Principales structures des vaisseaux sanguins

Microcirculation is the global denomination for arterioles, capillaries, and venules. Arterioles are the smallest component of the arterial tree, feeding the capillary bed. The blood flow in the capillary bed is regulated by precapillary sphincters. The blood in the capillaries flows into the venules. The capillaries are made up of a single layer of endothelial cells. An important point is that the capillary bed can be shunted in two different ways: precapillary anastomosis or a metarteriole crossing the capillary bed with a precapillary sphincter at each bifurcation.

Levy et al Circulation 2001; 104:736-741

La vasonconstriction Protège les capillaires Mais augmente la PA en amont et favorise l’hypoxie en aval. Cercle vicieux Même problème au cours du vieillissement, du diabète, de maladies de système….

Du remodelage artériel à la raréfaction artériolocapillaire Elévation de la pression Hypertrophie media Rétrécissement lumière obstruction Disparition artériolaire et raréfaction Prewitt et al. 1990; Hanssen-Smith et al, 1996 ; Gobé et al, 1997

Mean interstitial pH and pO2 as a function of the distance to the nearest blood vessel Permission obtained from Nature Publishing Group © Helmlinger, G. et al. Nat. Med. 3, 177–182 (1997). Jain, R. K. & Stylianopoulos, T. (2010) Delivering nanomedicine to solid tumors Nat. Rev. Clin. Oncol. doi:10.1038/nrclinonc.2010.139

La raréfaction artériolocapillaire contribue à altérer la perfusion tissulaire Veinule O2 On le comprend aisément ici en comparant la perfusion normale d’un patient normotendu disposant d’une microcirculation artériolocapillaire efficace à celle d’un hypertendu atteint par une raréfaction d’environ 50%. Artériole Capillaire Normal Pathologique Levy B. CMRAO. 2005

HYPOXIA : A MAJOR INDUCER OF NEO-VASCULARIZATION Decreased oxygen delivery or Increased oxygen consumption Decreased cellular oxygen concentration Increased HIF activities Increased expression of downstream genes NOS HO-1 EPO Erythropoïesis Tyrosine Hydroxylase Decrease in SNS activity VEGF TGFß VEGFRs Angiopoietin 2 Tie1 Tie2 PDGF-B Glycolytic Enzymes Anaerobic metabolism Angiogenesis Vasodilation

Embryonic development Neoangiogenesis ANGIOGENESIS Ang1 Hematopoietic precursor + VEGF Mesodermic precursor Blood islands VEGF Ang1 Ang2 VEGF VEGF Hemangioblast Vascular regression - VEGF Angioblast Primary capillary plexus Mature vascular network Vasculogenesis Angiogenesis Embryonic development Adult

Vessel maintenance versus vessel regression VEGF

“VEGF therapy: a timely retreat” VEGF and/or FGFb therapy for peripheral artery coronary diseases. J. Isner, D. Lesordo, Baumgartner since 1998 However, the vessels formed in the presence of continuous VEGF expression consisted mainly of dilated and leaky capillaries. This abnormal vasculature accounted for a significant drop in functional tissue perfusion. Tafuro S et al. Cardiovasc Res 2009;83:663–671 “VEGF therapy: a timely retreat” (Editorial) CV Res 2009

FGF-2 EC VSMC PDGF-BB VSMC EC FGF-2+PDGF-BB Growth Factors Therapy Days 5 12 24 70 210 FGF-2 VSMC EC PDGF-BB VSMC PDGF-BB EC FGF-2 VSMC EC FGF-2 +PDGF-BB FGF-2+PDGF-BB Cao R et al, Nature Medicine, 2003

ANGIOGENESIS : A DYNAMIC BALANCE BETWEEN ACTIVATORS AND INHIBITORS ON switch OFF ACTIVATORS INHIBITORS MEC proteins Angiopoietin 2 TIMPs Cytokins (IL-10) Angiostatin, Endostatin Thrombospondins Netrin1/Unc5B AGT (serpins) Growth factors (VEGF, bFGF, PDGF, PlGF) Angiopoietin 1 Fibrinolytic enzymes (tPA, uPA) MMPs Cytokins (TNF, TGF, IL8) ECM proteins (laminin) Endothelin Mitochondrial complex II Angiopoietin like 4

L’exercice augmente la densité capillaire dans les modèles expérimentaux d’HTA (b) MYOCARDE (a) MUSCLE Densité capillaire Densité capillaire WKY sédentaire WKY entrainé SHR sédentaire SHR entraîné (d) (c) MUSCLE MYOCARDE Rapport Média/lumen Rapport Média/lumen Values of capillary density (expressed by number of capillaries/mm2) and arterioles wall-to-lumen ratio in the gracilis muscle (a,c) and myocardium (b,d). Amaral. Sh et al. J. Hypertens 2000 ; 18 : 1563-1572

Angiogenèse : principales étapes Gabriele Bergers and Laura E. Benjamin. Tumorigenesis and the angiogenic switch. Nature reviews Cancer. 2003 volume 3 : 401-10

Physiological angiogenesis There are several known methods of blood vessel formation in normal tissues and tumours. a–c, Vessel formation can occur by sprouting angiogenesis (a), by the recruitment of bone-marrow-derived and/or vascular-wall-resident endothelial progenitor cells (EPCs) that differentiate into endothelial cells (ECs; b), or by a process of vessel splitting known as intussusception (c). d–f, Tumour cells can co-opt pre-existing vessels (d), or tumour vessels can be lined by tumour cells (vascular mimicry; e) or by endothelial cells, with cytogenetic abnormalities in their chromosomes, derived from putative cancer stem cells (f). Unlike normal tissues, which use sprouting angiogenesis, vasculogenesis and intussusception (a–c), tumours can use all six modes of vessel formation (a–f). Carmeliet P & Jain RK. Nature 2011, 473: 298-307

1- Hypoxie Ischémie Hypoxie Néovascularisation

2- Inflammation Ischémie Hypoxie Inflammation Néovascularisation

3- vasculogenèse post-ischémique Ischémie Cellules souches Hypoxie Inflammation Néovascularisation

Hormones (SRAA) Vasculogenèse Progéniteurs endothéliaux IL-18 GM-CSF VEGF PlGF Ischémie Hypoxie Inflammation MCP-1 PR 39 IL-10 HIF1a VEGFs bFGF Akt ROS Apoptose MMPs eNOS NO Hormones (SRAA) Angiogenèse/Collatéralisation Artériogenèse

Neo capillaries: sprouting and intussusception Tip cells Au cours du développement, le réseau vasculaire immature généré lors du processus de vasculogenèse est ensuite remodelé en un réseau d'artères et de veines permettant la circulation sanguine et la survie de l'organisme. Le terme utilisé pour décrire ce processus complexe est "angiogenèse" (Risau W., 1997). Il existe deux processus majeurs d'angiogenèse : le bourgeonnement de CE à partir de vaisseaux pré-existants et l'intussuception. La première étape de ce processus est l'augmentation de la perméabilité vasculaire. L'hyperperméabilité précède et accompagne l'angiogenèse, les protéines plasmatiques fournissent une nouvelle matrice extracellulaire soutenant la migration des CE et des CML Les CE à l'extrémité du capillaire en formation ou "tip cells", mises en évidence dans le cerveau embryonnaire,étendent de nombreux filaments qui explorent leur environnement afin de détecter les molécules séquestrées dans la matrice extracellulaire comme le VEGF165 qui sont nécessaires à leur polarisation, leur élongation et enfin à leur migration. L'IMG est caractérisé par la formation de "pillars", c'est-à-dire de colonnes de CE dans la lumière du vaisseau. La première étape du processus d'intussuception est la réorganisation des CE des parois opposées d'un vaisseau de façon symétrique et l'extension de leurs prolongements cytoplasmiques à travers la lumière du vaisseau. Cette projection permet la formation d'un pont cellulaire dans la lumière du vaisseau. En effet, les CE ayant émis des prolongements cytoplasmiques se connectent et forment une double couche de CE. Les cellules de support et les fibres de collagène viennent ensuite consolider le pillar. La formation de plusieurs pillars dans le vaisseau et leur anastomose permet la division du vaisseau et ainsi l'expansion rapide du plexus capillaire par IMG.   Au cours de ces phénomènes, des cellules de support telles que les péricytes et les CML sont recrutées par les vaisseaux afin de les consolider et maintenir leur architecture et ainsi les stabiliser par la formation du mur vasculaire. Ensuite, un phénomène d'élagage se produit afin de permettre la maturation du système vasculaire. Splitting Intussusception

Tip cell

MAIN STEPS IN ANGIOGENESIS Degradation of basal membrane surrounding endothelial cells Migration of endothelial cells towards the angiogenic stimulus Proliferation of endothelial cells Lumen formation and fusion with sprouting vessels

VEGF MECHANISM OF ACTION Hypoxia Cytokines Collagenase VEGF110 Plasmin VEGF165 VEGF121 Flt-1 Flk-1 PAI-1 uPA, tPA Plasminogen EC BM From N. Ferrara, 1997

Ischemic area 1- Hypoxia Ischemia 2- Stem/progenitor cells Basic mechanisms of post ischemic neovascularization 1- Hypoxia Ischemic area Ischemia 2- Stem/progenitor cells 3- Inflammation

Cellules souches

“cellule indifférenciée capable de s’auto-renouveler et de se différencier en d’autres types cellulaires ”

Totipotentes: susceptibles de donner naissance à tous les types de cellules; les seules à permettre le développement complet d’un individu Pluripotentes: issues d’un embryon de 5 à 7 jours, capables de donner naissance à plus de 200 types cellulaires représentatifs de tous les tissus Multipotentes: capables de donner naissance à plusieurs types cellulaires (moelle osseuse, CPE, et progéniteurs hématopoïetiques).

(Circulating Angiogenic Cells) Stem/progenitor cells from bone marrow to ischemic tissue VEGF MCP-1 HGF PlGF Incorporation Paracrine factor « Mo-like cells » 3 5 4 Myeloid progenitor CD14+ CD45 + Monocyte CD14++ CD45 + « late » EPC « early » EPC ou CAC (Circulating Angiogenic Cells) EPC CD133+ CD34+ KDR+ Blood vessel lumen Hematopoietic stem cells CD133++ CD34 CD45 Selectin SDF-1 PSGL-1 ß2 CXCR4 EPC ICAM-1 Adhesion/ Arrest 2 Homing signal 1 Endo. cells Chemoattractant molecules Blood Damaged cells Ischemic tissue

Cardiovascular risk factors and efficiency of stem cell therapy Hypercholesterolemia Hypertension Diabetes Progenitor cells Proangiogenic potential Smoking Silvestre JS et al, Circulation, 2003 Ebrahimian TG et al, Am J Pathol, 2006 You D et al, Hypertension, 2008 You D et al, JPET, 2008 Aging

L’existence de cellules souches chez l’adulte est une connaissance récente. On a retrouvé qqs cellules souches dans les organes (coeur, foie, intestin, cerveau, tissus adipeux, paroi vasculaire…) Elles ont une plasticité cellulaire limitée car un phénotype plus différencié que les CS embryonnaires

Lors d’une ischémie, le tissu lésé recrute des cellules qui participent à la restauration du réseau vasculaire. CS de moelle pour l’essentiel, mais aussi CS locales « dormantes ». Les cellules autres que médullaires pourraient même jouer un rôle prédominant (75%) (modèle de parabiose).

CS hématopoïétiques (CSH): CD34+ et/ou CD133+ CPE: marqueurs CSH + CE (VEFGR2 ou autre) Mais pb de définition

Stem cells in skin development and skin disease

Defined properties of stem cells Low mitotic activity “Label retaining cells” (LRCs) “Clonogenic” – high colony-forming ability in culture Long term proliferation Flexibility in replication (i.e. injury) Probable dependence on environmental influences – “niche”

Obstacles in stem cell research Reliable identification of tissue stem cells Expansion of stem cells in vitro Replicating in vivo conditions – the “niche”

Defined properties of epidermal stem cells ~5-10% of the total keratinocyte population “Label retaining cells” (LRCs) High colony-forming ability in culture Long term proliferative capability Ability to repopulate epidermis after culture Found in the center of “epidermal proliferation units” Divide upon skin injury Adhere strongly to basal lamina ECM, type IV collagen, fibronectin

Identification of epidermal stem cells Label-retaining cells (LRCs) Bromo-2-deoxyuridine (BrdU) 3H – thymidine Small cells with high nuclear:cytoplasmic ratio Expression of b1-integrin Other markers p63 (p53 family transcription factor) Keratin 19 Early lineage a2b1 and a3b1 expression High a6 integrin Weak expression of transferrin receptor (CD71) A2b1=collagen A3b1=laminin V A5b1=fibronectin P63-not seen in TA cells, seems to be stem-cell specific A6 KO does not affect epidermal proliferation

From Watt F (2001) Curr. Opin. Genet. Devel. 11, 410-417 “bulge” region Slow cycling Label and carcinogen retention High b1-integrin expression From Watt F (2001) Curr. Opin. Genet. Devel. 11, 410-417

Oshima H, Rochat A, Kedzia C, Kobayashi K, and Yann Barrandon Morphogenesis and Renewal of Hair Follicles from Adult Multipotent Stem Cells Cell, Vol. 104, 233–245, January 26, 2001 Department of Biology Ecole Normale Supérieure 46 rue d’Ulm 75230 Paris Cedex 05

The murine bulge region harbors cells exhibiting properties of stem cells Differentiation into multiple cell types Repopulation upon implantation Migration Slow-cycling with label retention High colony-forming ability in culture Protected area of hair follicle

Transdifferentiation of skin-derived precursors (SKPs) Toma et al. (2001) Nature Cell Biol 3, 778-784 Skin harvested and dissociated from mice and human scalp Passaged for over one year Colony-forming cells obtained, clonal progeny analyzed Differentiated into neurons, glia, smooth muscle and adipocytes from individual SKPs

Summary The location of stem cells in the skin is still controversial The bulge contains multipotent cells Difficulties exist in identifying stem cells and trying to recreate their niche

Merci!

VASCULAR MODELING AND REMODELING Differentiation of endothelial cells (EC) Proliferation of mesenchymal cells (MC) into pericytes Extracellular matrix production Coagulation factors Tissue factor Thrombin Thrombin receptor Pericytes latent TGF-b VSMC MC PA PDGFR Alk-1 EC TGF-b Endoglin PDGF-AA

Angiogenèse ANGIOGENESE POST-EMBRYONNAIRE, NON TUMORALE : angiogénèse : prolifération capillaire, favorisant le flux sanguin vasculogénèse : à partir de progéniteurs endothéliaux artériogénèse : développement des réseaux collatéraux (résistance) Différenciation Migration / Prolifération Hypoxie Facteurs de croissance/Cytokines HIF-1a VEGF, FGF, IGF…

Zebrafish 48hpf: in vivo recording

Cellule endothéliale 1 à 6 10 13 cellules Poids total : 1 kg Surface : 1 à 7 m2 - Corps de Weibel Palade (ME) - Facteur Willebrand - PECAM1 (CD31) / VE-Cadhérine (CD144) - Synthèse de NO (eNOS) - JAMS/Esélectine/VEGFR2 Cellules aplaties (L:100 µm-l:10 µm Épaisseur :0,3 µm) disposées en mosaïque

Origine (multiple) des précurseurs endothéliaux Hémangioblaste HSC Progéniteurs Myéloïdes Progéniteurs Endothéliaux Monocyte

Progéniteurs endothéliaux circulants CD14+ CD34+ Monocyte PEC PEC CD14+,CD34low, KDR+ CD34+, CD133+, KDR+ Sous-type myéloïde « True angioblast » Leri, Circ Res 2005