Review paper
The role of disturbances of angiogenesis and vasculogenesis in pathogenesis of systemic sclerosis – review of literature

Wstęp
Twardzina układowa (systemic sclerosis – SSc) jest chorobą tkanki łącznej o niedokładnie poznanej etiologii. Wyniki badań wskazują, że we wczesnej fazie rozwoju tej choroby zasadniczą rolę odgrywają nacieki zapalne wokół naczyń krwionośnych, apoptoza komórek śródbłonka i zaburzenia angiogenezy, natomiast w póŸniejszym okresie dominuje nadmierne odkładanie składników macierzy zewnątrzkomórkowej (extra cellular matrix – ECM) [1]. Tworzenie nowych naczyń krwionośnych jest złożonym procesem, na który składają się: angiogeneza (formowanie nowych kapilarów z komórek śródbłonka), waskulogeneza (powstawanie nowych naczyń z prekursorów angioblastycznych) i arteriogeneza (tworzenie nowych naczyń w obrębie już istniejącego łożyska naczyniowego) [2].
Cel pracy
Celem pracy jest przedstawienie na podstawie danych z piśmiennictwa najnowszych poglądów na temat wpływu zaburzeń tworzenia nowych naczyń krwionośnych w rozwoju oraz przebiegu twardziny układowej.
Omówienie
Angiogeneza jest zasadniczym mechanizmem tworzenia naczyń krwionośnych w różnych zjawiskach fizjologicznych, takich jak owulacja, przekrwienie ściany macicy w cyklu menstruacyjnym, dojrzewanie kości i wzrost włosów, oraz w procesach naprawczych (gojenie się ran) lub procesach chorobowych: miażdżycy, łuszczycy, retinopatii cukrzycowej i chorobach nowotworowych [3, 4]. Rola angiogenezy została najlepiej poznana w chorobach nowotworowych [5]. Znane są również doniesienia dotyczące wpływu zaburzeń tego procesu na rozwój chorób autoimmunologicznych [6–8]. W prawidłowych tkankach nie dochodzi do uruchomienia angiogenezy w wyniku zachowanej równowagi pomiędzy czynnikami pro- i antyangiogennymi. U chorych na twardzinę układową w patogenezie zmian w obwodowych naczyniach krwionośnych odgrywa rolę uszkodzenie komórek śródbłonka przez czynniki pochodzące z komórek nacieku zapalnego (transforming growth factor β – TGF-β, tumor necrosis factor α – TNF-α, interferon γ – INF-γ), komórek tucznych (tryptaza), a także w wyniku zaburzeń produkcji kolagenu i fibrynolizy [9]. W ostatnich latach wykazano, że interakcje komórkowe pomiędzy limfocytami, leukocytami i komórkami endotelium regulują napięcie naczyń oraz hemostazę [10]. Jednym z następstw powstałego w twardzinie układowej niedokrwienia tkanek jest wytwarzanie aktywnych form tlenu. Na skutek m.in. wytwarzania tlenku azotu lub wzrostu wydzielania endoteliny – czynnika odpowiedzialnego za skurcz naczyń krwionośnych – dochodzi do uszkodzenia komórek śródbłonka i degradacji składników błony podstawnej naczyń, takich jak kolagen i proteoglikany [11, 12]. Potwierdzeniem tych obserwacji są wyniki badań niektórych autorów wskazujące na istotnie zmniejszoną ekspresję śródbłonkowego mRNA tlenku azotu (ecNOS) w komórkach endotelium zarówno u chorych z postacią kliniczną limited (lSSc), jak i diffuse (dSSc) [13]. Uszkodzenie komórek endotelium powoduje kontakt limfocytów ze składnikami błony podstawnej naczyń – kolagenem typu IV, proteoglikanami, lamininą. Wzmożona zaś adherencja limfocytów do śródbłonków jest także związana ze wzrostem ekspresji cząstek adhezyjnych: intercellular adhesion molekule-1 (ICAM-1) na komórkach śródbłonka i lymphocyte function-associated antygen-1 (LFA-1) na limfocytach [14]. Pobudzone limfocyty wytwarzają wiele cytokin, takich jak interleukiny IL-1, IL-2, IL-4, IL-6, IL-8, czynnik martwicy nowotworów a (tumor necrosis factor α – TNF-α), TGF-β i interferon γ (INF-γ), które biorą udział w dalszym uszkodzeniu i aktywacji śródbłonka [15–19]. Cytokiny są także jednym z czynników pobudzających fibroblasty do produkcji kolagenu i innych składników macierzy zewnątrzkomórkwej (extracellular matrix – ECM) [20].
Wyniki badań autorów wskazują, że destrukcja komórek endotelium wywiera także wpływ na angiogenezę [19]. Prawidłowy przebieg nowotworzenia naczyń krwionośnych jest zależny od równowagi pomiędzy czynnikami stymulującymi i hamującymi ten proces. Wykazano, że naczyniowo-śródbłonkowy czynnik wzrostu (vascular endothelial growth factor – VEGF), transformujący czynnik wzrostu β (TGF-β), czynnik wzrostowy hepatocytów (hepatocyte growth factor – HGF), zasadowy fibroblastyczny czynnik wzrostu (basic fibroblast growth factor – bFGF) oraz interleukina 18 (IL-18) zwiększają tworzenie naczyń krwionośnych [21–23]. Natomiast czynnikami hamującymi angiogenezę są m.in. endostatyna, TNF-α, interleukina 10 (IL-10), jak również tkankowe inhibitory metaloproteinaz 1, 2 i 3 (tissue inhibitor of metalloproteinases – TIMP-1, -2, -3) [22]. Dodatkowym potwierdzeniem ważnej roli zaburzeń angiogenezy w rozwoju twardziny są doniesienia o hamującym wpływie monocytów i limfocytów pochodzących od chorych na SSc na indukcję tego procesu w badaniach in vitro [24, 25]. Znaczenie cytokin angiogennych w przebiegu chorób tkanki łącznej nadal jest mało poznane. Jedną z tych cytokin jest naczyniowo-śródbłonkowy czynnik wzrostu. VEGF jest glikoproteiną o działaniu proangiogennym, mitogennym, zwiększającą przepuszczalność naczyń krwionośnych, a także działającą wybiórczo na komórki śródbłonka za pośrednictwem dwóch receptorów obecnych na ich powierzchni [22]. Cytokina ta wytwarzana jest przez komórki endotelium, mięśni gładkich, komórki nowotworowe oraz makrofagi i fibroblasty [22]. VEGF po połączeniu z receptorami zwiększa proliferację komórek śródbłonka naczyń, stymuluje aktywatory plazminogenu, indukuje ekspresję α- i β-integryn, a także zmienia aktywność kolagenazy [22]. Wyniki badań wykazały, że naczyniowo-śródbłonkowy czynnik wzrostu wpływa również na przeżycie i migrację komórek śródbłonka [26]. W grupie chorób tkanki łącznej, m.in. w toczniu rumieniowatym układowym i reumatoidalnym zapaleniu stawów, wykazano korelację pomiędzy podwyższonym stężeniem VEGF a aktywnością procesu chorobowego [27]. Zdania autorów dotyczące roli tego czynnika w patogenezie twardziny układowej są jednak rozbieżne. Opisywano zarówno korzystny wpływ VEGF na przyspieszenie gojenia owrzodzeń w okolicy paliczków [19], jak również część autorów wykazała, że zaburzenie produkcji VEGF może być jednym z czynników odpowiedzialnych za progresję choroby [19, 28]. Inni obserwowali jedynie podwyższone stężenie tej cytokiny u chorych w stosunku do grupy kontrolnej [29]. Najczęstszym czynnikiem wpływającym na tworzenie nowych naczyń krwionośnych jest niedotlenienie tkankowe [30]. Badanie histopatologiczne zmian skórnych w twardzinie wykazuje obecność nacieków komórkowych wokół naczyń krwionośnych, zmniejszenie liczby i światła naczyń krwionośnych oraz nadmierne gromadzenie składników macierzy zewnątrzkomórkowej [31]. Jednakże pomimo spowolnienia przepływu krwi i obniżenia ciśnienia parcjalnego tlenu nie wykazano w skórze pobudzenia procesu angiogenezy [25]. Stwierdzono, że surowice pochodzące od pacjentów z twardziną układową działają cytotoksycznie, bezpośrednio lub za pośrednictwem przeciwciał (antibody dependent cellular cytotoxity – ADCC), na komórki śródbłonka naczyń [32–34]. W badaniach doświadczalnych wykazano, że zależnie od okresu rozwoju twardziny i jej postaci klinicznej surowice chorych wywierają różny wpływ na angiogenezę – stymulujący we wczesnych stadiach rozwoju limited SSc, a hamujący w postaci diffuse SSc [15]. Distler i wsp. wykazali zwiększoną ekspresję naczyniowo-śródbłonkowego czynnika wzrostu w skórze chorych na twardzinę układową pomimo niewydolnej angiogenezy [1]. Stwierdzili również wyższe stężenia VEGF u chorych z diffuse SSc, u których nie obserwowano owrzodzeń paliczków dystalnych w porównaniu z osobami zdrowymi. Wyniki badań na modelu zwierzęcym wskazują również na paradoksalny wpływ długotrwałej nadekspresji VEGF na zaburzenie formowania nowych kapilar, przypominające zmiany obserwowane w twardzinie układowej. Autorzy podkreślają, że nie tylko niewydolna angiogeneza, ale również zaburzenia w procesie waskulogenezy wpływają na wystąpienie objawów naczyniowych w przebiegu SSc.
Potwierdzono, że formowanie nowych naczyń krwionośnych poza okresem płodowym nie jest wynikiem jedynie procesu angiogenezy, ale również istotną rolę spełniają progenitory komórek endotelialnych pochodzące z komórek szpiku kostnego (circulating endothelial precursors – CEP) [35]. Naczyniowe komórki progenitorowe znajdowane są w szpiku kostnym, sercu, mięśniach szkieletowych i innych tkankach, a także w systemie naczyniowym [36]. Komórki te posiadają właściwości podobne do angioblastów embrionalnych – wykazują zdolność do proliferacji i przekształcania się w dojrzałe komórki śródbłonka, jednak bez typowej dla dojrzałych komórek endotelialnych morfologii czy zdolności do tworzenia światła naczyniowego. Identyfikowane są one dzięki charakterystycznemu powierzchniowemu fenotypowi pozytywnemu dla CD34, CD133 i VEGFR-2 (receptor kinazy tyrozynowej, Flk-1). W życiu pozapłodowym komórki te napływają do miejsca niedotlenienia lub zmian naczyniowych i podejmują funkcję tworzenia śródbłonka i nowych naczyń krwionośnych we współpracy z dojrzałymi komórkami endotelium [37]. Na podstawie wyników badań przeprowadzonych w grupie chorych na twardzinę układową i reumatoidalne zapalenie stawów (RZS, rheumatoid arthritis – RA) Kuwana i wsp. sugerują, że w przebiegu twardziny układowej zaburzenia procesu waskulogenezy mogą być związane z waskulopatią [35]. Badania wymienionych powyżej autorów wykonane zostały jedynie u pacjentek z SSc. Powodem takiego wyboru było częstsze występowanie tej choroby u kobiet niż u mężczyzn, a także prawdopodobny wpływ płci na liczbę i funkcję komórek CEP, ponieważ tworzenie nowych naczyń krwionośnych odbywa się w endometrium. Uzyskane wyniki wykazały znamiennie mniejszą liczbę CEP w krążeniu chorych na SSc w porównaniu z wynikami uzyskanymi w grupie kontrolnej, a także obecność owrzodzeń i blizn na paliczkach dystalnych u pacjentek z ekstremalnie małą ich liczbą. Natomiast stężenie czynników proangiogennych było znamiennie wysokie i nie korespondowało z liczbą CEP. Dotychczasowe wyniki badań oceniających stężenie czynników pro- i antyangiogennych w surowicy chorych na SSc wykazywały zaburzenie równowagi pomiędzy nimi, jednak nie stwierdzano podwyższonego stężenia endostatyny w stosunku do wyników uzyskanych w grupie kontrolnej [19]. Wcześniejsze badania własne, wykonane w grupie 34 chorych na twardzinę układową wykazały jednak wyższe stężenie tej niekolagenowej domeny kolagenu XVIII w surowicy chorych niż w grupie osób zdrowych [8], a także zmniejszenie stosunku VEGF do endostatyny u chorych z zajęciem układu oddechowego (wyniki nieopublikowane). Dlatego też nie można dokładnie określić udziału ww. czynników w procesie waskulogenezy. U chorych na cukrzycę, u których stwierdza się podobną do twardziny układowej waskulopatię, wykazano obniżoną wrażliwość CEP i ich komórek pnia na czynniki stymulujące angiogenezę [38]. Inni autorzy wykazali w badaniach przeprowadzonych na modelu doświadczalnym myszy transgenicznych LacZ, że naczyniowo-śródbłonkowy czynnik wzrostu – C (VEGF-C) uwalniany z fibroblastów spełnia ważną funkcję w gojeniu ran poprzez zwiększenie migracji komórek progenitorowych dla endotelium pochodzących z pnia do kolagenu oraz uruchomienie angiogenezy i formowanie kolagenu [39]. Kuwana i wsp. sugerują możliwość wykorzystania w leczeniu zaburzeń naczyniowych w przebiegu twardziny układowej granulocyte colony-stimulating factor lub jego białka rekombinantowego, które ma zdolność uwalniania CEP ze szpiku kostnego. W ostatnich latach pojawiły się również doniesienia o hamującym wpływie zanieczyszczeń środowiskowych na proces nowotworzenia naczyń krwionośnych. Wykazano, że 2-, 3-, 7-, 8-tetrachlorodibenzo-p-dioxyny (TCDD), aromatyczny hydroksywęgiel halogenowy oraz składniki dymu tytoniowego redukują proliferację komórek śródbłonka i zwiększają ekspresję składników macierzy zewnątrzkomórkowej [40]. Dotychczasowe dane z piśmiennictwa wskazują na istotny udział zaburzeń nowotworzenia naczyń krwionośnych zarówno w procesie angio-, jak i waskulogenezy w patogenezie twardziny układowej. Nowe dane podkreślające rolę, jaką spełniają progenitory komórek śródbłonka pochodzące z pnia, sugerują także możliwość wykorzystania ich w przyszłości w terapii zaburzeń naczyniowych u chorych na SSc.
Praca finansowana z funduszy pracy własnej Uniwersytetu Medycznego w Łodzi: 502-18-344.
Piśmiennictwo
1. Distler JH, Kalden JR, Gray S, et al. Vascular changes in the pathogenesis of systemic sclerosis. Z Rheumatol 2004; 6: 446-50. 2. Carmeliet P, Jain RK. Angiogenesis in cancer and other diseases. Nature 2000: 407: 249-57. 3. Hebbar M, Peyrat JP, Hornez L, et al. Increased concentrations of circulating angiogenesis inhibitor endostatin in patients with systemic sclerosis. Arthritis Rheum 2000: 43: 889-93. 4. Velasco P, Lange-Asschenfeldt B. Dermatological aspects of angiogenesis. Br J Dermatol 2002; 147: 841-52. 5. Dvorak HF, Detmar M, Claffey KP, et al. Vascular permeability factor/vascular enodothelial growth factor: an important mediator of angiogenesis in malignancy and inflammation. Int Arch Allergy Immunol 1995; 107: 233-5. 6. Folkman J. Angiogenesis in cancer, vascular, rheumatoid and other disease. Nat Med 1995; 1: 27-32. 7. Robak E, WoŸniacka A, Sysa-Jędrzejowska A, et al. Serum levels of angiogenic cytokines in systemic lupus erythematosus and their correlation with disease activity. Eur Cytokine Netw 2001; 12: 445-52. 8. Dziankowska-Bartkowiak B, Waszczykowska E, Zalewska A, et al. Evaluation of serum vascular endothelial growth factor and endostatin in systemic sclerosis patients – correlation with lung and cardio-vascular system involvement. Centr Eur J Immunol 2004; 29: 15-22. 9. Maricq HR, Weinrich MC, Valter I, et al. Digital vascular responses to cooling in subjects with cold sensitivity, primary Raynaud’s phenomenon, or scleroderma spectrum disorders. J Rheumatol 1996; 23: 2068-78. 10. Fiocco U, Rosada M, Cozzi L, et al. Early phenotypic activation of circulating helper memory T cells in scleroderma: Correlation with disease activity. Ann Rheum Dis 1993; 52: 272-7. 11. Komosińska K, Olczyk K, Winsz K. Rola wolnych rodników w etiopatogenezie twardziny układowej. Post Hig Med Dośw 1997; 51: 285-303. 12. Poli G, Parola M. Oxidative damage and fibrogenesis. Free Rad Biol Med 1997; 22: 287-94. 13. Fimiani C. Systemic sclerosis: a woman disease. Mod Asp Immunobiol 2001; 1: 233-7. 14. Veale DJ, Kirk G, McLaren M, et al. Clinical implications of soluble intercellular adhesion molecule-1 levels in systemic sclerosis. Br J Rheumatol 1998; 37: 1227-8. 15. Majewski S, Skopińska-Rożewska E, Jabłońska S, et al. Modulatory effect of sera from scleroderma patients on lymphocyte-induced angiogenesis. Arthritis Rheum, 1985; 28: 1133-7. 16. Kantor TV, Friberg D, Medsger TA, et al. Cytokine production and serum levels in systemic sclerosis. Clin Immunol Immunopathol 1992, 3: 278-85. 17. Haustein VF, Anderegg U. Pathophysiology of scleroderma: an update. J Eur Acad Dermatol Venereol 1998; 11: 1-8. 18. Mittag M, Beckheinrich P, Haustein UF. Systemic sclerosis-related Raynaud’s phenomenon: effects of Illoprost infusion therapy on serum cytokine, growth factor and soluble adhesion molecule levels. Acta Derm Venereol 2001; 81: 294-7. 19. Distler O, del Rosso A, Giacomelli R, et al. Angiogenic and angiostatic factors in systemic sclerosis: increased levels of vascular endothelial growth factor are a feature of earliest disease stages and are associated with the absence of fingertip ulcers. Arthritis Res 2002; 4: R11. 20. Rudnicka L. Twardzina układowa. Terapia 1995; 6: 17-9. 21. Peper MS. Manipulating angiogenesis. From basic science to the beside. Artherioscler Thromb Vasc Biol 1997; 17: 605-7. 22. Jośko J, Gwóźdź B, Jędrzejowska-Szypułka H, et al. Vascular endothelial growth factor (VEGF) and its effect on angiogenesis. Med Sci Monit 2000; 6: 1047-52. 23. Park CC, Morel JC, Amin MA, et al. Evidence of IL-18 as a novel angiogenic mediator. J Immunol 2001; 167: 1644-53. 24. Kaminski MJ, Majewski S, Jabłońska S, et al. Lowered angiogenic capability of peripheral blood lymphocytes in progressive systemic sclerosis (scleroderma). J Invest Dermatol 1984; 82: 239-43. 25. Koch AE, Litvak MA, Burrows JC, et al. Decreased monocyte mediated angiogenesis in scleroderma. Clin Immunol Immunopathol 1992; 64: 153-60. 26. Carmeliet P, Ferreira V, Breier G, et al. Abnormal blood vessel development and lethality in embryos lacking a single VEGF allele. Nature 1996; 380: 435. 27. Robak E, WoŸniacka A, Sysa-Jedrzejowska A, et al. Circulating angiogenesis inhibitor endostatin and postive endothelial growth regulators in patients with systemic lupus erythematosus. Lupus 2002; 11: 348-55. 28. Kikuchi K, Kubo M, Kadano T, et al. Serum concentrations of vascular endothelial growth factor in collagen diseases. Br J Dermatol 1998; 139: 1049-51. 29. Choi JJ, Min DJ, Cho ML, et al. Elevated vascular endothelial growth factor in systemic sclerosis. J Rheumatol 2003; 30: 1529-33. 30. Matucci-Cerinic M, Generini S, Pignone A. New approaches to Raynaud’s phenomenon. Curr Opin Rheumatol 1997; 9: 544-56. 31. Furst DE, Clements PJ. Pathogenesis, fusion (summary). In: Systemic sclerosis. Clements PJ, Furst DE (eds). Williams and Wilkins, Baltimore 1996: 275-83. 32. Kahaleh MB, Sherer GK, LeRoy EC. Endothelial injury in scleroderma. J Exp Med 1979; 149: 1326-30. 33. Penning CA, Cunningham J, French MA, et al. Antibody dependent cellular cytotoxity of human vascular endothelium in systemic sclerosis. Clin Exp Immunol 1984; 57: 548-56. 34. Holt CM, Lindsey N, Moult J. Antibody-dependent cellular cytotoxicity of vascular endothelium: characterisation and pathogenic associations in systemic sclerosis. Clin Exp Immunol 1989; 78: 359-63. 35. Kuwana M, Okazaki Y, Yasuoka H, et al. Defective vasculogenesis in systemic sclerosis. Lancet 2004; 364: 603-10. 36. Caplice NM, Doyle B. Vascular progenitor cells: origin and mechanisms of mobilization, differentioation, integration, and vasculogenesis. Stem Cells Dev 2005; 2: 122-39. 37. Murayama T, Tepper OM, Silver M, et al. Determination of bone marrow-derived endothelial progenitor cell significance in angiogenic growth factor-induced neovascularization in vivo. Exp Hematol 2002; 30: 967-72. 38. Tepper OM, Galiano RD, Capla JM, et al. Human endothelial progenitor cells from type II diabetes enhibit impaired proliferation, adhesion and incorporation into vascular structures. Circulation 2002; 106: 2781-6. 39. Bauer SM, Bauer RJ, Liu ZJ, et al. Vascular endothelial growth factor-C promotes vasculogenesis, angiogenesis, and collagen constriction in three-dimensional collagen gels. J Vasc Surg 2005; 4: 699-707. 40. Ivnitski-Steele I, Walker MK. inhibition of neovascularization by environmental agents. Cardiovasc Toxicol 2005; 2: 215-26.