jej wydłużenie i reorganizację całej warstwy śródbłonka.

Powtarzanie tego cyklu umożliwia połączenie sąsiednich odcinków naczyniowych i utworzenie ciągłego światła. VE-kadheryna uczestniczy zarówno w stabilizacji kontaktów, jak i w ich dynamicznej przebudowie.

Znaczenie wyników i ograniczenia interpretacyjne

Praca ma charakter badania podstawowego i opisuje mechanizm rozwojowy obserwowany w żywym modelu danio pręgowanego. Wyniki nie stanowią bezpośredniej podstawy do zastosowania klinicznego ani nie wskazują gotowej metody leczenia chorób naczyniowych.

Badanie dostarcza jednak ważnych danych dotyczących mechanobiologii śródbłonka. Pokazuje, w jaki sposób siły fizyczne, połączenia adhezyjne i cytoszkielet współdziałają podczas kształtowania naczynia. Zrozumienie tych zależności może stanowić punkt wyjścia do dalszych badań nad rozwojem naczyń człowieka, zaburzeniami angiogenezy oraz tworzeniem unaczynionych modeli tkanek.

Przeniesienie opisanych mechanizmów na warunki ludzkie będzie wymagało potwierdzenia ich w komórkach człowieka, organoidach, modelach ssaczych oraz bardziej złożonych układach doświadczalnych.

Podsumowanie

Powstawanie ciągłego naczynia krwionośnego jest procesem aktywnym i silnie zależnym od mechaniki komórek. Komórki śródbłonka nie tylko przylegają do siebie, ale wykonują skoordynowane ruchy oparte na naprzemiennym działaniu sił pchających i ciągnących.

Wypustki Junction-Based Lamellipodia wysuwają przednią część komórki, nowo powstające połączenia zapewniają zakotwiczenie, a układ aktynomiozynowy podciąga tylną część komórki. Dzięki wielokrotnemu powtarzaniu tej sekwencji komórki zmieniają położenie, wydłużają powstające naczynie i łączą odrębne przestrzenie w jedno drożne światło.

VE-kadheryna pełni w tym procesie podwójną funkcję: stabilizuje ścianę naczynia i aktywnie uczestniczy w ruchu oraz reorganizacji komórek. Wyniki poszerzają wiedzę na temat rozwoju układu naczyniowego i mogą mieć znaczenie dla przyszłych prac nad organoidami oraz unaczynionymi tkankami hodowanymi w laboratorium.

Źródło: eLife, Junctional and Actomyosin Dynamics Drive Endothelial Cell Rearrangements during Vascular Tube Formation.
DOI: https://doi.org/10.7554/eLife.109264.2