Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

A new model of blood vessel remodeling

Mecklenburg, Lars

Vascularization not only guarantees nourishment of the tissue, but is also of major importance for tumor growth and metastasis. This has led to a vast amount of investigations that elucidated the mechanisms and molecular controls of blood bessel growth and regression. While most of these studies were focussed on pathological conditions, it became clear that blood vessel remodeling actually is a physiological process, that only occurs temporally limited in certain tissues of the female reproductive tract. The current study aimed at verifying the hypothesis that physiological vascular remodeling also occurs in the skin. Speculating that hair follicles can actively modulate their surrounding vasculature by synthesizing blood vessel-specific growth factors in accordance to their metabolic demand, the depilation-induced hair growth cycle in mouse skin was analyzed to verify this hypothesis. It was investigated whether synchronized hair growth in mice is associated with growth and regression of cutaneous blood vessels, and whether vascular endothelial growth factor (VEGF) and angiopoietins, the two most important families of blood vessel-specific growth factors, are involved in their regulation. Furthermore, a pharmacological manipulation of VEGF and the lack of endogenous VEGF in transgenic mice were examined with regard to their effect on the cutaneous vasculature and hair growth. Morphometric analyses on CD31-stained tissue sections revealed significant changes in the microvessel density and the number of endothelial cells in the cutaneous vasculature, implicating that growth and regression of blood vessels occurs throughout the hair growth cycle. Immunohistological double-staining techniques and electron microscopy were used to show that indeed angiogenesis, comprising proliferation of endothelial cells, occurs subsequent to anagen-development of the hair follicles. In contrast, catagen-development is associated with vascular regression, driven by apoptosis and degeneration of endothelial cells, as was demonstrated by in situ-apoptosis detection and electron microscopy. Immunohistochemistry revealed that the outer root sheath keratinocytes of hair follicles are the predominant source of VEGF and angiopoietins. By qualitative and quantitative (TaqMan) RT-PCR analyses it was shown that the expression of these growth factors and their endothelial cell-specific receptors changes temporally in accordance to the activity of hair follicles. The importance of adequate hair cycle-dependent vascular remodeling was demonstrated by the fact that massive inhibition of angiogenesis leads to a retardation of anagen-development. Investigations in transgenic mice that lack endogenous VEGF in outer root sheath keratinocytes suggest that VEGF in fact is of major importance for the homeostasis of the cutaneous vasculature. However, we demonstrate that the system of growth factors that dictate hair growth-associated vascular remodeling is very complex, since short-term manipulation of single growth factors does not exert definite effects on hair follicle cycling. Based on these findings we present a hypothetical concept of how hair follicles modulate their blood supply according to their metabolic demand. It is concluded that hair follicle cycling in mouse skin provides an easily accessible and intriguing model for the study of physiological blood vessel remodeling, and it is suggested to explore manipulation of the perifollicular vasculature as a new therapeutical approach to manage hair growth disorders.  

Die Gefäßversorgung eines Gewebes stellt nicht nur dessen Ernährung sicher, sondern spielt auch eine große Rolle für das Wachstum und die Metastasierung von Tumoren. Dies hat zu einer Vielzahl experimenteller Studien geführt, die die Mechanismen und die Regulation von Blutgefäßbildung und Blutgefäßregression aufgeklärt haben. Während sich die Mehrzahl dieser Untersuchungen mit pathologischen Prozessen beschäftigte, wurde deutlich, dass Umbauprozesse im Gefäßnetz eigentlich physiologische Vorgänge sind, die jedoch in nur wenigen Geweben des weiblichen Reproduktionstrakts und nur zeitlich beschränkt auftreten. Die vorliegende Studie diente dem Beweis der Hypothese, dass physiologische Umbauprozesse des Gefäßnetzes auch in der Haut vorkommen. Unter der Annahme, dass Haarfollikel aktiv das sie umgebende Gefäßnetzt beeinflussen können, indem sie in Abhängigkeit von ihrem metabolischen Bedarf gefäßspezifische Wachstumsfaktoren synthetisieren, wurde der depilations-induzierte Haarwachstumszyklus in der murinen Haut studiert. Es wurde untersucht, ob in Mäusen synchronisiertes Haarwachstum mit dem Wachstum und der Regression kutaner Blutgefäße einhergeht, und ob vascular endothelial growth factor (VEGF) und Angiopoietine, die zwei wichtigsten Familien gefäßspezifischer Wachstumsfaktoren, in deren Regulation involviert sind. Desweiteren wurden die Effekte einer pharmakologischen Manipulation von VEGF und des Fehlens von endogenem VEGF in transgenen Mäusen hinsichtlich der kutanen Gefäßversorgung und des Haarwachstums untersucht. Morphometrische Analysen an CD31-gefärbten Gewebeschnitten haben gezeigt, dass während des Haarzyklus signifikante Veränderungen in der Gefäßdichte und der Anzahl von Endothelzellen in der Haut auftreten. Dies deutet auf aktives Wachstum und anschließende Regression der kutanen Gefäße innerhalb eines Haarzyklus hin. Immunhistologische Doppelfärbemethoden und Elektronen-mikroskopie wurden eingesetzt, um zu zeigen, dass während der Anagenentwicklung der Haarfollikel tatsächlich Angiogenese auftritt, die Proliferation von Endothelzellen beinhaltet. Im Gegensatz dazu wurde während der Katagenentwicklung eine Gefäßregression beobachtet, die mit Apoptose und Degeneration von Endothelzellen einhergeht, wie mittels in situ-Apoptose-Detektion und Elektronenmikroskopie festgestellt wurde. Immunhistochemische Untersuchungen haben gezeigt, dass die Keratinozyten der äußeren Wurzelscheide der Haarfollikel die hauptsächliche Quelle von VEGF und Angiopoietinen in der Haut darstellen. Mittels qualitativer und quantitativer (TaqMan) RT-PCR Techniken wurde gezeigt, dass die Expression dieser Wachstumsfaktoren und deren endothelzell-spezifischen Rezeptoren abhängig ist von der zyklischen Aktivität der Haarfollikel. Die biologische Bedeutung dieser Gefäßumbauprozesse während des Haarzyklus wurde dadurch aufgezeigt, dass eine massive Hemmung der Angiogenese die Anagenentwicklung der Haarfollikel verzögern kann. Untersuchungen in transgenen Mäusen, denen endogenes VEGF fehlt, lassen vermuten, dass VEGF tatsächlich von entscheidender Bedeutung ist für die Gefäßhomeostase in der Haut. Darüber hinaus wird jedoch verdeutlicht, dass das System der Wachstumsfaktoren, die die haarzyklus-abhängigen Gefässumbauprozesse steuern, sehr komplex ist. So hat die kurzzeitige Manipulation eines einzelnen Wachstumsfaktors keinen eindeutigen Effekt auf die Haarfollikelaktivität hervorgebracht. Auf den Untersuchungsergebnissen dieser Studie basierend wird ein hypothetisches Modell vorgestellt, wie Haarfollikel, in Abhängigkeit von ihren metabolischen Ansprüchen, das sie umgebende Gefäßnetz aktiv modulieren. Der Haarwechsel in der murinen Haut stellt demzufolge ein leicht zugängliches, äußerst interessantes Modellsystem dar, an dem die physiologischen Prozesse des Gefäßumbaus untersucht werden können. Ferner erscheint es sinnvoll, die Manipulation des perifollikulären Gefäßnetzes als einen möglichen Ansatzpunkt für die Behandlung von Haarwachstumsstörungen zu untersuchen.  

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Mecklenburg, Lars: A new model of blood vessel remodeling. Hannover 2002. Tierärztliche Hochschule.

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