Part I. Conditional ablation of LYVE-1+ cells unveils defensive roles of lymphatic vessels in intestine and lymph node
To understand more about the potential organotypic role and vulnerability of lymphatic vessels (LVs), I generated a LYVE-1-Cre/iDTR (LCiDT) double-transgenic mouse and ablated LYVE-1-expressing LVs in adult mice in a diphtheria toxin (DT)-inducible manner based on selective expression of LYVE-1 in most LVs. Strikingly, LVs in the small intestine and lymph nodes (LNs) were rapidly ablated, but LVs in the other organs were relatively intact at 24 h after DT administration. Unexpectedly, LCiDT mice died from septic shock without visible edema at 24 and 60 h after DT administration. The cause of death appeared to be related to acute failure of immune surveillance systems in the small intestine and draining LNs. Of note, acute loss of lymphatic lacteals in intestinal villi appeared to trigger distortion of blood capillaries and whole architecture of the villi whereas acute loss of LVs in LNs caused dysfunction of lymph drainage and abnormal distribution of dendritic cells and macrophages. Thus, intact LVs are required for structural and functional maintenance of surrounding tissues in an organotypic manner, at least in the intestine and LNs.
Part II. Vasculatures of endocrine organs are dynamically remodeled under hormonal stimulation and regulated by distinct vascular growth factor-receptor interaction
Endocrine glands are generally highly vascularized organs required for active hormonal regulation. The endocrine vasculature has distinguishable characteristics such as endothelial fenestrations, and it also serves as a conduit between endocrine gland blood vessels and systemic circulation. Here, I show unique patterns of gene expressions for angiogenic growth factors and distinctive features of vascular remodeling upon various stimuli in the thyroid gland, parathyroid gland and adrenal glands. Interestingly, thyroid gland vasculatures were most dynamically remodeled under stimulation of TSH (thyroid-stimulating hormone). Intra-vital perfusion imaging and transmission electron microscopy revealed that the detailed characteristics were changes of vascular diameter and endothelial fenestrations. Screening of various angiogenic growth factors showed robust and distinct VEGF/VEGFR2 expression in the thyroid gland, suggesting a paracrine role of VEGF in thyroid follicle. Moreover, VEGF expression was precisely regulated upon TSH stimulation. While, VEGF-A seems to be a responsible growth factor for thyroid gland vasculature, both VEGF-A and Ang-2 showed robust expression in parathyroid gland. Particularly, endothelial fenestrations in Ang-2 deficient mice were significantly less compared to littermate control mice. Finally, I demonstrated robust and distinct expression of VEGF/VEGFR2 system in adrenal cortex. VEGF-A expression seems to be changed under ACTH stimulation and chronic dexamethasone administration caused loss of VEGF-A expression in zona fasciculata and degeneration of cortical vasculatures. Thus, vasculatures of endocrine organs have distinctive features of vascular remodeling under unique regulatory pathways of vascular growth factor.
Part I. Conditional ablation of LYVE-1+ cells unveils defensive roles of lymphatic vessels in intestine and lymph node
림프관계는 혈관계와 더불어 순환기계의 한 축을 담당하고 있으며, 독특한 구조와 기능을 가짐으로써 체내의 항상성을 유지하기 위한 특수한 역할을 하고 있다. 구조적으로는 말초림프관(initial lymphatics)은 비연속적인 버튼형태의 연결부위를 가짐으로써 말초의 세포외액과 면역세포들을 림프관내부로 이동시키게 된다. 집합림프관(collecting lymphatics)의 경우 연속적인 지퍼형태의 연결부위를 가짐으로써 말초림프관에서 수집된 체액과 세포들을 림프절로 수송하게 된다. 이와 같은 구조적 특징을 통해 림프관은 체내의 과도한 세포외액을 수송하는 역할 뿐만 아니라 수지상세포 등의 면역세포들의 주요한 이동통로로서의 기능을 수행한다. 한가지 특이한 점은 소장의 융모에 있는 림프관(lacteal)으로 다른 부위의 림프관과는 다르게 섭취한 지방성분을 적극적으로 흡수하는 역할을 하고 있는데, 이는 림프관의 기능이 기관에 따라 서로 다름을 의미한다. 하지만 일반적인 림프관의 기능에 관한 연구가 많이 수행되고 있음에 비해서 이와 같은 기관특이적 림프관의 기능에 관한 연구는 많이 수행되어오지 않았다. 이에 기관특이적으로 체내의 림프관이 미치는 영향을 알아보고자 본 연구에서는 체내의 림프관을 디프테리아 톡신을 통해서 효과적으로 없앨 수 있는 유전자변형 마우스 모델을 개발하였다.
새롭게 개발한 마우스 모델에서는 디프테리아 톡신을 극소량 투입했음에도 불구하고, 특히 소장 융모 림프관 및 림프절 내부의 림프관이 효과적으로 제거되었다. 특이한 점은 피부 하 림프관 및 점막 하 림프관은 파괴되지 않고 있다는 점으로, 이는 림프관의 방어체계가 기관에 따라 다를 수 있음을 시사하였다. 실험 결과 예상치 못하게 림프관을 없앤 마우스는 3일을 견디지 못하고 모두 사망하였는데, 디프테리아 톡신을 주입한 후 24시간이 지난 후 체내의 변화를 관찰한 결과, 소장 융모의 구조가 파괴되면서 전신적으로 패혈증이 발생하고 있었다. 그동안 소장 융모의 림프관은 피부 림프관 등에 비해서 상대적으로 주목을 받지 못하고 있었으나, 본 연구를 통해 소장 융모 림프관이 체내의 항상성 유지에 매우 예민하게 관여하고 있음을 알 수 있었다. 또한 림프절 내부의 림프관을 없앤 결과 대식 세포 및 수지상세포의 림프절 내 분포가 달라져 있음을 확인하였다.
본 연구에서 사용한 마우스 모델은 디프테리아 톡신 주입 후 초기에 사망하기 때문에 보다 깊은 림프관의 기능적 연구를 수행하기에는 한계가 있었다. 이에 디프테리아 톡신을 국소적으로 소량 주입하여 마우스를 7일간 살리는데 성공하였다. 림프관 제거 정도를 분석한 결과 전신의 림프관에는 큰 영향없이 주입한 국소적 부위의 림프관만 특이적으로 제거되었음을 확인하였다. 이는 향후 림프관의 기능적 연구에 본 마우스 모델이 유용하게 사용될 수 있음을 보여준 것으로 이와 같은 새로운 개념의 마우스 모델을 통한 추가적인 연구가 기대된다.
Part II. Vasculatures of endocrine organs are dynamically remodeled under hormonal stimulation and regulated by distinct vascular growth factor-receptor interaction.
내분비 기관은 체내의 대사를 조절하기 위해 호르몬을 생산하여 전신으로 공급하는 기관으로 이를 위해 혈관계가 잘 발달되어 있으며, 물질교환의 효율을 높이기 위한 fenestration과 같은 특수한 구조가 발달되어있다. 한가지 주요한 특징은 정상 성인에서 생리적 상황이 안정적으로 유지되고 있는 타 기관에 비해서, 내분비 기관은 대사의 변화 상황에 민감하게 반응하여 변화하고 있다는 점이다. 본 연구에서는 이러한 미세한 변화상황에서 혈관계의 구조적, 기능적 변화양상을 관찰하고, 그 이면의 분자생물학적 원리를 규명하고자 하였다.
갑상선은 뇌하수체에서 분비되는 갑상선 자극 호르몬의 자극을 받아 갑상선 호르몬 (T3, T4)를 분비한다. 본 연구에서 마우스에서 갑상선 자극 호르몬을 높이거나 억제시켰을 때, 이에 따라 혈관의 직경 및 fenestration이 크게 변화하는 것을 관찰할 수 있었다. 이를 통해 갑상선의 혈류량 및 혈류 투과 정도가 갑상선 자극 호르몬이 갑상선 실질세포를 자극하는 정도에 따라 변화한다는 것을 알 수 있었다. 특이적으로 갑상선 실질세포에는 생리적 상태임에도 불구하고 강력한 혈관 신생인자인 VEGF-A가 높게 발현하고 있었는데, 이는 갑상선 혈관계의 VEGF 수용체와 상호작용하고 있는 것으로 생각되어진다. 또한, 이러한 VEGF-A의 발현은 갑상선 자극 호르몬의 자극 정도에 따라 변화하고 있는 것을 확인하였다. 종합하였을 때, 갑상선 자극 호르몬의 자극에 의해서 갑상선 혈관계는 능동적으로 변화하고 있었으며, 이러한 현상은 VEGF-A와 그 수용체의 상호작용이 매개하고 있는 것을 알 수 있었다.
부갑상선은 갑상선과 밀접한 위치에 있으나 그 기능은 전혀 다른 또 다른 내분비 기관이다. 연구 도중 혈관신생인자 중에 하나인 Ang-2가 부갑상선의 실질세포에만 특이적으로 발현하는 것을 발견하게 되었다. 내분비 기관에서 Ang-2가 발현하는 것은 이전까지의 보고에 없던 첫 발견으로, 그 역할을 알아보기 위해서 Ang-2가 결여된 마우스에서 부갑상선의 혈관의 차이를 규명해보았다. 결과적으로 Ang-2가 없는 마우스의 부갑상선 혈관계는 혈관주위세포와 밀착되어있었고, 내분비기관의 혈관계가 가지고 있는 fenestration이 감소하여있었다.
부신은 체내의 대사에 중요한 스테로이드 호르몬 등을 분비하며 내분비기관 중에서도 가장 급격한 변화가 일어나는 기관이다. 혈관신생인자의 발현을 관찰해보았을 때, 특이적으로 부산피질에 VEGF-A 및 그 수용체가 강하게 발현되고 있는 것을 관찰할 수 있었으며, 이는 부신피질의 복잡한 혈관계의 조절에 역할을 하고 있을 것으로 생각된다. 또한, 스테로이드 호르몬을 전신적으로 투여하였을 때, VEGF-A의 발현이 대부분 사라지면서 혈관 밀도가 감소하는 결과를 보여, 부신 피질의 혈관계 역시 호르몬의 영향으로 변화함을 관찰할 수 있었다.
본 연구를 통해 내분비 기관의 혈관계는 fenestration 등의 특징을 가지고 있었으며, 생리적 상황에서 호르몬 변화에 따라 VEGF-A의 능동적인 조절을 받고 있는 사실을 알 수 있었다. 또한, 부갑상선에 Ang-2가 발현하며 혈관계에 영향을 끼치고 있다는 사실은 여태껏 보고되지 않은 첫 발견으로, 내분비 기관 혈관계의 기관 특이적인 양상을 제시할 수 있는 중요한 근거로서 큰 의미가 있다.
