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Si les chylomicrons ne peuvent pas pénétrer dans les capillaires, comment alimentent-ils les tissus ?

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Le transport des chylomicrons se fait dans les lactés principalement parce qu'ils sont trop gros pour pénétrer dans les capillaires et pourtant ils fournissent plus tard des triglycérides dans le tissu extra-hépatique en traversant le lit capillaire. Cela semble tout à fait illogique et contradictoire. Donc quelque chose semble avoir mal tourné dans cette ligne de pensée.


Transport lymphatique des lipoprotéines de haute densité et des chylomicrons

1 Département de pathologie et d'immunologie, Washington University School of Medicine, St. Louis, Missouri, États-Unis. 2 Magdalen College, Université d'Oxford, Oxford, Royaume-Uni.

Adressez la correspondance à : Gwendalyn J. Randolph, Department of Pathology and Immunology, Box 8118, Washington University School of Medicine, St. Louis, Missouri 63110, États-Unis. Téléphone : 314.286.2345 Télécopieur : 314.286.2362 Courriel : [email protected] Ou à : Norman E. Miller, Magdalen College, Oxford OX1 4AU, Royaume-Uni. Téléphone : 44.20.7490.3241 Fax : 44.20.7490.3241 E-mail : [email protected]

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1 Département de pathologie et d'immunologie, Washington University School of Medicine, St. Louis, Missouri, États-Unis. 2 Magdalen College, Université d'Oxford, Oxford, Royaume-Uni.

Adressez la correspondance à : Gwendalyn J. Randolph, Department of Pathology and Immunology, Box 8118, Washington University School of Medicine, St. Louis, Missouri 63110, États-Unis. Téléphone : 314.286.2345 Télécopieur : 314.286.2362 Courriel : [email protected] Ou à : Norman E. Miller, Magdalen College, Oxford OX1 4AU, Royaume-Uni. Téléphone : 44.20.7490.3241 Télécopie : 44.20.7490.3241 Courriel : [email protected]

Les cycles de vie des VLDL et de la plupart des LDL se déroulent dans le plasma. En revanche, le rôle des HDL dans le transport du cholestérol à partir des cellules exige qu'elles accèdent facilement au liquide interstitiel et y fonctionnent. Des études sur la lymphe dérivée de la peau, du tissu conjonctif et du tissu adipeux ont démontré que des particules aussi grosses que les HDL doivent être transportées par les lymphatiques pour retourner dans la circulation sanguine pendant le transport inverse du cholestérol. Le ciblage des HDL à des fins thérapeutiques nécessitera de comprendre sa biologie dans le compartiment extravasculaire, dans l'interstitium et la lymphe, dans la santé et la maladie, et nous passons ici en revue les processus qui interviennent dans le transport des HDL et des chylomicrons à travers le système vasculaire lymphatique.

Les HDL constituent l'une des quatre grandes classes de particules qui transportent les lipides entre les organes, les tissus et les cellules (tableau 1). Le « bon cholestérol », terme courant pour le cholestérol HDL, fait référence au rôle établi du HDL dans le transport du cholestérol des tissus périphériques vers le plasma et du plasma vers le foie, où le cholestérol est traité pour être conditionné en acides biliaires pour l'excrétion. Ce rôle biologique présumé anti-athérogène (et donc « bon ») des HDL dans le soutien de l'excrétion de l'excès de cholestérol a été postulé pour la première fois par Glomset et ses collègues (1) et a depuis été appelé transport inverse du cholestérol (2). Par la suite, des preuves significatives ont identifié le HDL comme une cible thérapeutique pour lutter contre l'athérosclérose. Cependant, des essais cliniques récents conçus pour tester si l'augmentation des taux plasmatiques de HDL est bénéfique sur le plan thérapeutique n'ont pas démontré d'efficacité (3 - 5), et des études génétiques ont réfuté la prédiction selon laquelle des taux plus élevés de HDL plasmatiques chez l'homme sont associés à une protection contre les maladies cardiovasculaires (6). . Exploiter le rôle des HDL dans la clairance du cholestérol reste d'un grand intérêt, mais le domaine reconnaît maintenant que de simples mesures du cholestérol HDL plasmatique ne capturent pas sa capacité à soutenir l'efflux de cholestérol des cellules, y compris les macrophages chargés de cholestérol dans les plaques athéroscléreuses. En effet, le site le plus important à partir duquel les HDL agissent pour favoriser l'efflux de cholestérol des cellules se trouve dans la matrice extracellulaire des tissus, et non dans le plasma. Il est plausible que certaines personnes qui présentent des taux élevés de cholestérol HDL plasmatique aient une mauvaise recirculation des HDL et/ou fonctionnent mal dans l'interstitium des tissus, ce qui entraîne un mauvais afflux de cholestérol aux sites pertinents. Cette revue considère ce qui est connu sur le cholestérol HDL dans l'interstitium et son transport à travers les vaisseaux lymphatiques comme une partie requise de son rôle dans le transport inverse du cholestérol. Pour examiner de manière plus approfondie ce sujet, nous discutons également du transport des chylomicrons via les vaisseaux lymphatiques, un processus qui peut donner un aperçu du transport des HDL à partir d'autres tissus périphériques.

Principales classes de lipoprotéines

La principale apolipoprotéine des HDL est l'apoA1. Lorsque le volume total de liquide interstitiel est pris en compte et sa concentration considérée, environ la moitié de toutes les apoA1 dans le corps sont extravasculaires et se trouvent dans le liquide interstitiel des organes périphériques (7). Les calculs basés sur le nombre de particules de lipoprotéines dans le plasma (8) et les concentrations d'apoA1 et d'apoB (la protéine principale des LDL) dans le plasma et la lymphe périphérique (9) indiquent que dans le liquide interstitiel humain normal, il y a généralement plus de 50 particules de HDL pour un LDL particule. Néanmoins, malgré son importance manifeste par rapport au transport des lipides dans la santé et la maladie, il existe une pénurie d'informations sur les HDL dans le liquide interstitiel des tissus périphériques, en raison de la difficulté d'obtenir suffisamment de liquide dans des conditions physiologiques.

Bien que l'implantation sous-cutanée de sondes de microdialyse fournisse des informations précieuses sur le mouvement de petites molécules entre le plasma et le liquide interstitiel chez l'homme, le seuil de taille moléculaire des sondes est trop bas pour la récupération des lipoprotéines (10, 11). Les mèches sous-cutanées (12) fournissent un matériau insuffisant pour l'analyse de la composition en lipoprotéines. Des volumes plus importants sont obtenus à partir des cloques d'aspiration (13), mais le liquide des cloques d'aspiration est non physiologique, formé par la séparation du derme de l'épiderme (14). La seule approche viable est la collecte de liquide interstitiel car il s'écoule des tissus via les vaisseaux lymphatiques afférents avant d'atteindre les LN (Figure 1). Un principe sous-jacent de cette approche est que le liquide interstitiel descend un gradient de pression du sang aux capillaires lymphatiques de sorte que la composition de la lymphe reflète étroitement le liquide interstitiel lui-même (15). Comme observé chez la souris, une caractéristique clé permettant le mouvement du liquide dans la lymphe est la structure des jonctions inter-endothéliales, organisées de manière à ce que les adhérences soient discontinues, comme des boutons sur un manteau, pour générer des rabats entre les boutons (Figure 1) qui peuvent être tirés. ouvert sous tension en ancrant des filaments attachés au capillaire, rendant le vaisseau accessible aux grosses macromolécules (16). La transcytose après absorption de liquide par micropinocytose et/ou endocytose médiée par les récepteurs peut également contribuer à l'entrée de la lymphe dans les capillaires lymphatiques (17).

Organisation de la vascularisation lymphatique. Les capillaires lymphatiques forment des vaisseaux aux extrémités aveugles dans tous les organes (appelés lactés dans l'intestin). Ces vaisseaux convergent et se transforment en vaisseaux lymphatiques collecteurs entourés de muscles (lignes rouges recouvrant les vaisseaux lymphatiques). Les navires collecteurs sont interrompus par les LN. Les vaisseaux collecteurs et les LN sont entourés de tissu adipeux. Le plus grand vaisseau collecteur, le canal thoracique, draine la lymphe collectée de tous les organes dans la circulation sanguine au niveau de la veine sous-clavière. Les encarts détaillent la structure des capillaires lymphatiques par rapport à l'absorption des lipoprotéines. Dans les tissus tels que la peau et les poumons, des jonctions en forme de bouton séparent les cellules endothéliales et créent des lambeaux, qui permettent l'entrée indépendante des récepteurs des molécules dans la lymphe. Dans l'intestin, de gros pores peuvent se former aux extrémités. L'organisation artério-capillaire précise est inconnue. L'entrée des HDL discoïdes dans la lymphe cutanée peut être médiée par des récepteurs via la liaison de SR-B1 (encadré de gauche), mais des travaux supplémentaires sont nécessaires pour le confirmer. L'encart de droite représente la transition fenêtrée du capillaire artériel au capillaire sanguin veineux autour de chaque lacté intestinal. Des nutriments plus petits non emballés dans des chylomicrons pénètrent dans le système vasculaire sanguin qui mène à la veine porte, mais les chylomicrons sont trop gros. Ils pénètrent dans les vaisseaux lactés au moyen d'une exclusion de taille, qui joue également un rôle clé dans l'acheminement des HDL vers la lymphe d'autres organes. Les macrophages et les CD endocytosent au moins certaines molécules dans les villosités intestinales, réduisant leur transit dans les vaisseaux lactés, même s'ils contournent l'entrée dans le système vasculaire sanguin.

Les premières données sur les lipoprotéines de la lymphe périphérique humaine ont été obtenues par Reichl et ses collègues, en utilisant du liquide prélevé dans un vaisseau superficiel dans le dos du pied. Dans des études menées entre 1973 et 1989, ils ont montré que les lipoprotéines lymphatiques diffèrent de celles du plasma en concentration et en composition. Les concentrations d'apoA1 et d'apoB étaient beaucoup plus faibles que dans le plasma (18 – 20), et toute l'apoB était dans les LDL (21). Des études avec des lipoprotéines radiomarquées ont confirmé que les apolipoprotéines lymphatiques étaient dérivées du plasma (22). Les mesures de la radioactivité spécifique du cholestérol dans la lymphe plusieurs semaines après la perfusion intraveineuse de cholestérol radiomarqué ont indiqué que celle-ci dépassait celle du cholestérol plasmatique (23). les particules contenant de l'apoA1 avaient un spectre de taille plus large dans la lymphe que dans le plasma et étaient enrichies en cholestérol de radioactivité spécifique relativement élevée (19, 24). Ces études, examinées ailleurs en détail (25), étaient cohérentes avec le concept proposé par Glomset (1) selon lequel les HDL sont les véhicules de transport du cholestérol à partir des tissus. Reichl et al. ( 26 ) ont par la suite découvert que la lymphe périphérique contenait des particules avec apoA1, mais pas d'apoA2, de taille et de charge similaires à celles des préβ-HDL, de petites particules pauvres en lipides que Castro et Fielding ( 27 ) avaient montrées comme étant les principaux accepteurs de dérivés cellulaires. cholestérol des fibroblastes cultivés. Une étude d'intervention a montré que le traitement par le gemfibrozil, un activateur oral de fénofibrate de PPARα, augmentait l'apoA1 et le cholestérol dans la lymphe mais pas dans le plasma et a démontré le potentiel de la méthode pour obtenir un aperçu unique du transport extravasculaire du cholestérol (28).

Miller et ses collègues (29) ont amélioré la procédure de collecte de lymphe, sur la base d'une méthode originale d'Engeset et al. (30), dans lequel la lymphe est collectée à partir d'un plus grand vaisseau lymphatique afférent dans la partie inférieure de la jambe, permettant la collecte à des débits de 0,25 à 2,0 ml/h pendant plusieurs jours. La lymphe de ce vaisseau est dérivée de la peau, du tissu adipeux et du tissu conjonctif. Conformément à Reichl et al. (18 – 21), la lymphe était essentiellement dépourvue de VLDL. Avec toutes les apoB dans les LDL (9, 29), les rapports apoA1/apoB et sphingomyéline/phosphatidylcholine étaient supérieurs à ceux du plasma. Plusieurs semaines après la perfusion de cholestérol radiomarqué par voie intraveineuse, la radioactivité spécifique du cholestérol lymphatique dépassait celle du cholestérol plasmatique (31). Les HDL de la lymphe étaient enrichies en grosses particules contenant de l'apoA1 avec une teneur élevée en cholestérol non estérifié, en phospholipides et en apo E (7, 9, 29). A l'autre extrémité du spectre de taille, les plus petites particules contenant de l'apoA1 étaient enrichies en phospholipide. La lymphe contenait également des particules de HDL discoïdes (29). De telles HDL ne sont jamais observées dans le plasma, sauf chez les sujets présentant un déficit familial en lécithine-cholestérol acyltransférase (LCAT). D'une importance particulière pour la clairance du cholestérol à partir de la périphérie, la concentration de cholestérol total dans les HDL lymphatiques était d'environ 30 % supérieure à ce qui pourrait être expliqué par le transfert transendothélial de HDL à partir du plasma, indiquant que les HDL acquièrent le cholestérol des cellules du compartiment extravasculaire. La concentration de préβ-HDL dans la lymphe était positivement et indépendamment liée aux concentrations plasmatiques de préβ-HDL et de α-HDL lymphatique (HDL mature et sphéroïdal riche en ester de cholestérol [riche en CE]), ce qui suggère que les particules de préβ-HDL dans la lymphe résultent non seulement de le transport hors du plasma, mais aussi du remodelage de la -HDL dérivée du plasma dans le liquide interstitiel (Figure 2). Des résultats concordants ont été obtenus lorsque les mêmes particules ont été quantifiées par chromatographie (32). Des études d'incubation in vitro ultérieures ont montré que le remodelage des lipoprotéines dans le liquide interstitiel génère du préβ-HDL à partir de l'-HDL, contrairement au plasma dans lequel il y a une conversion nette dans le sens inverse (7). Le fait que la durée de ces incubations n'était pas supérieure au temps de résidence moyen apparent des HDL dans la matrice extracellulaire chez l'homme (33) suggère que ce processus peut être une source importante de préβ-HDL in vivo.

Le cycle intravasculaire/extravasculaire du remodelage des HDL qui maintient le transport inverse du cholestérol. (i) Transfert de HDL à travers l'endothélium vasculaire. (ii) Production de petites préβ-HDL contenant de l'apoA1 pauvre en lipides dans le liquide interstitiel par le remodelage des α-HDL sphéroïdales riches en CE. (iii) Conversion des préβ-HDL en HDL discoïdes par absorption de cholestérol non estérifié (chol) et de phospholipide (PL) via les transporteurs ABCA1 des cellules périphériques. (iv) Transport des disques via le système lymphatique vers le sang via le canal thoracique. (v) Conversion des disques en α-HDL sphéroïdales riches en CE dans le plasma par l'action de LCAT. (vi) Transfert de CE des α-HDL aux cellules hépatiques, directement via les récepteurs SR-B1 et indirectement via la CETP et les lipoprotéines contenant de l'apoB (VLDL et LDL) qui sont endocytosées par les récepteurs apoB100. La fonction principale de LCAT est de générer des EC pour la livraison au foie. La production nette de préβ-HDL dans le liquide interstitiel semble être maintenue par un rapport élevé de PLTP actif/inactif en présence d'un taux d'estérification de cholestérol proche de zéro, contrairement à un taux d'estérification élevé et à un rapport PLTP actif/inactif plus faible dans plasma. Les flèches noires représentent le chemin de l'apoA1 en tant que composant de différentes HDL lorsqu'elles se déplacent entre les compartiments intravasculaires et extravasculaires. Les flèches rouges représentent le flux de cholestérol, initialement sous forme de cholestérol non estérifié dans le liquide interstitiel et la lymphe, puis sous forme de CE dans le sang.

En comparant les teneurs en cholestérol des sous-classes de taille des HDL dans la lymphe avec celles dans le plasma, le taux de transport du cholestérol dans l'ensemble du corps via la lymphe a été estimé à 0,89 mmol (344 mg) par jour en moyenne, ce qui était compatible avec les estimations publiées du renouvellement du cholestérol dans l'ensemble du corps par analyse de dilution isotopique (34). Prises ensemble, ces études suggèrent que l'interstitium est un site majeur pour la génération de préβ-HDL et impliquent le système vasculaire lymphatique comme principale voie de transit pour le mouvement des HDL de l'interstitium vers la circulation sanguine et le foie. Le concept selon lequel le HDL repose sur les vaisseaux lymphatiques pour retourner dans le sang pendant le transport inverse du cholestérol a été démontré chez la souris, chez qui le système vasculaire lymphatique a été perturbé chirurgicalement ou génétiquement dans la peau, entraînant des réductions marquées de l'apparition de cholestérol marqué dans le plasma provenant d'implants. macrophages tissulaires (35, 36).

L'influence du nombre de particules de HDL dans le liquide interstitiel sur le taux de transport inverse du cholestérol a été évaluée par perfusion intraveineuse de disques d'apoA1/lécithine reconstitués, connus pour produire une augmentation rapide de la concentration plasmatique de HDL (37), chez des humains sains ayant reçu auparavant du cholestérol radiomarqué ( 31 ). Pendant sept jours de collecte continue de la lymphe, la perfusion a produit des augmentations séquentielles des HDL plasmatiques, des préβ-HDL lymphatiques, de la radioactivité lymphatique spécifique au cholestérol (cohérente avec l'efflux de cholestérol des tissus) et de l'excrétion fécale des acides biliaires. Aucun changement ne s'est produit dans les concentrations lymphatiques d'enzymes qui remodèlent collectivement les HDL (38), y compris LCAT, qui estérifie le cholestérol libre pour l'emballage dans le noyau central des HDL sphériques, ou la protéine de transfert des phospholipides (PLTP) et la protéine de transfert CE (CETP), qui catalysent l'échange de lipides entre les particules HDL ou vers d'autres sous-classes de lipoprotéines. En effet, le taux d'estérification du cholestérol et l'activité de la CETP sont tous deux très faibles dans la lymphe par rapport au plasma (7). D'autre part, la PLTP a une activité spécifique plus élevée dans la lymphe que dans le plasma, en raison d'un rapport plus important entre les formes actives et inactives (7). L'activité spécifique élevée de la PLTP, associée à l'absence d'estérification du cholestérol, qui favorise la conversion de la préβ-HDL en α-HDL, contribue probablement à la propension du liquide interstitiel à générer des particules de préβ-HDL avec une activité élevée pour éliminer le cholestérol des cellules ( 7 ). À la lumière de la nécessité de mieux comprendre l'impact de l'inhibition de la CETP sur le transport du cholestérol chez l'homme (3), l'effet de l'activité de la CETP ou de son inhibition sur l'efficacité avec laquelle les HDL circulent dans l'interstitium est d'une importance primordiale à étudier.

Dans l'ensemble, les preuves collectives de ces études sont cohérentes avec le schéma de la figure 2. Le passage des α-HDL dans l'interstitium à travers l'endothélium peut se produire par transcytose à travers les cellules endothéliales, comme suggéré dans les études in vitro (39, 40), mais les travaux en cours in vivo suggère un modèle à 2 pores d'ultrafiltration plutôt que de transcytose (nos observations non publiées). Lorsque les rayons connus des différentes sous-classes de HDL sont comparés à ceux des pores, le passage des petites aux grandes sous-classes de HDL qui se produit lorsque les récepteurs charognards B1 (SR-B1) et CETP sont réduits devrait produire une réduction majeure du α total. -Le transport des HDL dans le liquide interstitiel, cohérent avec l'observation selon laquelle les grosses lipoprotéines ne pénètrent pas dans la paroi artérielle (41). De petites HDL contenant de l'apoA1 et pauvres en lipides avec une mobilité préβ électrophorétique sont générées dans le liquide interstitiel par remodelage des α-HDL sphéroïdales dérivées du plasma. Les préβ-HDL dans le liquide interstitiel interagissent ensuite avec les transporteurs ABCA1 sur les cellules extravasculaires pour acquérir du cholestérol et des phospholipides non estérifiés, ce qui entraîne la formation de HDL discoïdes, qui se rendent dans le sang via le système lymphatique avec d'autres macromolécules qui dépassent le rayon du TNF-α ( 3,24 nm) (42). Le HDL a un rayon de 3,82 à 5,43 nm (43, 44). Lors de la réintroduction du sang au niveau du canal thoracique, les HDL discoïdes agissent comme des substrats efficaces pour la LCAT, générant des α-HDL sphéroïdales riches en CE. Le transfert des CE vers le foie se produit par deux processus : l'absorption directe des α-HDL via SR-B1 et le transfert vers les VLDL et les LDL via la CETP. Le remodelage extravasculaire-intravasculaire cyclique des HDL est essentiel pour maintenir un flux de cholestérol des cellules périphériques vers le foie en vue de sa réutilisation et de son élimination sous forme d'acides biliaires.

La lymphe périphérique diffère en fonction et en composition de la lymphe intestinale. Ce dernier transporte des chylomicrons nouvellement synthétisés, dont le rayon est au moins d'un ordre de grandeur supérieur à celui des HDL, de l'iléon vers la circulation sanguine lors de l'absorption des graisses ingérées. Avec le foie, l'iléon est une source importante d'apoA1 nouvellement synthétisée, qui apparaît dans la lymphe intestinale en partie en tant que composant des chylomicrons naissants et en partie en combinaison avec des phospholipides et du cholestérol sous forme de HDL discoïde naissant (45, 46). Les capillaires lymphatiques absorbants pour les lipoprotéines dans l'intestin s'étendent en un seul vaisseau lymphatique dans chaque villosité, appelé lacté (Figure 1). Ceux-ci se drainent dans les vaisseaux lymphatiques collecteurs mésentériques qui traversent la graisse mésentérique et pompent activement la lymphe sous contrôle musculaire et neural (47-49). Cette lymphe traverse les LN mésentériques et finalement dans le canal thoracique qui draine la lymphe riche en chylomicrons transportée dans la circulation sanguine au niveau de la veine sous-clavière gauche. Il est à noter que ce mode de transport entraîne le passage des lipoprotéines dérivées de la lymphe, y compris les nutriments collectés sous forme de « repas gras », non seulement par les LN mésentériques (avant d'entrer dans le canal thoracique), mais aussi par le cœur et le système vasculaire du poumon et par la suite d'autres organes, où ils sont dégradés par la lipoprotéine lipase. Les particules résiduelles dérivées de ces lipoprotéines ont accès au foie, contrastant fortement avec les nutriments non gras qui pénètrent directement dans la circulation veineuse porte à partir des villosités intestinales. Une conséquence de cette voie de transit est que le poumon peut être exposé aux lipolysaccharides et à d'autres composants du microbiote intestinal ayant une affinité pour les lipoprotéines qui pénètrent dans la lymphe (50). Par conséquent, lorsque la fuite intestinale du microbiote est suffisamment importante pour menacer une défaillance organique, le poumon est particulièrement sensible (50). Il est donc important que les LN, à travers lesquels circule toute la lymphe, répondent et filtrent la lymphe absorbée pour protéger l'hôte contre les lipoprotéines inflammatoires. Les souris dépourvues de l'inhibiteur de lipoprotéine lipase angiopoïétine-like 4, qui est exprimé dans les macrophages mésentériques LN, sont sensibles à une inflammation mortelle dans les LN mésentériques exposés à des chylomicrons contenant des graisses saturées (51). La sécrétion d'apoA1 par l'intestin lui-même peut également protéger l'hôte de l'inflammation mésentérique, étant donné les propriétés anti-inflammatoires des HDL (52). Il serait intéressant de tester si les réactions indésirables aux fuites intestinales sont accrues lorsque la sécrétion d'apoA1 par les entérocytes est sélectivement perdue.

Les vaisseaux lymphatiques de tous les organes périphériques, comme ceux de l'intestin, convergent avec le canal thoracique de sorte que la lymphe délivrée à l'approvisionnement en sang veineux est un mélange de lymphe intestinale et de lymphe drainant d'autres tissus périphériques (Figure 1). On ne sait toujours pas à quel point les mécanismes d'absorption des lipoprotéines entre les voies lactées intestinales et les capillaires lymphatiques sont similaires dans d'autres organes. Nous privilégions le concept selon lequel les lipoprotéines pénètrent dans la lymphe, qu'elles soient lactées ou capillaires lymphatiques dans d'autres organes, par des mécanismes non sélectifs en ce qui concerne la composition moléculaire de la cargaison entrante ou des récepteurs spécifiques. Ce point de vue, soutenu par la similitude entre le liquide interstitiel et la lymphe (15), pourrait expliquer comment une variété de molécules exogènes, y compris les colorants traceurs, les dextranes, les protéines étrangères et les nanoparticules, pénètrent facilement dans la lymphe. Ce point de vue n'exclut pas la possibilité que des mécanismes actifs comme la macropinocytose contribuent à l'entrée de liquide dans le vaisseau lymphatique (17). En opposition au concept d'entrée indépendante du récepteur, Lim et al. ont rapporté que le SR-B1 est requis pour l'absorption des HDL dans le système vasculaire lymphatique de la peau (36), ce qui implique que les HDL pourraient être piégés dans les tissus par la perte de SR-B1 sur les capillaires lymphatiques. Si cette découverte est largement applicable, la prémisse selon laquelle les évaluations des lipoprotéines dans la lymphe afférente reflètent celles du liquide interstitiel peut ne pas tenir dans au moins certaines circonstances. En revanche, la présence ou l'absence de SR-B1 ne module pas l'absorption des chylomicrons dans l'intestin (53). Des explications alternatives existent peut-être pour le rôle proposé de SR-B1 dans le transit des HDL hors de la peau. Par exemple, la souris déficiente en SR-B1 accumule de très grosses particules de HDL dans la circulation (54, 55), de sorte que le plasma peut être incapable de fournir à l'interstitium des accepteurs de HDL, ce qui conduit à une autre explication de l'échec du cholestérol inverse. transport du cholestérol administré de manière exogène. De plus, SR-B1 joue un rôle pivot dans la fonction plaquettaire (56). Les plaquettes sont des médiateurs essentiels dans le développement du système vasculaire lymphatique grâce à leur expression de CLEC2 (57-59), un récepteur clé de la lectine de type C pour la podoplanine qui est largement exprimé sur les cellules endothéliales lymphatiques. Ainsi, le système vasculaire lymphatique cutané peut être anormal chez les souris déficientes en SR-B1, affectant ainsi négativement le transport inverse du cholestérol sans absorption directe des HDL dans les vaisseaux lymphatiques. D'autre part, comme les preuves indiquent un rôle extrahépatique du SR-B1 dans la promotion des maladies cardiovasculaires (60), la possibilité que soit l'absorption des HDL dans les tissus via l'endothélium vasculaire, ce qui peut nécessiter au moins partiellement SR-B1 (61), ou sa sortie des tissus via les vaisseaux lymphatiques (36) pourrait contribuer à un mauvais transport inverse du cholestérol, et donc à l'athérosclérose, est plausible et intrigante.

Bien que l'on en sache plus sur l'absorption des chylomicrons dans les lactés que sur l'absorption des lipoprotéines dans les lymphatiques périphériques, la littérature est globalement rare dans ce domaine important. Souris nouveau-nées déficientes en gène de type adénome pléomorphe 2 (Plag2) succomber à un syndrome de dépérissement résultant d'un échec de l'absorption des chylomicrons ( 62 ). Dans cette étude, PLAG2 était fortement exprimé par les entérocytes, avec au moins une certaine expression par les lactés également. La coloration à l'huile rouge O a indiqué une accumulation de lipides dans les entérocytes, tandis que les micrographies électroniques ont révélé que les chylomicrons étaient libérés de l'épithélium mais ne pouvaient pas pénétrer dans le lacté. Plag2 carence a également entravé l'absorption du cholestérol dans d'autres tissus du plasma. Il y a eu peu de suivi de cette étude, et il reste difficile de savoir si l'absorption des chylomicrons est coordonnée par les lactés d'une manière dépendante de PLAG2 ou si d'autres changements liés à la sécrétion, à la composition ou à la taille des chylomicrons expliquent les résultats observés.

En ce qui concerne la taille des particules, il est possible de développer un modèle de travail pour expliquer pourquoi les graisses emballées dans des chylomicrons pénètrent exclusivement dans le système vasculaire lymphatique, alors que la plupart des nutriments traversent le système veineux porte pour une livraison primaire au foie. Le réseau capillaire sanguin qui entoure chaque lacté est fenêtré, notamment du côté veineux. Ces fenestrations facilitent la résorption des nutriments, même si elles permettent également l'ultrafiltration des molécules du système vasculaire systémique dans la lamina propria. Cependant, les fenêtres sont trop étroites pour permettre le passage même de la plus petite gamme de tailles de chylomicrons (63). Par conséquent, l'exclusion de taille, tout comme le mécanisme postulé pour l'entrée des HDL dans les vaisseaux lymphatiques cutanés (42), explique probablement pourquoi les chylomicrons sont dirigés vers la périphérie à travers le système vasculaire lymphatique, plutôt que vers le foie à travers le système vasculaire veineux porte. On pense que la pointe du lacté contient de gros pores qui, contrairement aux vaisseaux sanguins voisins, sont de taille suffisante pour permettre l'entrée des chylomicrons (64). Le fait que les vaisseaux sanguins fenêtrés se trouvent au sommet de la lactation autour d'une grande partie de sa surface exposée contribue probablement à garantir que les molécules plus petites, y compris les nutriments hydrophiles et les antigènes non emballés dans des chylomicrons, accèdent principalement au système vasculaire sanguin pour le transport, bien qu'il y ait une certaine probabilité qu'une partie de ces petites molécules contourne le système vasculaire fenêtré et pénètre dans la lymphe (Figure 1), ce qui est conforme aux observations expérimentales. De plus, le riche réseau de macrophages et de DC dans les villosités intestinales acquiert de nombreuses macromolécules qui pénètrent dans les villosités intestinales par endocytose robuste (65). Leur activité endocytaire collective protégeait le lacté de l'absorption d'antigènes traceurs, tandis que l'épuisement de ces cellules permettait une absorption accrue dans le lacté, avec un changement résultant de la réponse immunitaire qui s'ensuivait (65). L'étude n'a pas cherché à savoir si la présence de macrophages et de CD affectait l'absorption des chylomicrons ou l'absorption d'autres nutriments. Cette question mérite l'attention dans les recherches futures en raison de ses implications importantes. Premièrement, les médicaments conçus pour cibler les chylomicrons pour le transport dans le système vasculaire lymphatique pourraient éviter la toxicité hépatique parfois associée à des doses plus élevées de médicaments qui sont transportés à travers le système vasculaire veineux porte (66). D'autre part, le fait que les toxines environnementales comme le dichlorodiphényltrichloroéthane accèdent d'abord à la circulation systémique, plutôt qu'à la circulation porte, où elles pourraient être détoxifiées par le foie, augmente le danger qu'elles représentent pour la santé humaine (67). Ainsi, pour des raisons allant du maintien de la santé cardiovasculaire et immunologique à la prévention de la toxicité des médicaments, une meilleure compréhension est nécessaire sur la façon dont les vaisseaux lymphatiques dans l'intestin absorbent les chylomicrons et autres macromolécules. Nous pensons que ces études ont un mérite en elles-mêmes et fournissent également une base pour de futures études sur l'entrée des HDL dans les vaisseaux lymphatiques de la périphérie.

Des interventions cliniques réussies pour améliorer la santé cardiovasculaire basées sur le ciblage des HDL peuvent nécessiter que nous explorions plus en détail comment le cycle HDL (Figure 2) est régulé et comment il peut différer dans divers tissus et organes. La propension des macrophages à donner du cholestérol aux HDL pendant le transport inverse du cholestérol diffère entre les différents compartiments anatomiques (35). Pourtant, la raison de cela reste floue. L'apoA1 est-elle plus enrichie en liquide interstitiel à différents sites anatomiques ? Ou l'espace relatif du liquide interstitiel autour des macrophages influence-t-il le transport inverse du cholestérol, de sorte que les sites d'inflammation, par exemple la plaque athéroscléreuse, où les macrophages sont agrégés, supporteraient un taux de transport inverse du cholestérol plus lent ? Le taux d'écoulement du liquide interstitiel influence-t-il de manière mesurable le taux et l'étendue du transport inverse du cholestérol ? L'efficacité globale du transport lymphatique affecte-t-elle le développement ou la réversibilité des maladies liées au cholestérol comme l'athérosclérose ?

Répondre à ces questions nécessite plus de recherches sur le rôle des lymphatiques dans l'élimination du cholestérol des parois artérielles où se produisent les plaques d'athérosclérose. L'adventice des grosses artères est alimentée en vaisseaux lymphatiques dans le cadre des vasa vasorum, et les plaques athéroscléreuses avancées favorisent la croissance des vaisseaux lymphatiques dans l'intima des plaques (68). Martel et al. utilisé une technique chirurgicale qui suggère que les vaisseaux lymphatiques médient l'élimination du cholestérol de la paroi artérielle (35). Ce travail, examiné plus en détail ailleurs (69), doit être vérifié dans des modèles qui ne nécessitent pas de remodelage lymphatique dans le cadre de l'expérience. Atteindre cet objectif nécessitera probablement des modèles expérimentaux avec des vaisseaux lymphatiques plus gros que ceux observés chez la souris. Les interventions chirurgicales expérimentales chez le porc ne nécessitent pas de greffe aortique complète. Remarquablement, l'administration d'esters de cholestérol marqués, sous forme de LDL ou de HDL, à un segment ligaturé et temporairement contourné de l'aorte thoracique de porc a révélé que le HDL traverse la média et pénètre efficacement dans l'adventice, ce qui a conduit les chercheurs à la fin des années 1980 à conclure que Le HDL a probablement été éliminé par les lymphatiques adventitiels (70, 71). Le LDL marqué, en revanche, ne pénétrait que dans la couche intimale, indiquant une spécificité du trafic à travers la paroi médiale pour le HDL marqué.

Néanmoins, le transport des HDL dans les artères est moins bien étudié et peut différer de celui de la peau, il faut donc faire preuve de prudence lors de l'extrapolation des études de la lymphe périphérique au liquide interstitiel des artères malades. Furthermore, much of the apoA1 in plaque has been rendered dysfunctional ( 72 ). On the other hand, as skin is the largest organ in the body, a substantial fraction of apoA1 is continually found there, making skin a key player in the HDL cycle regardless of how lipoproteins are transported from arteries. Indeed, hypercholesterolemic mice lacking apoA1 suffer from massive sequestration of cholesterol predominantly in skin ( 73 ). Hypercholesterolemia also impairs lymphatic transport from the skin ( 74 ), but quantifying transport from other body sites, including the artery wall, will require the development of novel assays.

Because it has proven more challenging than expected to understand the HDL cycle well enough to manipulate it therapeutically, significant attention should be focused on the half of apoA1-bearing HDL particles found within interstitia. This part of the HDL life cycle remains relatively inaccessible for study, yet transit through the interstitium is certainly as critical as the period that HDL spends in plasma. Although recent studies have recognized that simple measurements of plasma HDL cholesterol are insufficient to predict efficacy in promoting cholesterol efflux, new assays to measure HDL function still focus on HDL in the plasma ( 64 ), making it impossible to determine whether some individuals have defective trafficking or activity of HDL within the interstitium. However, a critical unanswered question is whether evaluation of HDL remodeling and passage through skin, by far the largest and most accessible tissue, would be valuable or detract from our understanding of HDL in the interstitium of the artery wall. On the other hand, focusing on mechanisms that regulate passage of HDL through any interstitium, including those that enhance passage of nascent HDL into tissues and support its ability to later enter lymph loaded with large amounts of cholesterol, would likely benefit our understanding of cholesterol uptake by HDL in all tissues, including the artery wall.

Easton et al. infused reconstituted HDL and observed clearance of apoA1 from the plasma in a biphasic manner ( 75 ), with a secondary rise in apoA1 between 24 to 48 hours, consistent with two pools of HDL ( 75 , 76 ). The second pool is likely the interstitial pool of HDL, in which HDL has a mean residence time of approximately 29 hours ( 33 ). Thus, the second rise of apoA1 may mark the return of HDL to plasma after its transit through the interstitium, much of it likely in transit through the large organ of the skin. Nanjee et al. ( 31 ) observed a similar biphasic effect on plasma preβ-HDL concentration after intravenous infusion of reconstituted HDL, compatible with delayed appearance in plasma of preβ-HDLs generated from increased remodeling of plasma-derived α-HDLs in the interstitium. Detailed assessment of this biphasic clearance is warranted. If it serves as a readout of interstitial passage of HDL, an assay more accessible than lymph cannulation may emerge to allow estimates of HDL flux through the interstitium in large cohorts of people. These assessments in turn would make it possible to determine whether such information provides valuable predictors for coronary health.

The authors are grateful for insightful discussions with Mary Sorci-Thomas (Wake Forest University, Winston-Salem, North Carolina, USA) and Nick Davidson (Washington University School of Medicine, St. Louis, Missouri, USA) prior to the preparation of this article. The preparation of this article was supported in part by NIH grants HL096539 and AI049653 and a Breakthrough Award from the Kenneth Rainin Foundation to G.J. Randolph.

Conflit d'intérêt: Norman E. Miller is a consultant to uniQure BV, Amsterdam, Netherlands.

Informations de référence: J Clin Invest. 2014124(3):929–935. doi:10.1172/JCI71610.


Distribution of Lymphatic Vessels

The lymphatic system comprises a network of conduits called lymphatic vessels that carry lymph unidirectionally towards the heart.

Objectifs d'apprentissage

Describe the structure of the lymphatic system and its role in the immune system and blood circulation

Points clés à retenir

Points clés

  • The lymph system is not a closed system. Lymph flows in one direction toward the heart.
  • Lymph nodes are most densely distributed toward the center of the body, particularly around the neck, intestines, and armpits.
  • Lymph vessels and nodes are not found within bone or nervous system tissue.
  • Afferent lymph vessels flow into lymph nodes, while efferent lymph vessels flow out of them.
  • Lymphatic capillaries are the sites of lymph fluid collection, and are distributed throughout most tissues of the body, particularly connective tissue.

Mots clés

  • lymphe: A colorless, watery, bodily fluid carried by the lymphatic system, consisting mainly of white blood cells.
  • plasma: The straw-colored/pale-yellow liquid component of blood that normally holds the blood cells of whole blood in suspension.
  • Efferent: A type of vessel that flows out of a structure, such as lymph vessels that leave the spleen or lymph nodes and arterioles that leave the kidney.

The lymphatic system is a circulatory system for lymphatic fluid, comprising a network of conduits called lymphatic vessels that carry the fluid in one direction toward the heart. Its functions include providing sites for certain immune system functions and facilitating plasma circulation in the cardiovascular system. The lymphatic system is composed of many different types of lymph vessels over a wide distribution throughout the body.

Lymph Node Distribution

Système lymphatique: The lymph nodes and lymph vessels in human beings.

Lymphatic vessels are most densely distributed near lymph nodes: bundles of lymphoid tissue that filter the lymph fluid of pathogens and abnormal molecules. Adaptive immune responses usually develop within lymphatic vessels. Large lymphatic vessels can be broadly characterized into two categories based on lymph node distribution.

  • Afferent lymphatic vessels flow into a lymph node and carry unfiltered lymph fluid.
  • Efferent lymphatic vessels flow out of a lymph node and carry filtered lymph fluid. Lymph vessels that leave the thymus or spleen (which lack afferent vessels) also fall into this category.

Lymph nodes are most densely distributed around the pharynx and neck, chest, armpits, groin, and around the intestines. Afferent and efferent lymph vessels are also most concentrated in these areas so they can filter lymph fluid close to the end of the lymphatic system, where fluid is returned into the cardiovascular system. Conversely, lymph nodes are not found in the areas of the upper central nervous system, where tissue drains into cerebrospinal fluid instead of lymph, though there are some lymph vessels in the meninges. There are few lymph nodes at the ends of the limbs. The efferent lymph vessels in the left and lower side of the body drain into the left subclavian vein through the thoracic duct, while the efferent lymph vessels of the right side of the body drain into the right subclavian vein through the right lymphatic duct.

Flow Through Lymph Vessels

Les vaisseaux lymphatiques commencent par la collecte du liquide lymphatique du liquide interstitiel. This fluid is mainly water from plasma that leaks into the intersitial space in the tissues due to pressure forces exerted by capillaries (hydrostatic pressure) or through osmotic forces from proteins (osmotic pressure). When the pressure for interstitial fluid in the interstitial space becomes large enough it leaks into lymph capillaries, which are the site for lymph fluid collection.

Like cardiovascular capillaries, lymph capillaries are well distributed throughout most of the body’s tissues, though they are mostly absent in bone or nervous system tissue. In comparison to cardiovascular capillaries, lymphatic capillaries are larger, distributed throughout connective tissues, and have a dead end that completely prevents backflow of lymph. That means the lymphatic system is an open system with linear flow, while the cardiovascular system is a closed system with true circular flow.

Lymph flows in one direction toward the heart. Lymph vessels become larger, with better developed smooth muscle and valves to keep lymph moving forward despite the low pressure and adventia to support the lymph vessels. As the lymph vessels become larger, their function changes from collecting fluid from the tissues to propelling fluid forward. Lymph nodes found closer to the heart filter lymph fluid before it is returned to venous circulation through one of the two lymph ducts.


The Truth about Storing and Using Body Fat

Before the prepackaged food industry, fitness centers, and weight-loss programs, our ancestors worked hard to even locate a meal. They made plans, not for losing those last ten pounds to fit into a bathing suit for vacation, but rather for finding food. Today, this is why we can go long periods without eating, whether we are sick with a vanished appetite, our physical activity level has increased, or there is simply no food available. Our bodies reserve fuel for a rainy day.

One way the body stores fat involves the body transforms carbohydrates into glycogen that is in turn stored in the muscles for energy. When the muscles reach their capacity for glycogen storage, the excess is returned to the liver, where it is converted into triacylglycerols and then stored as fat.

In a similar manner, much of the triacylglycerols the body receives from food is transported to fat storehouses within the body if not used for producing energy. The chylomicrons are responsible for shuttling the triacylglycerols to various locations such as the muscles, breasts, external layers under the skin, and internal fat layers of the abdomen, thighs, and buttocks where they are stored by the body in adipose tissue for future use. How is this accomplished? Recall that chylomicrons are large lipoproteins that contain a triacylglycerol and fatty-acid core. Capillary walls contain an enzyme called lipoprotein-lipase that dismantles the triacylglycerols in the lipoproteins into fatty acids and glycerol, thus enabling these to enter into the adipose cells. Once inside the adipose cells, the fatty acids and glycerol are reassembled into triacylglycerols and stored for later use. Muscle cells may also take up the fatty acids and use them for muscular work and generating energy. When a person&rsquos energy requirements exceed the amount of available fuel presented from a recent meal or extended physical activity has exhausted glycogen energy reserves, fat reserves are retrieved for energy utilization.

As the body calls for additional energy, the adipose tissue responds by dismantling its triacylglycerols and dispensing glycerol and fatty acids directly into the blood. Upon receipt of these substances the energy-hungry cells break them down further into tiny fragments. These fragments go through a series of chemical reactions that yield energy, carbon dioxide, and water.


LDL et HDL

As triglycerides are moved from the VLDLs in your blood into your tissues, the VLDLs are converted into low-density lipoproteins, or LDLs. The LDLs are the main cholesterol transporters in your blood, but they also contain some triglycerides. The LDLs are taken up by most of your tissues, and the triglycerides and cholesterol that they carry are used in your cells. Another type of lipoprotein called high-density lipoprotein, or HDL, can pick up some triglycerides from the other lipoproteins circulating in your blood, and the HDLs can deliver their triglycerides to your liver and other tissues for energy or storage.


How Does the Circulatory System Maintain Homeostasis?

The circulatory system maintains homeostasis by the controlled and continuous flow of blood that reaches each cell in the body. The mechanisms within the circulatory system ensure that every cell maintains a constant internal environment.

The circulation of blood is vital in maintaining homeostasis, which is the regulation of the internal conditions of the body, as described in scientist David Darling's Encyclopedia of Science. Blood carries food to cells and removes waste products.

The circulatory system comprises the heart, veins, capillaries and arteries. The system moves oxygenated blood in a continuous and controlled way from the lungs and heart so that blood reaches every cell. Blood travels through a network of vessels that include capillaries that permeate every tissue of the body. Once depleted of oxygen, the blood returns to the lungs and heart.

To maintain homeostasis, the circulatory system delivers oxygen and nutrients in the blood so that they can pass into fluids surrounding the cells. There are control mechanisms within the system to ensure that specific body areas receive a supply of blood according to their needs so that they can maintain their internal equilibrium. The circulatory system also facilitates the removal of waste products, carrying them away in plasma.


H + + HbO2 ←→ H + Hb + O2

Hemoglobin binding to oxygen is dependent on oxygen partial pressure, as depicted in the above graph. Where is oxygen partial pressure likely to be the highest?

Oxygen partial pressure is likely to be highest in the lung capillaries, as this is where oxygen will be "loaded" on to hemoglobin molecules for transportation to the tissues. Since binding affinity increases with oxygen partial pressure, one would also expect red blood cells in lung capillaries to bind the strongest to oxygen, which allows hemoglobin saturation in the lungs.

Example Question #1 : Pulmonary And Systemic Circuits

A man is diagnosed with increased pulmonary capillary resistance. As a result, which part of the heart would be expected to increase in muscle mass?

Right ventricle and left atrium

Increased pulmonary resistance means that it will be more difficult to pump blood into the lungs. The right ventricle, which performs this function, will compensate by increasing in muscle mass. The left atrium will not increase in muscle mass because it receives blood from the lungs and pumps blood into the left ventricle its muscle mass will likely be unaffected.

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Houston team one step closer to growing capillaries

Rice, Baylor College of Medicine make necessary step on road to 3-D bioprinting

HOUSTON — (July 10, 2017) — In their work toward 3-D printing transplantable tissues and organs, bioengineers and scientists from Rice University and Baylor College of Medicine have demonstrated a key step on the path to generate implantable tissues with functioning capillaries.

Researchers from Rice University and Baylor College of Medicine have shown they initiate a process called tubulogenesis that is crucial to the formation of blood-transporting capillaries. In microscopic images taken a different times during a weeklong experiment, researchers tracked the changes in cells (green) and cell nuclei (orange) using fluorescent markers. (Photo by Jeff Fitlow/Rice University)

In a paper published online in the journal Biomaterials Science, a team from the laboratories of Rice bioengineer Jordan Miller and Baylor College of Medicine biophysicist Mary Dickinson showed how to use a combination of human endothelial cells and mesenchymal stem cells to initiate a process called tubulogenesis that is crucial to the formation of blood-transporting capillaries.

The work is an important step with fragile endothelial cells (ECs) made from “induced pluripotent stem cells,” or iPSCs, a type of cell that can potentially be made from the cells of any human patient. Because iPSCs can be patient-specific, researchers hope to find ways of using them to generate tissues and replacement organs that can be transplanted without risk of rejection by a patient’s immune system. But the fragility of endothelial cells during laboratory growth has limited the utilization of this critical cell type, which is found in all vasculature.

“Our work has important therapeutic implications because we demonstrate utilization of human cells and the ability to live-monitor their tubulogenesis potential as they form primitive vessel networks,” said study lead author Gisele Calderon, a graduate student in Miller’s Physiologic Systems Engineering and Advanced Materials Laboratory.

“We’ve confirmed that these cells have the capacity to form capillary-like structures, both in a natural material called fibrin and in a semisynthetic material called gelatin methacrylate, or GelMA,” Calderon said. “The GelMA finding is particularly interesting because it is something we can readily 3-D print for future tissue-engineering applications.”

Gisele Calderon (left) and Patricia Thai. (Photo by Jeff Fitlow/Rice University)

Tissue engineering, also known as regenerative medicine, is a field aimed at integrating advances in stem cell biology and materials science to grow transplantable replacement tissues and organs. While tissue engineers have found dozens of ways to coax stems cells into forming specific kinds of cells and tissues, they still cannot grow tissues with vasculature — capillaries and the larger blood vessels that can supply the tissues with life-giving blood. Without vascularization, tissues more than a few millimeters in thickness will die due to lack of nutrients, so finding a way to grow tissues with blood vessels is one of the most sought-after advances in the field.

Miller, who earned his Ph.D. at Rice in 2008, has studied vascularization in tissue engineering for more than 14 years. During his postdoctoral studies at the University of Pennsylvania, he also became heavily involved in the open-source 3-D printing movement, and his work at Rice combines both.

“Ultimately, we’d like to 3-D print with living cells, a process known as 3-D bioprinting, to create fully vascularized tissues for therapeutic applications,” said Miller, assistant professor of bioengineering. “To get there, we have to better understand the mechanical and physiological aspects of new blood-vessel formation and the ways that bioprinting impacts those processes. We are using 3-D bioprinting to build tissues with large vessels that we can connect to pumps, and are integrating that strategy with these iPS-ECs to help us form the smallest capillaries to better nourish the new tissue.”

Each of the trillions of living cells in the human body are constantly supplied with oxygen and nutrients by tiny blood vessels known as capillaries. Measuring just a few thousandths of a millimeter in diameter, some capillaries are so narrow that individual blood cells must squeeze through them in single-file. Capillaries are made entirely from networks of endothelial cells, the type of cell that lines the inner surface of every blood vessel in the human body.

In the process of tubulogenesis — the first step to making capillaries — endothelial cells undergo a series of changes. First, they form small, empty chambers called vacuoles, and then they connect with neighboring cells, linking the vacuoles together to form endothelial-lined tubes that can eventually become capillaries.

“We expect our findings will benefit biological studies of vasculogenesis and will have applications in tissue engineering to prevascularize tissue constructs that are fabricated with advanced photo-patterning and three-dimensional printing,” said Dickinson, the Kyle and Josephine Morrow Chair in Molecular Physiology and Biophysics at Baylor College of Medicine and adjunct professor of bioengineering at Rice.

In the study, Calderon, Rice undergraduate Patricia Thai and colleagues investigated whether commercially available endothelial cells grown from iPSCs had tubulogenic potential. The test examined this potential in two types of semisolid gels — fibrin and GelMA. Finally, the researchers also investigated whether a second type of stem cell, human mesenchymal stem cells, could improve the likelihood of tubulogenesis.

Calderon said fibrin was chosen for the experiment because it’s a natural material that’s known to induce tubulogenesis for wound healing. As such, the researchers expected endothelial cells would be induced to form tubules in fibrin.

Calderon said the first step in the experiments was to develop a third-generation lentivirus reporter to genetically modify the cells to produce two types of fluorescent protein, one located only in the nucleus and another throughout the cell. This permanent genetic modification allowed the team to noninvasively observe the cell morphology and also identify the action of each individual cell for later quantitative measurements. Next, the cells were mixed with fibrin and incubated for a week. Several times per day, Calderon and Thai used microscopes to photograph the growing samples. Thanks to the two fluorescent markers, time-lapse images revealed how the cells were progressing on their tubulogenic odyssey.

Calderon conducted advanced confocal microscopy at the Optical Imaging and Vital Microscopy Core facility at Baylor College of Medicine. Calderon and Thai then used an open-source software called FARSIGHT to quantitatively analyze the 3-D growth patterns and development character of the tubulogenenic networks in each sample. In fibrin, the team found robust tubule formation, as expected. They also found that endothelial cells had a more difficult time forming viable tubules in GelMA, a mix of denatured collagen that was chemically modified with methacrylates to allow rapid photopolymerization.

Over several months and dozens of experiments the team developed a workflow to produce robust tubulogenesis in GelMA, Calderon said. This involved adding mesenchymal stem cells, another type of adult human stem cell that had previously been shown to stabilize the formation of tubules.

Miller said that while clinical applications of 3-D bioprinting are expected to advance rapidly over the next few decades, even small tissue samples with working capillary networks could find use much more quickly for laboratory applications like drug testing.

“You could foresee using these three-dimensional, printed tissues to provide a more accurate representation of how our bodies will respond to a drug,” Miller said. “Preclinical human testing of new drugs today is done with flat two-dimensional human tissue cultures. But it is well-known that cells often behave differently in three-dimensional tissues than they do in two-dimensional cultures. There’s hope that testing drugs in more realistic three-dimensional cultures will lower overall drug development costs. And the potential to build tissue constructs made from a particular patient represents the ultimate test bed for personalized medicine. We could screen dozens of potential drug cocktails on this type of generated tissue sample to identify candidates that will work best for that patient.”

Additional co-authors include Bagrat Grigoryan of Rice, Chih-Wei Hsu of Baylor College of Medicine and Sydney Gibson of both Rice and Baylor College of Medicine. The research was supported by the Gulf Coast Consortia’s John S. Dunn Collaborative Research Fund, the Cancer Prevention and Research Institute of Texas and the National Institutes of Health. Calderon, Grigoryan and Gibson were also supported by national graduate research fellowships from the National Science Foundation.


Exercise and Capillary Function

Increased capillary density allows for greater oxygen transport to your muscles, improving their ability to perform intense exercise. In addition to improving muscle function by increasing capillary density, exercise improves capillary function regardless of capillary density. Researchers at the Peninsula Medical School in Exeter, U.K., found support for this in a 2009 study. In addition to reporting that capillary function improves with exercise, they explored the decline in capillary function with age, finding that exercise helps prevent this decline.


Houston team one step closer to growing capillaries

IMAGE: Researchers from Rice University and Baylor College of Medicine have shown they can initiate a process called tubulogenesis that is crucial to the formation of blood-transporting capillaries. In microscopic images. Voir plus

In their work toward 3-D printing transplantable tissues and organs, bioengineers and scientists from Rice University and Baylor College of Medicine have demonstrated a key step on the path to generate implantable tissues with functioning capillaries.

In a paper published online in the journal Biomaterials Science, a team from the laboratories of Rice bioengineer Jordan Miller and Baylor College of Medicine biophysicist Mary Dickinson showed how to use a combination of human endothelial cells and mesenchymal stem cells to initiate a process called tubulogenesis that is crucial to the formation of blood-transporting capillaries.

The work is an important step with fragile endothelial cells (ECs) made from "induced pluripotent stem cells," or iPSCs, a type of cell that can potentially be made from the cells of any human patient. Because iPSCs can be patient-specific, researchers hope to find ways of using them to generate tissues and replacement organs that can be transplanted without risk of rejection by a patient's immune system. But the fragility of endothelial cells during laboratory growth has limited the utilization of this critical cell type, which is found in all vasculature.

"Our work has important therapeutic implications because we demonstrate utilization of human cells and the ability to live-monitor their tubulogenesis potential as they form primitive vessel networks," said study lead author Gisele Calderon, a graduate student in Miller's Physiologic Systems Engineering and Advanced Materials Laboratory.

"We've confirmed that these cells have the capacity to form capillary-like structures, both in a natural material called fibrin and in a semisynthetic material called gelatin methacrylate, or GelMA," Calderon said. "The GelMA finding is particularly interesting because it is something we can readily 3-D print for future tissue-engineering applications."

Tissue engineering, also known as regenerative medicine, is a field aimed at integrating advances in stem cell biology and materials science to grow transplantable replacement tissues and organs. While tissue engineers have found dozens of ways to coax stems cells into forming specific kinds of cells and tissues, they still cannot grow tissues with vasculature -- capillaries and the larger blood vessels that can supply the tissues with life-giving blood. Without vascularization, tissues more than a few millimeters in thickness will die due to lack of nutrients, so finding a way to grow tissues with blood vessels is one of the most sought-after advances in the field.

Miller, who earned his Ph.D. at Rice in 2008, has studied vascularization in tissue engineering for more than 14 years. During his postdoctoral studies at the University of Pennsylvania, he also became heavily involved in the open-source 3-D printing movement, and his work at Rice combines both.

"Ultimately, we'd like to 3-D print with living cells, a process known as 3-D bioprinting, to create fully vascularized tissues for therapeutic applications," said Miller, assistant professor of bioengineering. "To get there, we have to better understand the mechanical and physiological aspects of new blood-vessel formation and the ways that bioprinting impacts those processes. We are using 3-D bioprinting to build tissues with large vessels that we can connect to pumps, and are integrating that strategy with these iPS-ECs to help us form the smallest capillaries to better nourish the new tissue."

Each of the trillions of living cells in the human body are constantly supplied with oxygen and nutrients by tiny blood vessels known as capillaries. Measuring just a few thousandths of a millimeter in diameter, some capillaries are so narrow that individual blood cells must squeeze through them in single-file. Capillaries are made entirely from networks of endothelial cells, the type of cell that lines the inner surface of every blood vessel in the human body.

In the process of tubulogenesis -- the first step to making capillaries -- endothelial cells undergo a series of changes. First, they form small, empty chambers called vacuoles, and then they connect with neighboring cells, linking the vacuoles together to form endothelial-lined tubes that can eventually become capillaries.

"We expect our findings will benefit biological studies of vasculogenesis and will have applications in tissue engineering to prevascularize tissue constructs that are fabricated with advanced photo-patterning and three-dimensional printing," said Dickinson, the Kyle and Josephine Morrow Chair in Molecular Physiology and Biophysics at Baylor College of Medicine and adjunct professor of bioengineering at Rice.

In the study, Calderon, Rice undergraduate Patricia Thai and colleagues investigated whether commercially available endothelial cells grown from iPSCs had tubulogenic potential. The test examined this potential in two types of semisolid gels -- fibrin and GelMA. Finally, the researchers also investigated whether a second type of stem cell, human mesenchymal stem cells, could improve the likelihood of tubulogenesis.

Calderon said fibrin was chosen for the experiment because it's a natural material that's known to induce tubulogenesis for wound healing. As such, the researchers expected endothelial cells would be induced to form tubules in fibrin.

Calderon said the first step in the experiments was to develop a third-generation lentivirus reporter to genetically modify the cells to produce two types of fluorescent protein, one located only in the nucleus and another throughout the cell. This permanent genetic modification allowed the team to noninvasively observe the cell morphology and also identify the action of each individual cell for later quantitative measurements. Next, the cells were mixed with fibrin and incubated for a week. Several times per day, Calderon and Thai used microscopes to photograph the growing samples. Thanks to the two fluorescent markers, time-lapse images revealed how the cells were progressing on their tubulogenic odyssey.

Calderon conducted advanced confocal microscopy at the Optical Imaging and Vital Microscopy Core facility at Baylor College of Medicine. Calderon and Thai then used an open-source software called FARSIGHT to quantitatively analyze the 3-D growth patterns and development character of the tubulogenenic networks in each sample. In fibrin, the team found robust tubule formation, as expected. They also found that endothelial cells had a more difficult time forming viable tubules in GelMA, a mix of denatured collagen that was chemically modified with methacrylates to allow rapid photopolymerization.

Over several months and dozens of experiments the team developed a workflow to produce robust tubulogenesis in GelMA, Calderon said. This involved adding mesenchymal stem cells, another type of adult human stem cell that had previously been shown to stabilize the formation of tubules.

Miller said that while clinical applications of 3-D bioprinting are expected to advance rapidly over the next few decades, even small tissue samples with working capillary networks could find use much more quickly for laboratory applications like drug testing.

"You could foresee using these three-dimensional, printed tissues to provide a more accurate representation of how our bodies will respond to a drug," Miller said. "Preclinical human testing of new drugs today is done with flat two-dimensional human tissue cultures. But it is well-known that cells often behave differently in three-dimensional tissues than they do in two-dimensional cultures. There's hope that testing drugs in more realistic three-dimensional cultures will lower overall drug development costs. And the potential to build tissue constructs made from a particular patient represents the ultimate test bed for personalized medicine. We could screen dozens of potential drug cocktails on this type of generated tissue sample to identify candidates that will work best for that patient."

Additional co-authors include Bagrat Grigoryan of Rice, Chih-Wei Hsu of Baylor College of Medicine and Sydney Gibson of both Rice and Baylor College of Medicine. The research was supported by the Gulf Coast Consortia's John S. Dunn Collaborative Research Fund, the Cancer Prevention and Research Institute of Texas and the National Institutes of Health. Calderon, Grigoryan and Gibson were also supported by national graduate research fellowships from the National Science Foundation.

The DOI of the Biomaterials Science paper is: 10.1039/C7BM00223H

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