El origen de los vasos sanguíneos

La formación de los vasos sanguíneos está programada genéticamente y controlada por determinantes ambientales locales, pero los mecanismos involucrados solo se conocen parcialmente. Comprender estos mecanismos a nivel celular y molecular es fundamental para poder controlar enfermedades y para promover el desarrollo de órganos artificiales usando técnicas de ingeniería genética.

Alda Trufó
Department of Pediatrics
University of Virginia School of Medicine, Charlotteville, EEUU

En todos los mamíferos el oxígeno necesario para la vida es transportado por la sangre que circula en los vasos sanguíneos, los cuales son imprescindibles para el desarrollo y funcionamiento de todos los órganos.
En condiciones normales, la estructura y distribución de los vasos sanguíneos de cada órgano es constante y está determinada genéticamente. Si durante la vida embrionaria los vasos no se desarrollan adecuadamente los embriones mueren por falta de oxigenación de órganos vitales tales como el corazón o el riñón, si crecen desordenadamente se originan graves enfermedades congénitas, y cuando crecen en exceso se forman tumores vasculares.
En la vida adulta la formación de nuevos vasos se produce sólo en el útero durante el ciclo menstrual, en la placenta durante el embarazo y en los procesos de cicatrización. Por ejemplo, si luego de un infarto no crecen nuevos vasos, la zona dañada del músculo cardíaco muere debido a la falta de oxígeno y se transforma en una cicatriz fibrosa. Enfermedades tan diversas como diabetes, artritis o retinopatía del prematuro se complican a raíz del desarrollo anormal de vasos sanguíneos, y el crecimiento de los tumores malignos depende en gran medida de los vasos sanguíneos que permiten su oxigenación (véase el recuadro ‘’).
Tanto en condiciones normales como patológicas, el desarrollo vascular -también denominado angiogénesis en forma general- depende de la tensión de oxígeno. La carencia de oxígeno produce una respuesta local que se caracteriza por la liberación de factores de crecimiento especializados denominados factores angiogénicos. Los principales son el factor de crecimiento endotelial (o VEGF por Vascular Endothelial Growth Factor), las angiopoietinas y el factor de crecimiento de fibroblastos (FGF; por Fibroblast Growth Factor). Estas moléculas inducen la formación de nuevos vasos, lo cual en algunos casos es beneficioso -en el desarrollo embrionario o la reparación de un infarto, por ejemplo-, pero a veces generan un nuevo problema. Por ejemplo, en la retinopatía diabética o del prematuro la formación de vasos en la retina causa pérdida de la visión.

Estudio del desarrollo vascular
Los primeros estudios consistieron en meticulosas observaciones morfológicas en distintos estadios de la vida embrionaria comparadas con la anatomía normal del individuo adulto. Se obtuvo así un gran cúmulo de información sobre la forma y distribución de los vasos, y sobre la secuencia cronológica de su desarrollo.
El conocimiento más reciente sobre el desarrollo vascular proviene de experimentos en los cuales se inactivaron genes imprescindibles para dicho desarrollo usando las llamadas técnicas del knock out genético. Debido al papel fundamental que desempeñan varios de los genes estudiados, su inactivación fue letal. Si bien esto demostró su importancia, no fue posible estudiar la función de dichos genes en etapas posteriores del desarrollo, cuando se forman la mayor parte de los órganos vitales -proceso denominado organogénesis-. Comenzaron entonces a utilizarse otros modelos experimentales -que denominamos in vitro-, en los que se estudian órganos o células aisladas. A continuación se resumen los resultados combinados de ambos tipos de experimentos realizados en varios laboratorios, incluido el nuestro.
Como veremos en los párrafos que siguen, la pregunta fundamental que nos hacemos ¿cómo crecen los vasos sanguíneos?, requiere ser contestada a varios niveles.
Desarrollo de los vasos sanguíneos desde el punto de vista morfológico
El desarrollo vascular empieza en el embrión cuando las células del mesodermo -o sea la capa media del embrión- se diferencian produciendo primero angioblastos y luego células endoteliales (Figura 1). Las células endoteliales se alinean, luego se ponen en contacto y desarrollan un hueco en su centro, formando un tubo que llamamos capilar sanguíneo. Los capilares forman inicialmente una red que se denomina plexo vascular primitivo. Luego algunos capilares desaparecen y otros se cubren de células musculares, constituyendo el árbol vascular definitivo (Figura 1). Ampliar


Desarrollo vascular a nivel molecular

Los procesos esquematizados en la Figura 1 son el resultado de la acción de varios factores angiogénicos que, a través de sus receptores específicos, transmiten señales al interior de las células endoteliales o sus precursoras. Dichas señales favorecen el crecimiento de las células -aumentando su proliferación o su tamaño-, o provocan su diferenciación induciendo cambios de forma o función. Otras señales hacen que las células adquieran cierta resistencia a la muerte celular programada -señal de supervivencia-, o que se muevan induciendo migración.
Tanto los factores angiogénicos como sus receptores son proteínas; como mencionamos antes, los factores son el VEGF; sus cuatro receptores -VEGFR1, VEGFR2, neuropilinas 1 y 2- y las angiopoietinas 1 y 2 y su receptor Tie2. El VEGF; actuando a través de sus receptores, es el responsable de la diferenciación y proliferación de los angioblastos y de las células endoteliales, o sea de todos los procesos que resultan en la formación del plexo vascular primitivo -vasculogénesis-; también contribuye a la construcción del árbol vascular definitivo -o angiogénesis-.
Se ha establecido que los receptores del VEGF le permiten emitir diferentes señales hacia el interior de las células, pero solo se conoce parcialmente el modo en que las células endoteliales discriminan las señales transmitidas por uno u otro receptor. Por su lado, las angiopoietinas contribuyen facilitando la remodelación y la bifurcación de nuevos vasos.
Todas estas proteínas se producen, durante el desarrollo embrionario, en una secuencia temporal y espacial determinada. El paso inicial, inducido por la escasez de oxígeno, es la producción de VEGF por células indiferenciadas del mesénquima.
El VEGF induce la producción de uno de sus propios receptores -el VEGFR2- en algunas células, las que se diferencian formando angioblastos. Los angioblastos se multiplican, se diferencian transformándose en células endoteliales y producen otros receptores -el VEGFR1 y el Tie2- que participan en el ensamble y la bifurcación de los capilares. De este modo, el proceso se amplifica e involucra otras proteínas -integrinas y FAK quinasas- que posibilitan la migración de las células endoteliales en direcciones específicas para formar los vasos sanguíneos en posición adecuada. Cuando los órganos empiezan a formarse, los vasos crecen con características y distribución particulares para cada uno de ellos. Todavía no está claro si cada órgano emite señales propias o si lo que varía es la secuencia de las mismas y su orientación espacial, lo cual parece ser lo más probable.

Desarrollo vascular del riñón
Los riñones filtran y eliminan productos de desecho de la sangre a través de la formación de orina, y regulan la presión arterial y el contenido de agua y sales del organismo. Cada riñón humano está formado por aproximadamente un millón de unidades de filtración llamadas nefrones. A su vez, cada nefrón está formado por un glomérulo -el filtro propiamente dicho- y un túbulo que modifica el filtrado mediante la reabsorción o secreción selectiva de iones o moléculas a través de las células que forman su pared. El fluido que queda en los túbulos forma la orina.
Durante el desarrollo embrionario los nefrones y los vasos se forman simultáneamente, de modo tal que los capilares penetran los glomérulos y rodean los túbulos. El patrón de distribución de los vasos sanguíneos en el riñón es muy preciso, y se reproduce en forma casi idéntica en todas las especies, desde los peces a los humanos.
Es probable que esto sea el resultado de la selección natural, ya que las características y ubicación de los vasos son necesarias para la secreción y reabsorción de moléculas del filtrado glomerular y para la regulación de la presión arterial, es decir para la función normal del riñón.

(Figura 2). Ampliar
Los estudios de la vascularización del riñón embrionario aislado y en cultivo demostraron que el VEGF induce sucesivamente la diferenciación de angioblastos en células endoteliales, su proliferación y la formación de capilares in situ (Figura 2A). El VEGF producido por el riñon embrionario también atrae células endoteliales provenientes de fuera del riñón (Figura 2B) hacia los glomérulos -filtros donde ocurre la filtración de la sangre y se inicia la formación de la orina (Figura 2C)-. Más tarde, el VEGF induce la formación de fenestras, microscópicas ventanas en los capilares que facilitan la permeabilidad necesaria para el enorme transporte de fluidos y solutos que ocurre en el riñón (Figura 3).
En el riñón el VEGF es producido y liberado por las células epiteliales que forman los nefrones. Una parte del VEGF difunde libremente y otra queda ligada a la matriz que une las células, o sea que se genera un gradiente de concentración de VEGF que serviría de atracción y guía para la migración de los capilares. Los capilares se desplazan hasta quedar adyacentes a las células epiteliales productoras de VEGF en los glomérulos y alrededor de los túbulos al completarse el desarrollo del órgano

(Figura 3). Ampliar
Para que las células endoteliales de los capilares puedan migrar hacia las células epiteliales, los receptores de VEGF se asocian con otras proteínas (integrinas y FAK, o quinasa de adhesión focal) que son importantes para lag adhesión y el movimiento celular. Estas proteínas, a su vez, están conectadas con las fibras que constituyen el esqueleto celular. De este modo, las señales de migración del VEGF son transformadas en movimiento celular con una dirección determinada.
Otro grupo de proteínas que probablemente contribuya a establecer la dirección y ubicación espacial de los vasos sanguíneos renales son las semaforinas, que han sido extensamente estudiadas en relación al desarrollo del sistema nervioso.
Las semaforinas son importantes guías moleculares para la migración de axones -las prolongaciones de las neuronas que forman los nervios- y comparten con VEGF algunos de los receptores de este (neuropilinas 1 y 2). El riñón embrionario produce varios tipos de semaforinas cuyas funciones no han sido aún dilucidadas. Dos de ellas -la 3A y 3F- son producidas por las mismas células epiteliales que producen VEGF. La semaforina 3A repele las células endoteliales, es decir que tiene un efecto opuesto al VEGF. Es posible entonces que la dirección de la migración de las células endoteliales sea la resultante del efecto opuesto de VEGF y semaforinas.
En resumen, el sistema formado por VEGF, sus receptores y sus respectivas señales intracelulares establecen los mecanismos fundamentales para el desarrollo de la vasculatura renal, pero son ‘ayudados’ por otras proteínas, tales como las angiopoietinas, integrinas y semaforinas.

Angiogénesis: de la biología al tratamiento

Los inhibidores de la angiogénesis son útiles para el tratamiento del cáncer experimental ya que, al disminuir la irrigación de los tumores, estos se reducen de tamaño. La mayor utilidad de estos fármacos radica en potenciar el efecto terapéutico de la quimioterapia y la radioterapia. La naturaleza química y el mecanismo de acción de estos inhibidores es múltiple: anticuerpos anti-VEGF, anticuerpos anti-receptores de VEGF, receptores solubles que neutralizan VEGF antes de que actúe sobre las células, pequeñas moléculas que bloquean los mensajes intracelulares de VEGF y de otros factores angiogénicos. Otros inhibidores, como el interferón, disminuye la producción y/o liberación de VEGF. Varios inhibidores están siendo probados actualmente en ensayos clínicos y se espera que sean aceptados en la práctica médica en unos pocos años, como coadyuvantes de los tratamientos tradicionales del cáncer, retinopatía, diabética y artritis.
La angiogénesis terapéutica para isquemia de miocardio o de los miembros inferiores también está en fase preclínica. Estudios experimentales en animales y algunos casos aislados en humanos han demostrado que VEGF induce angiogénesis y que los nuevos vasos son funcionales, es decir se conectan con la vasculatura normal preexistente y mejoran la isquemia. El problema mayor radica en cómo dirigir el VEGF a los tejidos u órganos blanco y mantenerlo activo el tiempo necesario para obtener el efecto deseado. Las opciones en estudio son administrar VEGF por minibomba, o mediante diversas formas de terapia génica. Todas estas opciones tienen ventajas y problemas que deben ser definidos y solucionados para cada aplicación específica.
Debido al enorme potencial terapéutico de la inhibición o promoción de la angiogénesis, y al interés económico que deriva de él, se investiga muy intensamente en todas estas áreas y es probable que los obstáculos descriptos se resuelvan en poco tiempo.

Lecturas sugeridas
• JAIN RK and CARMELIET, 2001, ‘Vessels of death or life’, Scientific American. Dec.
• NAKAMURA F et al., 2000, ‘Molecular basis of semaphorin-mediated axon guidance’, J Neurobiol., 44(2):219-229.
• RISAU W, 1995, ‘Differentation of endothelium’, FASEB Journal, 9:926-933.
• SHIMA DT AND MAIHLOS C, 2000, ‘Vascular developmental biology: getting nervous’, Curr Opin Genet Dev, 10(5):536-542.
• TUFRO-MCREDDIE A et al., 1997, ‘Oxygen regulates VEGA-induced vasculogenesis and tubulogenesis’, dev biol, 183:139-149.
• TUFRO A, 2000, ‘Vascular endotelial growth factor spatially directs angiogenesis in metanephric development in vitro’, Dev Biol, 227:558-566.