Abstract
Knochen bietet eine nährende Mikroumgebung für eine Reihe von Zelltypen, die wichtige physiologische Funktionen des Skeletts koordinieren, wie Energiestoffwechsel, Mineralhomöostase, Osteogenese und Hämatopoese. Endothelzellen bilden ein kompliziertes Netz von Blutgefäßen, das die verschiedenen Mikroumgebungen im Knochen organisiert und aufrechterhält. Die kürzlich festgestellte Heterogenität der Knochengefäße spricht für die Existenz mehrerer vaskulärer Nischen innerhalb des Knochenmarkkompartiments. Eine einzigartige Kombination von Zellen und Faktoren, die eine bestimmte Mikroumgebung definieren, liefern regulatorische Signale, um eine bestimmte Funktion zu vermitteln. In dieser Übersicht werden die jüngsten Entwicklungen in unserem Verständnis der vaskulären Nischen im Knochen erörtert, die eine entscheidende Rolle bei der Regulierung des Verhaltens multipotenter hämatopoetischer und mesenchymaler Stammzellen während der Entwicklung und Homöostase spielen.
1. Einleitung
Die jüngsten Fortschritte in der Gefäßbiologie haben unser Verständnis und Wissen über Blutgefäße und ihre Eigenschaften unter verschiedenen physiologischen und pathologischen Bedingungen erweitert. Blutgefäße dienen nicht nur als Transportsystem, sondern spielen auch eine wichtige Rolle bei der Organentwicklung, Gewebemorphogenese, Entzündung, Barrierebildung und Wundheilung. Die aktive Beteiligung der Blutgefäße an der Entstehung einer Reihe von Krankheiten legt zudem nahe, dass ein grundlegendes Verständnis dieser vielseitigen Transportnetze im Körper erforderlich ist. Blutgefäße sind ein integraler Bestandteil des Skelettsystems und spielen eine Vielzahl von Rollen bei der Aufrechterhaltung der Knochenhomöostase. Die Bedeutung der Blutgefäße im Knochen wurde zunächst von Chirurgen bei der Reparatur und Heilung von Knochenbrüchen erkannt. Die wesentliche Rolle des Knochengefäßsystems bei der Entwicklung des Skeletts und der Heilung von Knochenbrüchen wurde intensiv erforscht. Darüber hinaus müssen die zellspezifischen Beiträge zu den pleiotropen Funktionen des Knochens wie der Regulierung des Ganzkörperstoffwechsels, der Gehirnfunktionen und der Mineralhomöostase noch verstanden werden.
Es wird berichtet, dass Blutgefäße im Knochen hämatopoetischen Stammzellen (HSC) und mesenchymalen Stammzellen (MSC) eine nährende Mikroumgebung bieten. Die verschiedenen Mikroumgebungen im Knochen müssen noch gut charakterisiert werden, um ihre Funktion während Entwicklung, Wachstum und Krankheit zu verstehen. Jüngste technische Fortschritte in der Knochenbildgebung haben unser grundlegendes Wissen über die Blutgefäße des Skeletts erheblich verbessert. Diese Übersicht soll einen Überblick über die jüngsten Entwicklungen und das gegenwärtige Verständnis des Knochengefäßsystems und seiner Mikroumgebung geben.
2. Struktur und Charakterisierung der Blutgefäße im Skelettsystem
2.1. Skelettdurchblutung
Der Knochen verfügt über ein ausgedehntes Netz von Blutgefäßen (Abbildung 1), die fast 10-15 % der Herzleistung in Ruhe verbrauchen. Die räumliche Anordnung der Blutgefäße ermöglicht eine effiziente und optimale Zufuhr von Sauerstoff und Nährstoffen an verschiedene Stellen im Knochenmarkskompartiment. Unabhängig von der Art des Knochens erfolgt die Hauptdurchblutung des Knochens über Arterien, die in die Kortikalis eindringen, sich mit den medullären Sinusoiden verbinden und schließlich den Knochen über Venen verlassen. Form und Art des Skeletts können sich jedoch möglicherweise auf die Anordnung des Kapillarnetzes zwischen Arterien und Venen auswirken. Typische Röhrenknochen wie der Oberschenkelknochen und das Schienbein werden von mehreren Arterien und Arteriolen versorgt, die nach ihrem Versorgungsgebiet unterschieden werden. Die zentrale Arterie, die auch als Nährstoffarterie bezeichnet wird, tritt durch ein Foramen in den Knochen ein und verzweigt sich in eine Reihe kleinerer Arterien und Arteriolen, um die maximalen Regionen des erwachsenen Knochens zu versorgen. Sie hält einen hohen Blutdruck aufrecht, um weit entfernte Stellen zu erreichen, und mündet in der Regel in Kapillaren, die in der Metaphyse und im Endosteum liegen. Es gibt eine zentrale große Vene, die das Blut aus den Kapillaren in den verschiedenen Regionen aufnimmt und desoxygeniertes Blut und Nährstoffabfälle aus dem Knochen ableitet. Die periostalen Arterien versorgen die Außenfläche des Knochens und sind über die Volkmannschen Arterien mit den Havers’schen Arterien in der Kortikalis verbunden. Die Havers’schen Arterien verlaufen parallel zur Längsachse des langen Knochens in der Kortikalis, während die kürzeren Volkmann’schen Arterien senkrecht zur Achse des langen Knochens verlaufen. Die Havers’schen Arterien münden schließlich in metaphysäre Kapillaren, die das Blut in die Markhöhle leiten. Im Gegensatz dazu hat die Blutversorgung durch die epiphysären Arterien keinen Weg, um in die Markregion der langen Knochen zu gelangen, so dass ein separater Blutkreislauf in der Epiphysenregion erhalten bleibt. Die epiphysären Arterien treten in den Knochen über ein dichtes Netz periartikulärer Gefäßgeflechte ein, die sich in der Nähe der Enden der langen Knochen befinden. Die Venen, die das epiphysäre Blut ableiten, sind im Vergleich zu den Venen in der Markhöhle relativ klein (Abbildung 1).
(a)
(b)
(c)
(a)
(b)
(c)
2.2. Heterogenität der Blutgefäße
Die Divergenz in der arteriellen Blutversorgung sieht das Vorhandensein mehrerer Venen und Kapillarsubtypen im Knochen vor. Die Vielfalt innerhalb dieser Blutgefäße wurde jedoch bis vor kurzem nicht richtig eingeschätzt. Gegitterte oder sinusförmige Kapillaren bilden die Mehrheit der Blutgefäße in der Skelettvaskulatur. Dabei handelt es sich um stark verzweigte Netzwerke von Blutgefäßen, die in der Markhöhle der Knochen vorkommen. Sinusoidale Endothelzellen exprimieren den vaskulären endothelialen Wachstumsfaktor-Rezeptor-3 (VEGFR3), während das Endothel der Knochenarterien negativ für Vegfr3 ist. Vaskuläre Strukturen im Knochen können als Laminin+/lowSca-1-/low-Sinusoide, Sca-1+Laminin+ endosteale Gefäße und Sca-1+Laminin+ zentrale Arterien abgegrenzt werden. Die Untersuchung der Blutgefäße während der postnatalen Entwicklung führte zur Identifizierung eines neuen Blutgefäß-Subtyps, des Typs H, der in aktiv wachsenden Knochenregionen vorkommt. Sie werden als Typ H bezeichnet, da sie hohe Mengen an Blutgefäßmarkern, Endomucin (Emcn) und CD31 (Pecam1) exprimieren, im Vergleich zu sinusoidalen Gefäßen, die niedrige Mengen dieser Marker exprimieren und daher als Typ L bezeichnet werden.
In einem aktiv wachsenden Knochen sind Gefäße des Typs H in der Metaphyse und in den Endosteumbereichen vorhanden, während Gefäße des Typs L in der gesamten Markregion vorherrschen. Typ-H-Kapillaren sind linear strukturierte, säulenförmig angeordnete Blutgefäße im Vergleich zu einem verzweigten Netzwerk von Typ-L-Kapillaren. Die vorderen Fronten der Typ-H-Gefäße, die die Angiogenese im Knochen vermitteln, enthalten wulstförmige lumenisierte Strukturen. Die funktionelle Bedeutung dieser einzigartigen Strukturen an der Gefäßfront ist jedoch nach wie vor unbekannt. Arterien und Arteriolen exprimieren Ephrin B2 (Efnb2) und sind negativ für die Emcn-Expression. Es wird angenommen, dass eine Subpopulation von Endothelzellen innerhalb des Typ-H-Endothels, die sowohl Efnb2 als auch Emcn exprimieren, arterioläre Blutgefäße bildet (Efnb2+, Emcn-). Diese Unterfraktion der Blutgefäße vom Typ H weist die Expression anderer arterieller Marker wie Sox17 und Neuropilin-1 auf. Arterien sind von α-Smooth Muscle Actin+ (αSMA+) Mesenchymzellen fest umhüllt, während kleinere Arteriolen αSMA- und PDGFRβ+ (platelet-derived growth factor receptor beta+) perivaskuläre Zellen aufweisen. Verschiedene Arten von mesenchymalen Zellen des Knochens und ihre Verbindung zu den Subtypen der Blutgefäße werden später in dieser Übersicht besprochen. Das Knochengefäßsystem ist also heterogen und einzigartig und muss eingehend untersucht werden, um gewebespezifische Gefäßmodifikationen und spezialisierte Funktionen zu verstehen.
3. Blutfluss und Sauerstoffversorgung im Knochen
Die räumliche Anordnung der Blutgefäße ist kompliziert und in jedem Gewebe einzigartig, um das gesamte Gewebe oder Organ mit Sauerstoff und Nährstoffen zu versorgen. Die Organisation verschiedener Blutgefäß-Subtypen in langen Knochen weist auf ein besonderes Blutflussmuster hin. Die Blutgeschwindigkeit ist in den Typ-H-Gefäßen höher als in den Typ-L-Gefäßen. Wenn das Blut aus den Kapillaren des Typs H nach unten fließt, nimmt die Blutgeschwindigkeit mit jeder Gefäßverzweigung in der Metaphyse ab und erreicht in der Diaphyse die für die Kapillaren des Typs L charakteristische niedrige Geschwindigkeit. Häufige Verzweigungen und Zusammenschlüsse von Gefäßnetzwerken in der Diaphyse sorgen für eine niedrige Blutgeschwindigkeit in den diaphysären Kapillaren.
3.1. Sauerstoffstatus in der vaskulären Mikroumgebung des Knochens
Das eigentümliche Blutflussmuster im Knochen stimmt mit dem Sauerstoffstatus der Mikroumgebung des Knochens überein. Die Messung der lokalen Sauerstoffspannung (pO2) bei lebenden Mäusen zeigte, dass der pO2-Wert in der endostealen Knochenregion höher ist als in den tieferen sinusoidalen Regionen. Die endostealen Regionen sind durch Kapillaren und Arteriolen vom Typ H vaskularisiert, während die sinusoidalen Regionen durch Gefäße vom Typ L durchzogen sind. Es hat sich auch gezeigt, dass eine geringe Gefäßpermeabilität in arteriellen und Typ-H-Gefäßen im Vergleich zu gefensterten, hochpermeablen Sinusoiden für eine geringe Anzahl reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) in der Mikroumgebung sorgt. Die Analyse von HSZ in Hoechst-perfundierten Mäusen zeigte, dass die Lokalisierung von Langzeit-HSZ (LT-HSZ) auf die am wenigsten durchbluteten Regionen im BM beschränkt ist. Die sauerstoffarme oder hypoxische Mikroumgebung unterstützt die Erhaltung der HSZ und schützt sie vor Schäden durch Sauerstoffstress. Die Hypoxie-abhängige Stabilisierung des Hypoxie-induzierbaren Faktors (HIF) ist für den kanonischen HIF-vermittelten Signalweg wesentlich, der in Blutgefäßen, mesenchymalen Zellen und hämatopoetischen Zellen in der BM-Mikroumgebung unterschiedliche Rollen spielt.
Die Hypoxie- und HIF-1α-vermittelte Regulierung des Wachstums und Überlebens von Chondrozyten ist für die Chondrogenese und die Entwicklung der Wachstumsplatte wesentlich. Ein wichtiges nachgeschaltetes Ziel von HIF-1α ist VEGF, ein grundlegender Faktor, der für die Blutgefäßbildung unter physiologischen und pathologischen Bedingungen erforderlich ist. VEGF spielt eine pleiotrope Rolle bei der Regulierung verschiedener Prozesse während der Knochenentwicklung, des Wachstums und der Reparatur. Genetische Studien an Chondrozyten haben gezeigt, dass VEGF nicht nur die Chondrogenese reguliert, sondern auch wesentliche Funktionen bei der Angiogenese und Knochenbildung hat. Die Hypoxie-vermittelte Regulierung von HIF steuert also die VEGF-Konzentration, um das Wachstum der Blutgefäße und die Osteogenese im Knochen zu verbinden. Die Stabilisierung von HIF in Osteoprogenitoren führt zu einer Ausdehnung der HSC-Nische und zur Förderung der Erythropoietinproduktion im Knochen. HSZ nutzen die HIF-Signalübertragung auch, um ihren Zellzyklus und ihren Ruhezustand im Knochenmark genau zu regulieren.
Genetische und pharmakologische Manipulationen des Blutflusses in sich entwickelnden Zebrafischen beeinträchtigen die Stickstoffmonoxid-Synthase-Signalübertragung in primitiven HSZ, was zu einer fehlerhaften HSZ-Entwicklung führt. Der Blutfluss spielt auch eine wichtige Rolle bei der Mobilisierung blutbildender Zellen aus den Knochen zu verschiedenen Organen und Geweben. Bei Mäusen fördern sinusoidale Gefäße mit hoher Durchlässigkeit die Migration und Differenzierung von HSZ. Eine mit dem Alter abnehmende Anzahl von Typ-H-Gefäßen und Arteriolen in den Knochen führt zu einer verminderten Durchblutung des Skeletts und der Funktion der HSZ. Darüber hinaus führt eine Beeinflussung des Blutflusses im Knochen zu einer gestörten Angiogenese und Knochenbildung, was darauf hindeutet, dass der Blutfluss eine mögliche Ursache für den altersbedingten Knochenverlust ist. Diese zwingenden Beweise sprechen für die Bedeutung des Blutflusses bei der Aufrechterhaltung der skelettalen Homöostase durch die Regulierung der Knochenbildung und der Hämatopoese.
3.2. Klinische Bedeutung des Blutflusses im Skelett
Trotz der Unterschiede in den Knochenstrukturen waren Studien an Nagetiermodellen für die Entwicklung therapeutischer Strategien zur Bekämpfung menschlicher Knochenerkrankungen von Nutzen. Das grundlegende Verständnis der Blutgefäße und des Blutflusses im Skelettsystem beruht hauptsächlich auf Erkenntnissen aus Nagetiermodellen. Nagetiere zeigen einen altersbedingten Knochenabbau, der dem des Menschen ähnelt. Bemerkenswerterweise entspricht die bei Mäusen festgestellte Abnahme der arteriellen Knochenkapillaren mit zunehmendem Alter der altersbedingten Abnahme des arteriellen Blutflusses im Oberschenkelbereich beim Menschen. Der jüngste Nachweis verringerter Typ-H-Gefäße bei gealterten und osteoporotischen Menschen unterstreicht die Bedeutung der Untersuchung von Skelettblutgefäßen bei Nagetieren.
Immer mehr klinische Beweise weisen auf die Bedeutung des Blutflusses für die Aufrechterhaltung der Homöostase des Skelettsystems hin. In den Knochen älterer Frauen mit Osteoporose wurde eine verminderte Blutversorgung gemessen. Eine Beeinträchtigung der Blutzufuhr zum Knochen führt zum Absterben von Knochenzellen und damit zur Entwicklung einer Osteonekrose. Eine vergleichende Studie bei Patienten mit einseitiger arterieller Verschlusskrankheit zeigte die schädliche Wirkung einer mangelhaften Durchblutung auf die Knochenmineralisierung. Durchblutungsstörungen im subchondralen Bereich wurden als möglicher Mechanismus für die Entstehung von Osteoarthritis identifiziert. Systemische Erkrankungen wie Diabetes, chronisch obstruktive Lungenerkrankungen und Bluthochdruck, die die Gefäßdurchblutung beeinträchtigen, werden mit Knochendefekten in Verbindung gebracht. Darüber hinaus ist die Blutzufuhr von entscheidender Bedeutung für die Einleitung der Kallusbildung bei der Heilung und Reparatur von Knochenbrüchen. Eine mangelhafte Blutgefäßbildung wird an Frakturstellen beobachtet, die eine verzögerte Heilung und Regeneration aufweisen. Nutzungsbedingte Osteopenie, wie z. B. Bettruhe und Entlastung der Hintergliedmaßen, wurde ebenfalls mit Veränderungen der Blutversorgung des Knochens in Verbindung gebracht. Trotz der klinischen Daten, die die experimentellen Ergebnisse unterstützen, sind weitere Forschungen erforderlich, um die molekularen Mechanismen zu verstehen, die an der Entstehung dieser klinischen Zustände beteiligt sind.
4. Die vaskuläre Mikroumgebung für mesenchymale Zellen
4.1. Arten von mesenchymalen Stamm- und Vorläuferzellen, die das Stroma des Knochenmarks bilden
Mesenchymale Zellen, die die Mehrheit der Stromazellenpopulation des Knochenmarks ausmachen, bilden eine wichtige Komponente der Mikroumgebung des Knochenmarks. Multipotente mesenchymale Stamm- und Vorläuferzellen (MSPCs) können verschiedene Arten von mesenchymalen Stromazellen des Knochenmarks erzeugen, darunter Osteoblasten, Chondrozyten, Adipozyten und retikuläre Zellen. Das Verständnis der hierarchischen Beziehung zwischen den Stromazellen des Knochenmarks ist immer noch ein intensives Forschungsgebiet. Obwohl der perivaskuläre Ursprung von MSPCs in verschiedenen Organen vermutet wurde, wurden im sich entwickelnden Knochenmark verschiedene Wellen von Stromazellen identifiziert. Genetische Techniken der Abstammungsanalyse haben wichtige Erkenntnisse zum Verständnis der Heterogenität von mesenchymalen Zellen im Knochenmark geliefert. Nestin-GFP+-Zellen umhüllen Endothelzellen (ECs), die Arterien und Kapillaren vom Typ H bilden. Es wurde festgestellt, dass perivaskuläre Nestin-GFP+-Zellen frühe MSPC markieren, die Knochenmarkstroma und Zellen der Knochenlinie bilden können. Ebenso besitzen osterix+ neonatale mesenchymale Zellen das Potenzial, Zellen der Knochenabstammung, Chondrozyten, Adipozyten und BM-Stroma zu bilden. Im Gegensatz dazu zeigen osterix+ embryonale und adulte mesenchymale Zellen ein begrenztes Potenzial. Bemerkenswerterweise sind sowohl osterix+ als auch Nestin-GFP+ Zellen in der Nähe von Typ-H-Kapillaren vorhanden, während sie um perisinusoidale Typ-L-Kapillaren fehlen. Perisinusoidale Stromazellen, die den Leptinrezeptor (LepR) exprimieren, könnten, wenn sie früh in der Entwicklung markiert werden, zu den Zellen der Knochenlinie beitragen. Bemerkenswerterweise fördert die LepR-Expression in adulten mesenchymalen Zellen ihr adipogenes Potenzial und hemmt das osteogene Zellschicksal. LepR+-Zellen tragen zu C-X-C-Motiv-Chemokin-Ligand 12 (Cxcl12) exprimierenden Zellen im Knochenmark bei. Cxcl12-exprimierende Nestin-negative mesenchymale Zellen bilden die Mikroumgebung für die HSZ. Daher wird es interessant sein, ein induzierbares (-CreER) System zu verwenden, um den stadienspezifischen Beitrag von LepR+-Zellen im BM-Stroma zu verstehen.
Im Gegensatz zu perivaskulären MSPCs wurden auch Zellen nicht-perivaskulären Ursprungs identifiziert, die zu Knochenabstammungszellen und BM-Stroma beitragen. Bei der Abstammungsanalyse von Zellen chondrogenen Ursprungs mit dem Col2-CreER-System wurde nachgewiesen, dass sie das Potenzial haben, Knochenabstammungszellen und retikuläre Stromazellen mit hohem Cxcl12-Gehalt zu bilden. In ähnlicher Weise bestätigte das Lineage-Tracing mit anderen chondrogenen Systemen wie Sox9- und Aggrecan-CreER das Potenzial der Zellen, mehrere Zellen der mesenchymalen Linie zu bilden. Die Identifizierung von Gremlin1 als Marker für Zellen mit osteochondroretischem Potenzial deutet auf die mögliche Existenz verschiedener Progenitor-Subtypen innerhalb des MSPC-Pools hin. Klonal expandierende Gremlin1+-Zellen wurden in der Wachstumsplatte und in der Metaphysenregion identifiziert, und ihnen fehlt das Potenzial zur Adipozytendifferenzierung. Diese Studien zeigen die Heterogenität der MSPCs und die Notwendigkeit, die Subtypen innerhalb der Population zu verstehen, um ihre hierarchische Beziehung zu identifizieren.
4.2. Lokalisierung von mesenchymalen Stromazellen in der vaskulären Nische
Die Lokalisierung von MSPCs deutet darauf hin, dass mehrere Regionen innerhalb der Mikroumgebung des Knochenmarks MSPCs unterstützen und Nischen für sie bieten können. Col2+, Sox9+ und Aggrecan+ Zellen befinden sich in der Wachstumsplatte, die eine avaskuläre Region ist. Gremlin1+-Zellen sind sowohl in der Wachstumsplatte als auch in der Metaphyse zu finden. Nestin-GFP+-Zellen befinden sich um die Arterien und in der Metaphyse. PDGFRβ+ Mesenchymzellen zeigen ein ähnliches Verteilungsmuster wie Nestin-GFP+ Zellen. Die Mehrheit der osterix+ Zellen befindet sich um die Typ-H-Gefäße in der Metaphyse. LepR+ und Cxcl12+ Zellen sind überwiegend um Gefäße vom Typ L (perisinusoidal) lokalisiert. Chondrozyten befinden sich in der avaskulären Zone, typischerweise in der Wachstumsplatte oder Epiphyse des Knochens. Osteogene Vorläuferzellen sind spezifisch um Typ-H-Gefäße in der Metaphyse und im Endosteum angesiedelt. Fettzellen oder Adipozyten sind bevorzugt im perisinusoidalen Raum der Diaphyse vorhanden. Retikuläre Zellen sind auch um Typ-L-Gefäße in der perisinusoidalen Region lokalisiert. Vaskuläre glatte Muskelzellen sind αSMA+ periarterielle Zellen, die die Arterien in der Mikroumgebung des Knochenmarks eng umhüllen. Subpopulationen heterogener mesenchymaler Stromazellen des Knochenmarks lokalisieren sich also bevorzugt um bestimmte Blutgefäßsubtypen, was auf die Existenz spezialisierter vaskulärer Mikroumgebungen hinweist (Abbildung 2).
Es gibt Hinweise auf die zentrale Rolle der Blutgefäße bei der Unterstützung der lokalen Mikroumgebung. Eine hohe Expression von pro-osteogenen Faktoren in Typ-H-Gefäßen schafft die für Osteoprogenitoren erforderliche Mikroumgebung. Die Förderung von Typ-H-Kapillaren im Knochen führt zu einer erhöhten Anzahl von Osteoprogenitoren. In ähnlicher Weise bindet der aus Blutplättchen gewonnene Wachstumsfaktor B (PDGF-B), der vom Endothel freigesetzt wird, an den PDGF-Rezeptor, der auf mesenchymalen Zellen vorhanden ist, um wachstumsvermittelte Signalwege zu aktivieren. Eine Überexpression von PDGF-B im Knochenendothel führt zu einer Zunahme von PDGFRβ+ perivaskulären mesenchymalen Zellen im Knochenmark. Mesenchymale Zellen setzen auch angiogene Faktoren wie VEGF, Angiopoietin, FGF und BMP frei, um eine wechselseitige Beziehung bei der Regulierung einer spezifischen Mikroumgebung im Knochenmark aufrechtzuerhalten.
5. Blutgefäße in der Mikroumgebung von hämatopoetischen Stammzellen (HSC)
5.1. Knochenendothelzellen bei der Aufrechterhaltung der HSZ
Eine starke Interdependenz von ECs und HSZs wurde sowohl während der primitiven als auch der definitiven Hämatopoese nachgewiesen. Die Bedeutung des Blutgefäßsystems wurde zunächst nur für die Thrombopoese, die Mobilisierung der Stammzellen und die Homing-Phase erkannt. Die Identifizierung des Vorkommens von Langzeit-HSZ in der Nähe von Blutgefäßen weckte ein immenses Interesse an der Erforschung der vaskulären Nische des Knochenmarks. Es wurde festgestellt, dass kultivierte ECs aus nicht-hämatopoetischen Organen wie Herz und Leber HSCs in vitro aufrechterhalten können, während ECs aus Nieren dieses Potenzial nicht besitzen. Später deutete die Identifizierung gewebespezifischer molekularer Signale in ECs darauf hin, dass das Endothel des Knochenmarks im Vergleich zu ECs aus anderen Organen ein einzigartiges Potenzial zur Unterstützung von HSCs und der Hämatopoese besitzt.
Die endothelspezifische Deletion von Glykoprotein 130 (gp130), einer Untereinheit von Rezeptoren, die die IL-6-Chemokinfamilie binden, führte zu hypozellulärem Knochenmark und einer reduzierten Anzahl von HSCs. Die Regeneration von Sinusoidal ECs nach Bestrahlung wurde durch die Hemmung der VEGFR2-Signalübertragung mit einem blockierenden Antikörper stark beeinträchtigt. Es wurde vermutet, dass E-Selektin ausschließlich im Knochenmarksendothel exprimiert wird, und die Deletion dieses Gens erhöht die Ruhe der HSZ und die Bestrahlungsresistenz. Zusätzlich zum direkten Zellkontakt wurde gezeigt, dass die ECs lösliche Faktoren, so genannte angiokrine Faktoren, freisetzen, um die Mikroumgebung der HSZ zu regulieren. Cxcl12 und der Stammzellfaktor (Scf) sind wichtige und weithin untersuchte angiokrine Faktoren von BM ECs, die an der Regulierung der HSC-Homöostase beteiligt sind. Die endothelzellspezifische Deletion von Scf führte zu einer verminderten Anzahl von HSZ mit reduziertem Repopulationspotenzial nach einer BM-Transplantation. In einer ähnlichen Studie führte die Deletion von Cxcl12 in ECs zu einer Verarmung der HSZ und ihrer langfristigen Repopulationsaktivität. In einer neueren Studie führte die Aktivierung der Notch-Signalgebung in ECs zur Expansion sowohl der zellulären als auch der angiokrinen Komponenten der Mikroumgebung der HSZ. Die endotheliale Notch-Signalgebung förderte die Bildung neuer Typ-H-Kapillaren, kleiner Arteriolen, PDGFRβ+ perivaskulärer mesenchymaler Zellen und zellulärer Scf-Spiegel.
5.2. Arterioläre Mikroumgebungen für Langzeit-HSZ
Arterioläre Mikroumgebungen, bestehend aus arteriellen ECs und umgebenden NG2+ mesenchymalen Zellen, halten HSZ nachweislich in einem Ruhezustand. In ähnlicher Weise wurde gezeigt, dass sinusoidale Blutgefäße und die sie umgebenden LepR+ Mesenchymzellen ebenfalls Mikroumgebungen zur Aufrechterhaltung der HSZ-Population bieten. In einer anderen Studie wurde gezeigt, dass sich α-Catulin GFP+ c-Kit+ HSZ in der zentralen Knochenmarkregion ansiedeln, die aus einer sinusoidalen Mikroumgebung besteht, die von sinusoidalen Blutgefäßen und LepR+ Mesenchymzellen gebildet wird. Außerdem wird eine einzige perisinusoidale Mikroumgebung sowohl für ruhende als auch für sich teilende HSCs vorgeschlagen. Es hat sich gezeigt, dass arterielle Blutgefäße mit geringerer Permeabilität die HSZ in einem niedrigen ROS aufrechterhalten, während die hochpermeablen Sinusoide am Zelltransport und der Homing-Funktion beteiligt sind. Die durch Endothel-Notch-Signale vermittelte Vergrößerung der arteriolären Blutgefäße führt zu einer Erweiterung der HSZ-Nischen, die in jungen Mäusen zu einer erhöhten Anzahl von HSZ und deren Funktion führen. Kürzlich wurde die Expression von Hoxb5 im Knochenmark identifiziert, um die Population der LT-HSCs abzugrenzen. Die räumliche Lokalisierung von Hoxb5+ HSZ zeigt, dass sie direkt an VE-Cadherin+ ECs gebunden sind, was auf ihre enge Verbindung mit den Blutgefäßen in der Mikroumgebung des Knochenmarks hinweist. Die Studie liefert keine weiteren Details über die vaskuläre Mikroumgebung in der Nähe von Hoxb5+ HSZs. Es wird interessant sein, die Lokalisierung von Hoxb5+ HSCs im Kontext mehrerer vaskulärer Kompartimente in der Mikroumgebung des Knochenmarks zu verstehen.
6. Abschließende Bemerkungen
Trotz des zunehmenden Interesses an der Knochenvaskulatur und der Tatsache, dass eine Manipulation der Blutgefäße die Mikroumgebung des Knochenmarks regulieren könnte, ist unser Wissen über heterogene vaskuläre Nischen und endotheliale Regulationsfaktoren begrenzt, um einen Einblick in die gefäßvermittelte Organisation der Mikroumgebung des Knochenmarks zu erhalten. Tabelle 1 gibt einen Überblick über wichtige Faktoren, die in Knochenendothelzellen untersucht wurden, und ihre spezifischen Funktionen. Es wird immer deutlicher, dass die Knochenvaskulatur hochkomplex ist, heterogen aus verschiedenen Blutgefäßtypen besteht und mit spezialisierten Funktionen ausgestattet ist, die die Knochenbildung, Hämatopoese und Knochenregeneration steuern. Die ECs, die diese heterogenen Blutgefäße bilden, tragen zusammen mit den von ihnen freigesetzten angiokrinen Faktoren und den sie unterstützenden umgebenden Zelltypen zur Bildung einer vielfältigen Mikroumgebung im Knochenmark bei. Darüber hinaus reguliert der lokale Sauerstoffstatus, der durch die Organisation der Kapillaren und der Mikrozirkulation entsteht, das Verhalten und die Funktionen der Mikroumgebung. Die Beteiligung mehrerer Faktoren und Zelltypen deutet auf das Vorhandensein disziplinierter Regelungsmechanismen zur Kontrolle der Integrität lokaler Nischen hin. Die Untersuchung der zellulären und molekularen Komponenten dieser lokalen Mikroumgebungen wird unser Verständnis von klinisch bedeutsamen HSCs und MSCs im Knochen verbessern.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Die Knochenmasse wird bei physiologischen Veränderungen wie dem Altern und bei systemischen Krankheiten wie Diabetes und Hypothyreose stark beeinträchtigt. Die Mikroumgebung des Knochenmarks wird in Abhängigkeit von diesen physiologischen und pathologischen Bedingungen im Körper verändert. Diese Veränderungen beinhalten möglicherweise eine Verstärkung oder Verringerung einer spezifischen Mikroumgebung innerhalb des Knochenmarkkompartiments, um Veränderungen in der Physiologie des gesamten Körpers zu kompensieren. So führen beispielsweise altersbedingte physiologische Veränderungen zu einem Verlust an Knochenmasse und sind mit dem Verlust von Typ-H-Gefäßen verbunden, die die unterstützende Mikroumgebung für Osteoprogenitoren bilden. In ähnlicher Weise wurden Veränderungen in der Mikroumgebung des Knochenmarks bei Krebs und Metastasierung beobachtet. Diese Belege deuten stark darauf hin, dass die dynamische Natur der Mikroumgebung des Knochenmarks je nach den lokalen und systemischen Anforderungen und Funktionen Änderungen erfährt.
ECs, die eine zentrale Rolle bei der Konstruktion und Orchestrierung verschiedener Mikroumgebungen im Knochenmark spielen, könnten potenziell als hervorragendes Ziel für die Manipulation bestimmter Nischen im Knochen dienen. Die Reaktivierung von Typ-H-Gefäßen in gealterten Mäusen könnte die Neo-Osteogenese fördern, was zu einer neuen Knochenbildung und einer Zunahme der Knochenmasse führt. Trotz der potenziellen therapeutischen Anwendungen beeinträchtigt das begrenzte Wissen über das Knochengefäßsystem unser Verständnis der Organisation und Lokalisierung der Mikroumgebung im Knochen erheblich. Die Charakterisierung heterogener Blutgefäße und der von ihnen stammenden Endothelfaktoren sowie weitere Erkenntnisse über die zellulären und molekularen Komponenten der Mikroumgebung sind von entscheidender Bedeutung, um die Interaktion und die Rolle der Blutgefäße bei der Regulierung der Knochenmarkarchitektur unter verschiedenen physiologischen und pathologischen Bedingungen zu entschlüsseln.
Interessenkonflikte
Der Autor erklärt, dass es keinen Interessenkonflikt im Zusammenhang mit der Veröffentlichung dieser Arbeit gibt.
Danksagungen
Finanziert wurde die Arbeit durch den Wellcome Trust, die Royal Society und den Medical Research Council, UK.