Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,570

КЛЕТОЧНЫЕ И МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ПАТОГЕНЕЗА НЕОВАСКУЛЯРИЗАЦИИ СЕТЧАТКИ

Лямина С.В. 1 Комова О.Ю. 1 Гаврилова Н.А. 1 Малышев И.Ю. 1
1 ГБОУ ВПО «Московский государственный медико-стоматологический университет имени А.И. Евдокимова» Министерства Здравоохранения Российской Федерации
Неоваскуляризация является одной из отличительных особенностей в патогенезе целого ряда заболеваний сетчатки, включая ретинопатии недоношенных, диабетические ретинопатии и неоваскуляризацию хориоидеи, ассоциированную с возрастной макулярной дегенерацией. Анализ современных литературных данных позволяет уверенно и обоснованно выделить значимую роль молекулярного и клеточного компонентов регуляции как физиологического, так и патологического ангиогенеза. В обзоре литературы особое внимание уделено значимой роли макрофагов, одного из ключевых компонентов системы врожденного иммунитета, в регуляции ангиогенеза в сетчатке и сосудистой оболочке. Описаны особенности функциональной активности макрофагов различных фенотипов, существенным образом, определяющие вовлечение данных клеток в процесс ангиогенеза.
неоваскуляризация
сосудистый эндотелиальный фактор роста
макрофаги
проангиогенный фенотип
антиангиогенный фенотип
1. Кузьмин А.Г. Анти-VEGF препараты для лечения диабетической ретинопатии // Сахарный диабет. – 2009. – № 2. – С. 33–37.
2. Adams R.H., Alitalo K. Molecular regulation of angiogenesis and lymphangiogenesis // Nat Rev Mol Cell Biol. – 2007. – Vol.8. – P. 464–478.
3. Aiello L.P. Suppression of retinal neovascularization in vivo by inhibition of vascular endothelial growth-factor (VEGF) using soluble VEGF-receptor chimeric proteins // Proc Natl Acad Sci USA. – 1995. – Vol. 92. – P. 10457–10461.
4. Apte R.S. Macrophages inhibit neovascularization in a murine model of age-related macular degeneration // PLoS Med. – 2006. – Vol. 3. – P. 310–320.
5. Carmeliet P. Abnormal blood vessel development and lethality in embryos lacking a single VEGF allele // Nature. – 1996. – Vol. 380. – P. 435–439.
6. Charleswirth P.J.S., Harris A.L. Mechanism of disease: angiogenesis in urologic malignancies // Nature Clin. Pract. – 2006. – Vol. 3. – P. 157–169.
7. Das A., Friberg T. Therapy For Ocular Angiogenesis: Principles And Practice. – Lippincott Williams and Wilkins, 2011. – Р. 464.
8. Davis M. J. Macrophage M1/M2 polarization dynamically adapts to change in cytokine microenvironments in Cryptococcus neoformans // Infection. mBio. – 2013. – Vol. 4. – P. 1–10.
9. Distler J.H.W. Angiogenic and angiostatic factors in the molecular control of angiogenesis // Q J Nucl Med. – 2003. – Vol. 47. – P. 149–161.
10. Duluc D. Tumor-associated leukemia inhibitory factor and IL-6 skew monocyte differentiation into tumor-associated macrophage-like cells // Blood. – 2007. – Vol. 110. – P. 4319–4330.
11. Espinosa-Heidmann D.G., Macrophage depletion diminishes lesion size and severity in experimental choroidal neovascularization // Invest Ophthalmol Vis Sci – 2003. – Vol. 44. – P. 3586–35923.
12. Flamme I., Fr_hlich T., von Reutern M. HRF, a putative basic helix-loop-helixPAS-domain transcription factor is closely related to hypoxia-inducible factor-1 alpha and developmentally expressed in blood vessels // Mech Dev.– 1997. – Vol. 63. – Р. 51–60.
13. Folkman, J. Tumor angiogenesis: therapeutic implications // N Engl J Med. – 1971. – Vol. 385. – P. 1182–1186.
14. Hanahan D., Weinberg R.A. The hallmarks of cancer // Cell. – 2000. – Vol. 100. – P. 57–70.
15. Hansson G.K. Inflammation, atherosclerosis, and coronary artery disease // N Engl J Med. – 2005. – Vol. 352. – P.1685–1695.
16. Hao N.B. Macrophages in tumor microenvironments and the progression of tumors // Clinical and Developmental Immunology. – 2012. – P. 1–11.
17. Holmes D.I.R., Zachary I. The vascular endothelial growth factor family: angiogenic factors in health and disease // Genome Biol. – 2005. – Vol.6. – P. 1–10.
18. Karnoub A.E. Mesenchymal stem cells within tumour stroma promote breast cancer metastasis // Nature. – 2007. – Vol. 449. – P. 557–563.
19. Kelly J. Senescence regulates macrophage activation and angiogenic fate at sites of tissue injury in mice // J Clin Invest – 2007. – Vol. 117. – P. 3421–3426.
20. Mantovani A. Macrophage diversity and polarization.: in vivo veritas // Blood. – 2006. – Vol. 108(2). – P. 408–409.
21. Mantovani A. The chemokine system in diverse forms of macrophage activation and polarization // Trends Immunol. – 2004. – Vol. 25. – P. 677–686.
22. Marneros A.G. Vascular endothelial gaowth factor expression in retinal pigment epithelium is essential for choriocapillaris development and vision function // Am. J. Pathol. – 2005. – Vol. 167.– Р. 1451–1459.
23. Martinez F.O. Macrophages activation and polarization // Front Biosci. – 2008. – Vol. 1(13). – P. 453–61.
24. Mosser D.M. The many faces of macrophage activation // J Leukoc Biol – 2003. – Vol. 73. – P. 209–212.
25. Nakao S. Infiltration of COX-2-expressing macrophages is a prerequisite for IL-1beta-induced neovascularization and tumor growth // J Clin Invest – 2005. – Vol. 115. – P. 2979–2991.
26. Ogata N. Unbalanced vitreous levels of pigment epithelium-derived factor and vascular endothelial growth factor in diabetic retinopathy // Am J Ophthalmol. – 2002. – Vol. 134(3). – P. 348–353.
27. Otrock Z.K. Understanding the biology of angiogenesis:review of the most important molecular mechanisms // Blood Cells Mol Dis 2007. – Vol. 39. – P. 212–220.
28. Rafii S. Vascular and hematopoietic stem cells: novel targets for anti-angiogenesis therapy // Nat Rev Cancer. – 2002. – Vol. 2. – P. 826–835.
29. Rak J. Mutant ras oncogenes upregulate VEGF/VPF expression: implications for induction and inhibition of tumor angiogenesis // Cancer Res. – 1995. – Vol. 55. – P. 4575–4580.
30. Sakurai E. Macrophage depletion inhibits experimental choroidal neovascularization // Invest Ophthalmol Vis Sci. – 2003. – Vol. 44. – P. 3578–3585.
31. Sica A., Mantovani A. Macrophage plasticity and polarization: in vivo veritas // Citation Information: J Clin Invest. – 2012. – Vol. 122(3). – P. 787–795.
32. Simo R. Angiogenic and antiangiogenic factors in proliferative diabetic retinopathy // Curr. Diabetes Rev. – 2006. – Vol. 2(1). – P. 71–98.
33. Tammela T. The biology of vascular endothelial growth factors // Cardiovasc Res 2005. – Vol. 65. – P. 550–563.
34. Taylor P.R. Macrophage receptors and immune recognition // Annu Rev Immunol. – 2005. – Vol. 23. – P. 901–944.
35. Witmer A.N. VEGFR-3 in adult angiogenesis // J Pathol. – 2001. – Vol. 195. – P. 490–497.
36. Witmer A.N. Vascular endothelial growth factors and angiogenesis in eye disease // Prog Retin Eye Res. – 2003. – Vol. 22. – P. 1–29.
37. Wizigmann-Voos S. Up-regulation of vascular endothelial growth factor and its receptors in von Hippel-Lindau disease-associated and sporadic hemangioblastomas // Cancer Res. – 1995. – Vol. 55. – P. 1358–1364.

Вопросы ангиогенеза, возникновения и развития неоваскулярной патологии особенно актуальны в настоящее время в офтальмологии. Ряд заболеваний: диабетическая ретинопатия, влажная форма возрастной макулярной дегенерации, ретинопатия недоношенных достаточно часто встречаются в практике врача, а состояния, обусловленные неоваскуляризацией вследствие окклюзий центральных сосудов сетчатки, проходяшие через фазу неоваскуляризации в своем патогенезе и, в конечном итоге, приводяшие к слепоте, требуют конструктивных и персонализированных подходов терапии.

Рассматривая особенности неоваскуляризации сетчатки, следует отметить, что патологический ангиогенез в своем развитии проходит те же этапы, что и физиологический. Неотъемлемыми компонентами патогенеза ретинальной неоваскуляризации выступают локальная гипоксия, ишемия и ацидоз с последующими воспалением и макрофагальной инфильтрацией в очаге поражения. Показано, что гипоксия, ацидоз и воспалительная реакция стимулируют процесс ангиогенеза. Развитие гипоксии приводит к активации факторов, индуцируемых гипоксией (HIF), которые, в свою очередь, способствуют активации ангиогенных факторов [6]. Несмотря на существующие подходы и методы терапии, применяемые при аномальном ангиогенезе, необходимый эффект от проводимой терапии и улучшение прогноза пациентов достигаются не всегда, хотя методы терапии и основываются на общепринятых принципах комплексности и преемственности лечения больных. В настоящее время чрезвычайно перспективным и приоритетным направлением представляется проблема по разработке и внедрению новых персонализированных подходов терапии с учетом клеточных и молекулярных особенностей строения сетчатки и состава микроокружения ретинальных клеток.

Регуляция процессов формирования новообразованных сосудов

Регуляция процессов формирования новообразованных сосудов, с точки зрения современных представлений, осуществляется благодаря наличию системы связанных между собой стимулирующих и ингибирующих факторов. Нарушение баланса в этой системе между про- и анти-ангиогенными факторами неуклонно ведет к патологической неоваскуляризации [32].

Основные ангиогенные факторы

Ангиогенный фактор

Основные функции

Ангиопоэтин

Ang 1

Созревание сосудов, накопление перицитов

Ang 2

Прорастание и миграция ЭК только в присутствии VEGF

Ангиогенин

Пролиферация ЭК

Активатор плазминогена

PA1

Миграция ЭК

Гранулоцитарно-макрофагальный колониестимулирующий фактор

GM-CSF

Пролиферация и миграция ЭК

Интерлейкины

IL-1, IL-6, IL-8, IL-13

Пролиферация ЭК, увеличение ММР

Инсулиноподобный фактор роста

IGF-1

Пролиферация ЭК, увеличение концентрации VEGF

Матричные металлопротеиназы

ММР-1, ММР-2, ММР-9

Деградация базальной пластины, ремоделирование ЭЦМ

Сосудистый эндотелиальный кадерин

VE-cadherin

Адгезия и пролиферация ЭК

Тромбин

Увеличение PDGF, ремоделирование ЭЦМ

Трансформирующий фактор роста

TGF-α, TGF-β

Пролиферация ЭК, ремоделирование ЭЦМ

Факторы, вызванные гипоксией

HIF-1α, HIF-1β, HIF-2α

Увеличение концентрации VEGF

Фактор некроза опухоли α

TNFα

Пролиферация ЭК, формирование трубки ЭК

Фактор роста фибробластов

aFGF, bFGF

Пролиферация и миграция ЭК, ремоделирование ЭЦМ

Факторы роста эндотелия сосудов

VEGF-A, VEGF-B, VEGF-c, VEGF-D, PIGF

Увеличение проницаемости сосудов, прорастание, миграция и пролиферация ЭК

Хемокиновые лиганды (С-С линия)

CCL1 (1-309)

Хемотаксис и дифференцирование ЭК

Хемокиновые лиганды (С-Х-С линия)

CXCL6, CXCL12

Пролиферация ЭК

Эпидермальный фактор роста

EGF

Миграция и пролиферация ЭК

Эритропоэтин

EPO

Пролиферация ЭК

Эфриновые рецепторы, эфриновые лиганды

EphB4/ephrinB2

Артериальное и венозное дифференцирование

Примечание. ЭК – эндотелиальные клетки, ЭЦМ – экстрацеллюлярный матрикс.

Процесс формирования новообразованного сосуда сетчатки опосредован активацией каскадов ростовых факторов, хемокинов и протеаз и складывается из активации эндотелиальных клеток, разрушения базальной мембраны и миграции эндотелиальных клеток в экстрацеллюлярный матрикс с последующим формированием просвета нового сосуда и сосудистой стенки, перестройкой экстрацеллюлярного матрикса с формированием сосудистого ложа, что клинически представляет собой неоваскуляризацию сетчатки и стекловидного тела с исходом в швартообразование. Контроль процесса ангиогенеза строго обусловлен взаимодействиями целого ряда ангиогенных и ангиостатических факторов, баланс которых и определяет условия запуска биохимического каскада, определяющего новообразование сосудов [2]. В последние годы выделены многочисленные молекулярные индукторы ангиогенеза, к которым относятся разные формы фактора роста эндотелия сосудов (VEGF), ангиопоэтины, трансформирующий фактор роста (TGF), эпидермальный фактор роста (EGF), тромбоцитарный фактор роста (PDGF), фактор некроза опухолей-α (TNF-α), инсулиноподобный фактор роста (IGF), сосудистый эндотелиальный кадерин (VE-cadherin), интерлейкины, факторы роста фибробластов (FGF) (таблица).

Молекулярные регуляторы ангиогенеза – сосудистый эндотелиальный фактор роста

В исследованиях последних лет обнаружено множество ростовых факторов, гормонов метаболитов, которые прямо или опосредовано стимулируют процессы физиологического и патологического ангиогенеза [9; 27]. Одним из наиболее значимых молекулярных факторов контроля формирования сосудов являются протеины семейства сосудистого эндотелиального фактора роста (Vascular Endothelial Growth Factor), VEGF. Установлено, что как in vitro, так и in vivo VEGF обладает ангиогенными свойствами. VEGF, образованный ретинальными пигментными клетками, обеспечивает жизнедеятельность хориокапилляров [22], обладает нейропротективным эффектом при ишемии сетчатки [26]. Основным стимулом к повышению его экспрессии является гипоксия. В ответ на влияние гипоксии в ретинальных клетках повышается внутриклеточная концентрация HIF-1 – специфического белка, регулирующего транскрипцию генов [1; 12]. Повышение концентрации HIF-1 внутри клетки приводит к усилению транскрипции гена VEGF, который, выделяясь в межклеточный матрикс, действует непосредственно на эпителий, обеспечивая регенерацию и, стимулируя пролиферацию, образование новых сосудов [1]. Также повышение продукции VEGF отмечено при действии ряда противовоспалительных цитокинов (IL-1 и IL-6) и ростовых факторов (эпидермальный фактор роста Epidermal Growth Factor, трансформирующий фактор роста Transforming Growth Factor).

Семейство факторов роста эндотелия сосудов VEGF включает VEGF-A, VEGF-B, плацентарный фактор роста (PlGF), VEGF-C, VEGF-D, участвующие в ангиогенезе. Наиболее изученным представителем семейства факторов роста эндотелия сосудов является VEGF-A, который изначально описывали как фактор проницаемости сосудов, т.к. он увеличивает проницаемость эндотелия путем формирования интрацеллюлярных разрывов и фенестраций [17; 33]. Широко известно, что VEGF-A крайне важен в процессах ангиогенеза и васкулогенеза: потеря даже одного аллельного гена этого фактора у мышей приводит к значительным сосудистым дефектам и сердечным порокам [5].

Факторы роста эндотелия сосудов селективно связываются с пятью различными типами рецепторов: VEGFR-1, VEGFR-2, VEGFR-3, нейропилин-1 (NRP-1) и нейропилин-2 NRP-2 [17; 33; 36]. Считается, что главным рецептором, ответственным за ангиогенные эффекты VEGF-A является VEGFR-2, относящийся к группе трансмембранных тирозиновых киназ [36]. Кроме того, биологическая активность VEGF-A может быть опосредована через взаимодействие с VEGFR-1, а также с NRP-1 и NRP-2 [33]. В тоже время, роль VEGFR-1 в ангиогенезе остается спорной, так как в разных исследованиях было показано, что его активация стимулирует и угнетает ангиогенез. Тем не менее, растворимый VEGFR-1 ингибирует ретинальный ангиогенез in vivo [3]. Установлено, чтоVEGFR-3 проявляет высокую активность в прорастании эндотелиальных клеток in vivo и его индукция, как и VEGFR-2 стимулирует ангиогенез [35].

Помимо ангиогенных свойств, установлена и провоспалительная активность VEGF, выражающаяся в увеличении экспрессии хемоаттрактантов (в том числе MCP-1) и молекул клеточной адгезии (VCAM-1, ECAM-1, PECAM-1, P-selectin). В результате возникает усиление миграции и активация моноцитов и лейкоцитов, усиление их адгезии в микрососудах сетчатки, что приводит к диапедезу и инфильтрации сетчатки лейкоцитами, потере эндотелиальных клеток и нарушению проницаемости гематоретинального барьера [7].

Клеточный компонент регуляции неоангиогенеза. Роль макрофагов

Определено, что продукция VEGF опосредована значительным числом клеток – макрофагами, кератиноцитами, фибробластами, гепатоцитами, эпителиальными, тучными клетками, мезангиальными, эндотелиальными и другими. Помимо указанных ангиогенных свойств и провоспалительной активности, VEGF также способен выступать в качестве хемоаттрактанта для одних из основных клеток системы врожденного иммунитета – макрофагов. Сегодня особый интерес вызывает клеточный компонент регуляции неоангиогенеза и его значимость в ангиогенезе, так как известно, что активность макрофагов играет существенную роль в ангиогенезе, блокируя [4; 15; 19; 25; 34] или стимулируя [11; 30] формирование сосудов в зависимости от своего фенотипа (М1 или М2) [24].

Исследования последних лет показали, что приобретение макрофагами того или иного функционального фенотипа, т.е. поляризация данных клеток, существенным образом опосредована клеточным микроокружением и, в значительной степени, цитокинами. Недавно было установлено, что in vitro макрофаги способны к полной реполяризации, т.е. изменению функционального и секреторного фенотипа из M2 в M1, и обратному изменению в ответ на колебания в цитокиновом микроокружении [8]. Это изменение поляризации протекает стремительно и возникает на уровне экспрессии генов, белка, метаболитов и микробной активности. Это особенно важно, так как поляризация макрофагов играет существенную роль в определении конечной эффекторной функции этих клеток [24]. Макрофаги, стимулированные в присутствии ИФН-γ, ЛПС или GM-CSF продуцируют высокие уровни таких цитокинов, как IL-12, IL-23, IL-6, TNF-α и iNOS2, при этом уровень продукции IL-10, TGF-β и аргиназы 1 (Arg-1) снижен. Таким образом, это определяет формирование классически активированного, анти-ангиогенного макрофага фенотипа М1, что также важно для контроля антибактериальной функции и участия в процессе воспаления. В присутствии IL-10, IL-4, или интерлейкина-13, активация макрофагов происходит по альтернативному пути, что приводит к поляризации клеток в сторону про-ангиогенного М2 фенотипа, характеризующегося высоким уровнем продукции IL-10, TGF-β и Arg-1 при существенном снижении уровней провоспалительных цитокинов, таких как IL-6 и TNF-α. Данный факт особенно значим, поскольку экспериментальные данные показывают, что старение у мышей приводит к смещению популяции макрофагов в сторону про-ангиогенного фенотипа [19]. Несмотря на то, что принятое сегодня условное деление макрофагов на две отдельных М1 и М2 популяции может быть достаточно условным, установлено, что спектр макрофагов четко определяет ангиогенные функции данных клеток и их участие в процессе неоваскуляризации.

С точки зрения участия в процессе неоваскуляризации сетчатки, особый интерес представляют именно макрофаги М2 фенотипа, регулирующие активность воспалительной реакции, способствующие ремоделированию и репарации тканей, поврежденных при воспалении, ангиогенезу и опухолевому росту [21; 23]. В настоящее время в литературе условно выделяют несколько подтипов М2 фенотипа макрофагов: M2a, M2b, M2c и М2d в зависимости от профилей экспрессии генов [20]. Формированию подтипа M2a способствуют IL-4 или IL-13 (обычно IL-4R-alpha, CD124). В формировании подтипа M2b играют существенную роль IL-1Rлиганды или воздействия иммунных комплексов в сочетании с действием липополисахарида (ЛПС). В образовании подтипа M2c принимают участие IL-10, TGF-beta и глюкокортикостероиды [16]. Четвертый подтип М2 макрофагов M2d характеризуется высоким уровнем продукции IL-10 при снижении продукции IL-12 (профиль продукции IL-10high IL-12low) с некоторыми характеристиками, свойственными опухоле-ассоциированным макрофагам (TAM). Макрофаги M2d фенотипа обладают фенотипическими и функциональными атрибутами, подобными TAM яичников, но отличаются от M2a-c [10]. Подтипы M2 макрофагов, как правило, демонстрируют IL-2low, IL-23low, IL-10high фенотип, сочетающийся с высокими уровнями фагоцитарных скэвенджер-рецепторов, маннозных и галактозных рецепторов. Они переориентируют метаболизм аргинина на орнитин и полиамин, что обеспечивает их рост. Кроме того, данные подтипы являются IL-1-RAhigh, рецептор второго типа IL-1Rhigh, IL-1betalow, каспаза 1low.

Особое внимание в последнее время уделяется изучению и специфического типа макрофагов – опухолеассоциированных макрофагов (Tumor Associated Macrophage, ТАМ) и их роли в содействии ангиогенезу. Показано, что ТАМ опосредует некоторые свои эффекты на рост опухоли за счет регуляции ангиогенеза [31]. ТАМ привлекаются опухолью с помощью ряда различных цитокинов, таких как CCL2 и CSF-1/M-CSF [31] в ряде различных тканей, включая кости, головной мозг, молочные железы, шейку матки, толстую кишку, легкие. Известно, что макрофаги способствуют ангиогенезу частично за счет секреции VEGF, наряду с протеазами, такими как матриксные металлопротеиназы (ММР) [31].

Традиционно считалось, что основным источником медиаторов ангиогенеза являются опухолевые клетки [13]. Действительно, проведенные исследования показали, что злокачественные клетки могут продуцировать многочисленные ангиогенные факторы, включая фактор роста эндотелия сосудов A (VEGF-A), ангиопоэтины, фактор роста гепатоцитов (HGF) и основной фактор роста фибробластов (bFGF), и различные мутации онкогенов или генов супрессоров опухолей могут привести к увеличенному образованию по меньшей мере некоторых из этих факторов [29; 37].

Заключение

Таким образом, учитывая взаимное влияние молекулярного микроокружения на клеточные регуляторы процесса ангиогенеза и последующую секрецию ангиогенных факторов, несомненна значимость модулирующего действия иммунной системы [14; 18; 28], выражающаяся, прежде всего, в изменении функциональной активности и поляризации ретинальных макрофагов. В свою очередь, понимание процессов поляризации макрофагов при патологических состояниях, связанных с неоваскуляризацией, позволит предложить и разработать новые методы лечения и профилактики развития как ретинальной неоваскуляризации, так и избыточного опухолевого ангиогенеза. Направленное изменение фенотипа (репрограммирование) ретинальных макрофагов может создать основу для инновационного персонализированного терапевтического подхода, позволяющего достичь необходимого антиангиогенного эффекта и заблокировать формирование нежелательной неоваскуляризации сетчатки, что позволит предотвратить развитие пролиферативных заболеваний сетчатки и их наиболее грозных осложнений – слепоты и слабовидения.

Работа выполнена в рамках гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых № 14.120.14.2976-МК от 03.02.2014 г.


Библиографическая ссылка

Лямина С.В., Комова О.Ю., Гаврилова Н.А., Малышев И.Ю. КЛЕТОЧНЫЕ И МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ПАТОГЕНЕЗА НЕОВАСКУЛЯРИЗАЦИИ СЕТЧАТКИ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2015. – № 9-2. – С. 288-292;
URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=7311 (дата обращения: 19.09.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074