Langiogenesi è il processo di formazione di nuovi capillari a partire dai vasi sanguigni pre-esistenti lungo tutto l'arco della vita. L'angiogenesi si differenzia dalla vasculogenesi, cioè la formazione dei primi vasi sanguigni nel corpo durante la fase embrionale. Un termine ancora più generico, neovascolarizzazione, indica la formazione di nuovi vasi sanguigni a prescindere dalla loro dimensione. La vasculogenesi è a sua volta suddivisa in arteriogenesi, venogenesi e linfangiogenesi.
L'angiogenesi avviene in varie parti del corpo, incluso il cervello degli adulti. In generale, tutti i tessuti del corpo hanno sempre bisogno di capillari; inoltre, tutti i tessuti metabolicamente attivi hanno bisogno di capillari siccome il sangue nei capillari scambia nutrienti e metaboliti con le cellule. Gli studi dell'angiogenesi nel cervello adulto si affiancano a quelli sulla neurogenesi, neurotrofia, neuroprotezione e sinaptogenesi.
L'angiogenesi tuttavia ha un lato negativo siccome è stimolata quando il corpo sviluppa un tumore e/o metastasi siccome i tumori producono fattori angiogenici: in tal modo, le cellule tumorali subiscono una maggiore irrorazione di sangue. L'angiogenesi ha un ruolo anche in contesto di diabete, retinopatie e artrite reumatoide. Nel caso dei tumori, cancro, malattie oftalmiche, artrite reumatoide e altre malattie, alcune terapie e ricerche sono mirate a inibire l'angiogenesi; negli altri casi, le terapie e ricerche sono mirate a aumentare l'angiogenesi siccome ha effetti positivi. Ad esempio, l'angiogenesi viene stimolata siccome ha un effetto terapeutico nel caso di cardiopatia ischemica, malattia arteriosa periferica e guarigione delle ferite.
Presentazione
I fattori angiogenici L'angiogenesi è un processo mediato dalle proteine e il fattore angiogenico più potente è il fattore di crescita endoteliale vascolare-A (Vascular Endothelial Growth Factor-A, VEGF-A), che viene prodotto da svariati tipi di cellule nel corpo quando sono colpite da carenza di ossigeno (ipossia), un nutrimento fondamentale. Al VEGF-A sono associati i propri recettori, VEGFR; in totale, si contano tre recettori VEGF (VEGF1, VEGF2 e VEGF3). Questo fattore induce la proliferazione, germinazione ("sprouting") e formazione di tubi delle cellule endoteliali. Oltre a questa proteina pro-angiogenica, altri induttori dell'angiogenesi sono gli altri fattori di crescita endoteliale vascolare (la famiglia dei VEGF), le angiopoietine, i fattori di crescita trasformanti (transforming growth factors), i fattori di crescita derivati dalle piastrine, il fattore di necrosi tumorale-α, le interleuchine e i fattori di crescita dei fibroblasti. Altri fattori influenzano l'angiogenesi e alcuni di essi sono i fattori di crescita solubili, le proteine legate alla membrana e le interazioni cellula-matrice e cellula-cellula. Inoltre, i cambi nel proprio metabolismo inducono cambi anche nell'angiogenesi e dunque nel proprio sistema capillare. Anche l'ossigeno svolge un grande ruolo in questa regolamentazione. Inoltre, i vasi sanguigni e dunque le reti vascolari sopravvivono e si adattano in base ai fattori emodinamici, cioè una serie di fattori che influenza il flusso sanguigno/torrente ematico (e.g., la pressione sanguigna).
In fase embrionale, una carenza di VEGF-A pari al 50% di quanto è necessario per il corretto sviluppo dell'embrione porta a difetti vascolari che portano a loro volta alla morte dell'embrione. Di contro, un eccesso di VEGF-A si nota in soggetti affetti da tumori.
Molte altre sostanze sono anti-angiogeniche siccome frenano l'angiogenesi, per cui hanno l'effetto opposto di quelle pro-angiogeniche.
I due tipi di angiogenesi In generale, il sistema cardiovascolare (o "apparato cardiocircolatorio") è il primo organo che si sviluppa nell'embrione attraverso la vasculogenesi; dopodiché le prime vene e arterie vengono irrorate di sangue. A seguito della formazione del plesso vascolare primario (cioè la rete primaria di vasi sanguigni), l'angiogenesi si manifesta attraverso due tipi di processi, per cui esistono due tipi di angiogenesi: l'angiogenesi da gemmazione (Sprouting Angiogenesis) e l'angiogenesi intussuscettiva o "da scissione" (Intussusceptive Angiogenesis, Splitting Angiogenesis), che avverrebbero in tutti i tipi di tessuto e tutti gli organi del corpo.
L'angiogenesi da gemmazione avviene sia in fase embrionale che postnatale e avviene attraverso la proliferazione/gemmazione di cellule endoteliali; l'endotelio è lo strato cellulare che riveste la superficie interna dei vasi sanguigni, dei vasi linfatici e del cuore. In tale processo, le cellule endoteliali dette "tip cells" ("cellule apicali" o "cellule guida"), attirate dal VEGF-A che funge da segnalatore, raggiungono il sito in cui si deve formare il nuovo capillare. La cellula guida è collegata inoltre ai filopodi, delle strutture simili a dei bracci o sonde che producono enzimi che digeriscono ciò che si trova intorno a loro in modo tale da creare spazio per il futuro capillare. Dopodiché, le cellule endoteliali seguono le cellule guida e si accumulano nel vuoto formato e si fondono tra loro fino a formare dei piccoli tubi (tubuli) di cellule endoteliali attraverso la tubulogenesi; per essere distinte dalle cellule guida, queste cellule endoteliali vengono dette "cellule del fusto" (stalk cells). Infine, si forma il rivestimento esterno e dunque il capillare completo, che viene irrorato di sangue. Contestualmente, le cellule smettono di produrre VEGF-A. Le cellule del fusto hanno comportamenti esploratori minori rispetto a quelle guida siccome le cellule del fusto hanno in sé un recettore, il recettore Notch, che è coinvolto in un sistema di comunicazione tra cellule detto "segnalamento Delta-Notch": tale recettore viene attivato dalle cellule guida con la produzione della proteina DII4. L'eccesso di VEGF-A nei soggetti affetti da tumore porta a una sovrapproduzione di cellule guida e dunque a una grossa e disordinata angiogenesi nella zona di tessuto colpita da tumore e dunque da una proliferazione abnorme e maligna di cellule.
L'angiogenesi intussuscettiva o "da scissione", come dice il nome, si basa sull'intussuscezione, cioè sulla nascita di un nuovo capillare a partire dalla scissione in due di un capillare pre-esistente. Questo secondo tipo di angiogenesi sarebbe più veloce e efficiente rispetto all'angiogenesi da gemmazione siccome il tessuto vacolare pre-esistente si limita a riorganizzarsi, senza proliferazione e migrazione di nuove cellule. L'angiogenesi da scissione avviene lungo tutto l'arco della vita, ma avviene con molta più intensità durante la fase embrionale siccome lo sviluppo del feto è rapido e il plesso vascolare primario va sviluppato velocemente e con risorse scarse. L'angiogenesi da scissione è stata scoperta nel 1986 nel tessuto polmonare di ratti e umani in periodo postnatale; oltre al tessuto polmonare, si osserva anche nel coroide (una lamina del bulbo oculare), cestelli vascolari attorno alle ghiandole, mucosa intestinale, reni, muscoli scheletrici, cuore, cervello, ovaie e utero.
I test dell'angiogenesi L'angiogenesi si può osservare su cellule coltivate in vitro e su animali in vivo. Le osservazioni in vitro sono solo un'approssimazione di ulteriori osservazioni in vivo che dunque si rendono necessarie; non sono il traguardo, ma solo il punto di partenza. Tuttavia, le osservazioni in vivo sono molto lunghe nel tempo e difficili da interpretare quantitativamente, ma sono più complete e affidabili siccome l'angiogenesi necessita di interazioni tra diversi tipi di cellule assenti in una coltivazione in vitro; infatti, le cellule endoteliali isolate in vitro guadagnano e perdono caratteristiche rispetto alle cellule endoteliali in animali intatti e vivi. Inoltre, le capsule di Petri in cui vengono coltivate le cellule endoteliali contengono spesso ossigeno al 21%, per cui l'ambiente è considerato iperossico (troppo ricco di ossigeno) rispetto alle cellule endoteliali in un animale intatto e vivo. Inoltre, le cellule in vitro comprendono non solo le interazioni di diversi tipi di cellule e un ambiente non iperossico, ma comprendono anche i fattori emodinamici e i fattori metabolici. Tutti questi fattori insieme sono difficili se non impossibili da replicare in vitro.
Test in vitro Gran parte dei test in vitro usa le cellule endoteliali delle vene ombelicali umane (Human Umbilical Vein Endothelial Cells, HUVEC) o le cellule endoteliali dell'aorta di bovino (Bovine Aortic Endothelial Cells, BAEC) siccome sono facili da ricavare da vasi sanguigni di grandi dimensioni. Tuttavia, esistono differenze tra cellule endoteliali di vasi sanguigni di grandi e piccoli vasi sanguigni, tra cellule endoteliali di vene e aorte e tra cellule endoteliali di vasi sanguigni che irrorano organi diversi; inoltre, le cellule endoteliali da una specie all'altra (e.g., da Homo Sapiens al bovino) non sono identiche. Inoltre, le cellule endoteliali in vitro sono spesso in stato proliferativo e non in stato quiescente, che è lo stato normale: la proliferazione è indotta per ricavare un numero di cellule endoteliali sufficiente da usare in un esperimento.
Le osservazioni in particolare della proliferazione delle cellule endoteliali permette di capire se una sostanza ha effetti pro-angiogenici o anti-angiogenici. La proliferazione in vitro viene misurata attraverso il conteggio delle singole cellule a intervalli di 24 ore o osservando la sintesi di DNA attraverso la radiazione nelle cellule o osservando il cambio di attività metabolica. Il conteggio delle singole cellule avviene attraverso un emocitometro e microscopio ottico o un contatore Coulter elettronico (electronic Coluter counter) o simili mezzi. Inoltre, la proliferazione in vitro si può determinare anche usando un metodo colorimetrico usando l'MTT, un tetrazolo che gli enzimi mitocondriali colorano da giallo a viola. Il tasso di proliferazione si diminuisce anche diminuendo la quantità di siero nella coltivazione. Tutti i mezzi di misurazione finora elencati hanno dei limiti che sono superabili se si usa più di un metodo di misurazione.
Il test di transfiltrazione (Transfilter Assay) misura la migrazione di cellule endoteliali in vitro ed è altamente riproducibile rispetto ad altri test esistenti.
Altri test ancora misurano la tubulogenesi; il test in vitro più diffuso è quello che fa uso del Matrigel, una mistura proteica di membrana basale solubilizzata estratta dalle cellule di sarcoma di topo, cioè da cellule tumorali che colpiscono i tessuti connettivi (inclusi i vasi sanguigni). Questa sostanza imita la matrice extracellulare, su cui si sviluppa la tubulogenesi e dunque l'angiogenesi. Tuttavia, le strutture a tubo nel Matrigel possono essere formate non solo dalle cellule endoteliali, ma anche da cellule di altro tipo (e.g., cellule tumorali e fibroblasti), per cui le strutture a tubo specificatamente delle cellule endoteliali a volte sono difficili da riconoscere rispetto a quelle di altre cellule. Un ultimo test in vitro facilmente riproducibile è l'asportazione dell'anello aortico dei ratti, il suo taglio in sezioni di circa un millimetro e la fissazione di tali sezioni in una matrice di collagene o fibrina (entrambi due tipi di proteine) senza uso di siero. In tale matrice, le sezioni di anello aortico subiscono l'angiogenesi entro il terzo giorno, per cui l'angiogenesi è emulata in modo abbastanza fedele. Inoltre, le cellule endoteliali in questo test sono in stati di quiescenza e non di proliferazione, per cui sono nello stesso stato dell'animale intatto. Ma l'angiogenesi in questo test non è stimolata dall'ipossia, per cui non riflette sotto questo aspetto l'angiogenesi in vivo.
Test in vivo