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Aging is an independent risk factor for cardiovascular diseases and therefore of particular interest for the prevention of cardiovascular events. However, the mechanisms underlying vascular aging are not well understood. Since carcinoembryonic antigen‐related cell adhesion molecule 1 (CEACAM1) is crucially involved in vascular homeostasis, we sought to identify the role of CEACAM1 in vascular aging. Using human internal thoracic artery and murine aorta, we show that CEACAM1 is upregulated in the course of vascular aging. Further analyses demonstrated that TNF‐α is CEACAM1‐dependently upregulated in the aging vasculature. Vice versa, TNF‐α induces CEACAM1 expression. This results in a feed‐forward loop in the aging vasculature that maintains a chronic pro‐inflammatory milieu. Furthermore, we demonstrate that age‐associated vascular alterations, that is, increased oxidative stress and vascular fibrosis, due to increased medial collagen deposition crucially depend on the presence of CEACAM1. Additionally, age‐dependent upregulation of vascular CEACAM1 expression contributes to endothelial barrier impairment, putatively via increased VEGF/VEGFR‐2 signaling. Consequently, aging‐related upregulation of vascular CEACAM1 expression results in endothelial dysfunction that may promote atherosclerotic plaque formation in the presence of additional risk factors. Our data suggest that CEACAM1 might represent an attractive target in order to delay physiological aging and therefore the transition to vascular disorders such as atherosclerosis.
Pathological angiogenesis promotes tumor growth, metastasis, and atherosclerotic plaque rupture. Macrophages are key players in these processes. However, whether these macrophages differentiate from bone marrow-derived monocytes or from local vascular wall-resident stem and progenitor cells (VW-SCs) is an unresolved issue of angiogenesis. To answer this question, we analyzed vascular sprouting and alterations in aortic cell populations in mouse aortic ring assays (ARA). ARA culture leads to the generation of large numbers of macrophages, especially within the aortic adventitia. Using immunohistochemical fate-mapping and genetic in vivo-labeling approaches we show that 60% of these macrophages differentiate from bone marrow-independent Ly6c\(^{+}\)/Sca-1\(^{+}\) adventitial progenitor cells. Analysis of the NCX\(^{−/-}\) mouse model that genetically lacks embryonic circulation and yolk sac perfusion indicates that at least some of those progenitor cells arise yolk sac-independent. Macrophages represent the main source of VEGF in ARA that vice versa promotes the generation of additional macrophages thereby creating a pro-angiogenetic feedforward loop. Additionally, macrophage-derived VEGF activates CD34\(^{+}\) progenitor cells within the adventitial vasculogenic zone to differentiate into CD31\(^{+}\) endothelial cells. Consequently, depletion of macrophages and VEGFR2 antagonism drastically reduce vascular sprouting activity in ARA. In summary, we show that angiogenic activation induces differentiation of macrophages from bone marrow-derived as well as from bone marrow-independent VW-SCs. The latter ones are at least partially yolk sac-independent, too. Those VW-SC-derived macrophages critically contribute to angiogenesis, making them an attractive target to interfere with pathological angiogenesis in cancer and atherosclerosis as well as with regenerative angiogenesis in ischemic cardiovascular disorders.
Chronic obstructive pulmonary disease (COPD) is a major cause of morbidity and mortality worldwide and encompasses chronic bronchitis and emphysema. It has been shown that vascular wall remodeling and pulmonary hypertension (PH) can occur not only in patients with COPD but also in smokers with normal lung function, suggesting a causal role for vascular alterations in the development of emphysema. Mechanistically, abnormalities in the vasculature, such as inflammation, endothelial dysfunction, imbalances in cellular apoptosis/proliferation, and increased oxidative/nitrosative stress promote development of PH, cor pulmonale, and most probably pulmonary emphysema. Hypoxemia in the pulmonary chamber modulates the activation of key transcription factors and signaling cascades, which propagates inflammation and infiltration of neutrophils, resulting in vascular remodeling. Endothelial progenitor cells have angiogenesis capabilities, resulting in transdifferentiation of the smooth muscle cells via aberrant activation of several cytokines, growth factors, and chemokines. The vascular endothelium influences the balance between vaso-constriction and -dilation in the heart. Targeting key players affecting the vasculature might help in the development of new treatment strategies for both PH and COPD. The present review aims to summarize current knowledge about vascular alterations and production of reactive oxygen species in COPD. The present review emphasizes on the importance of the vasculature for the usually parenchyma-focused view of the pathobiology of COPD.
Contribution of adventitia-derived stem and progenitor cells to new vessel formation in tumors
(2021)
Blocking tumor vascularization has not yet come to fruition to the extent it was hoped for, as angiogenesis inhibitors have shown only partial success in the clinic. We hypothesized that under- appreciated vascular wall-resident stem and progenitor cells (VW-SPCs) might be involved in tumor vascularization and influence effectiveness of anti-angiogenic therapy. Indeed, in patient samples, we observed that vascular adventitia-resident CD34\(^+\) VW-SPCs are recruited to tumors in situ from co-opted vessels. To elucidate this in detail, we established an ex vivo model using concomitant embedding of multi-cellular tumor spheroids (MCTS) and mouse aortic rings (ARs) into collagen
gels, similar to the so-called aortic ring assay (ARA). Moreover, ARA was modified by removing the ARs’ adventitia that harbors VW-SPCs. Thus, this model enabled distinguishing the contribution of VW-SPCs from that of mature endothelial cells (ECs) to new vessel formation. Our results show that the formation of capillary-like sprouts is considerably delayed, and their number and network formation were significantly reduced by removing the adventitia. Substituting iPSC-derived neural spheroids for MCTS resulted in distinct sprouting patterns that were also strongly influenced by the
presence or absence of VW-SPCs, also underlying the involvement of these cells in non-pathological vascularization. Our data suggest that more comprehensive approaches are needed in order to block all of the mechanisms contributing to tumor vascularization.
Dem Endothel, welches die luminale Oberfläche aller Blutgefäße auskleidet, kommt eine wichtige Barrierefunktion zwischen Blut und Gewebe zu. Nur durch eine bedarfsgerechte Justierung dieser Barriere, die den Durchtritt von Molekülen und Zellen reguliert, kann die Gewebehomöostase aufrechterhalten werden. Dabei ist das Endothel nicht nur passive Barriere, sondern auch an dieser dynamischen Regulation aktiv beteiligt. Störungen oder Fehlregulationen dieser Prozesse führen zu Pathologien, z.B. Arteriosklerose.
Es ist seit längerem bekannt, dass Carcinoembryonic antigen–related cell adhesion molecule-1 (CEACAM1), ein Mitglied der Immunglobulin-Superfamilie, die Bildung und Morphogenese neuer Blutgefäße beeinflusst. Die spontane Entwicklung kleiner Arteriosklerose-ähnlicher Läsionen in CEACAM1 knockout (Cc1-/-) Mäusen zeigt, dass CEACAM1 auch für die Homöostase ausgereifter Blutgefäße von Bedeutung ist. Ziel dieser Dissertationsarbeit war daher, den Einfluss von CEACAM1 auf wesentliche Aspekte der Endothelfunktion in Aorten in situ bzw. in Endothelzellkulturen in vitro zu analysieren.
Es konnte zunächst gezeigt werden, dass CEACAM1-defiziente Endothelzellen im Vergleich zu Wildtyp (WT) Endothelzellen eine rundlichere Zellmorphologie mit meanderförmigen Zellgrenzen und interzellulären Lücken aufweisen. Diese morphologischen Unterschiede stimmen mit Befunden in situ an Aorten von WT und Cc1-/- Mäusen überein.
Weiterhin wurde eine Translokation der endothelialen NO-Synthase (eNOS) von der Zellmembran in den peri-nukleären Bereich bei CEACAM1-Defizienz festgestellt. Die erhobenen Daten bieten zwei mögliche Erklärungen dafür. Einerseits könnte CEACAM1 durch Interaktion mit eNOS als Membrananker fungieren. Daneben wiesen CEACAM1-defiziente Endothelzellen eine erhöhte Expression des Enzyms APT1 auf, welches eNOS depalmitoyliert. Die daraus resultierende, ebenfalls nachgewiesene geringere Palmitoylierung könnte auch zur verminderten Membran-lokalisation von eNOS beitragen.
Zur endothelialen Funktion gehört, die Adhäsion von Blutzellen an die Gefäßwand weitestgehend zu beschränken. CEACAM1-defiziente Endothelzellen zeigten im Vergleich zu WT Endothelzellen eine verstärkte Adhäsivität gegenüber murinen und humanen Monozyten. Ähnliche Unterschiede wurden für Aortenexplantate aus WT und Cc1-/- Mäusen festgestellt. Dies ist einerseits mit einer verstärkten Expression des Zelladhäsionsmoleküls ICAM-1 bei CEACAM1-Defizienz erklärbar. Darüber hinaus vermittelt die Glykokalyx anti-adhäsive Eigenschaften. Aus Vorbefunden war bekannt, dass die endotheliale Glykokalyx in der Aorta von Cc1-/- Mäuse reduziert ist. Im Rahmen dieser Arbeit konnte dies auf eine verstärkte Expression der Glykokalyx-degradierenden Enzyme MMP9, Chondroitinase sowie Hyaluronidase-2 in Cc1-/- Endothelzellen zurückgeführt werden.
Eine erhöhte Permeabilität stellt einen Indikator für ein dysfunktionales Endothel, eines der initialen Schritte in der Pathogenese der Arteriosklerose, dar. Zur Analyse der aortalen Permeabilität wurde ein modifizierter Miles-Assay etabliert. Unter Verwendung etablierter muriner Arteriosklerosemodelle konnte gezeigt werden, dass dieser Assay eine Störung der vaskulären Permeabilität bereits vor Auftreten makroskopischer Veränderungen zuverlässig detektiert.
Im Rahmen der folgenden Analysen an WT und Cc1-/- Mäusen zeigte sich ein altersabhängiger Effekt von CEACAM1 auf die Gefäßpermeabilität: Aorten von 3 Monate alten Cc1-/- Mäuse wiesen eine im Vergleich zum WT erhöhte Gefäßpermeabilität auf, welche wahrscheinlich Folge einer verzögerten Gefäßreifung ist. Im Alter von 9 Monaten zeigte sich dagegen ein entgegengesetztes Bild. Dies wurde auf eine verstärkte Expression des die Barriere schädigenden Inflammationsmediators TNF-α in 9 Monate alten WT Mäusen zurückgeführt.
Außerdem modulierte CEACAM1 die TNF-α-vermittelte Lockerung der endothelialen Barriere, indem es die Phosphorylierung von Adherens Junction Proteinen beeinflusste. Basal stabilisierte CEACAM1 die endotheliale Barriere durch Hemmung der Phosphorylierung von Caveolin-1, welches Adherens Junctions destabilisiert. Unter Einfluss von TNF-α war CEACAM1 verstärkt im Bereich von Adherens Junctions lokalisiert und rekrutierte dort Src-Kinase. Src-Kinase wiederum destabilisierte Adherens Junctions durch Phosphorylierung von β-Catenin, was in verstärkter Gefäßpermeabilität resultierte. Dagegen führte TNF-α in CEACAM1-defizienten Endothelzellen zu einer Dephosphorylierung von Caveolin-1 und β-Catenin, wodurch Adherens Junctions und damit die endotheliale Barriere stabilisiert wurden. Diese CEACAM1-abhängige differenzielle Regulation der Stabilität von Adherens Junctions unter TNF-α trägt wahrscheinlich maßgeblich zu den Unterschieden der vaskulären Permeabilität in 3 bzw. 9 Monate alten WT und Cc1-/- Mäusen bei.
Zusammenfassend konnte im Rahmen dieser Arbeit nachgewiesen werden, dass CEACAM1 zentrale Funktionen des Endothels und hierüber die Homöostase reifer Gefäße beeinflusst. Da eine Expression von CEACAM1 auch in arteriosklerotischen Plaques nachgewiesen werden konnte, soll in weiteren Untersuchungen auch der Beitrag von CEACAM1 zur arteriosklerotischen Plaquebildung analysiert werden.