Schlemm’s canal (SC) in the eye is a specialized vascular structure for draining out aqueous humor from the intraocular chamber into systemic circulation. Dysfunction of SC has been suspected to be responsible for increased aqueous humor outflow (AHO) resistance, leading to elevated ocular pressure which is an underlying factor for glaucoma in humans. Here SC, which originates from blood vessels during postnatal period, acquires lymphatic identity by upregulating Prox1, the master regulator of lymphatic development. SC expresses Foxc2 and integrin $\alpha$9 and possesses continuous VE-cadherin junctions and basement membrane, resembling collecting lymphatics, but notably lacking luminal valves and expressions of podoplanin and LYVE-1. I evaluated the regulatory mechanisms that alter the fate of SC during both development and pathologic conditions, and identified AHO and Angiopoietin/Tie2 signaling, but not VEGF-C/VEGFR3 signaling, as the main modulator of SC integrity and identity. Intriguingly, the Prox1 expression was linearly correlated to the functionality of SC, where weak or no expressions of Prox1 were observed during pathogenesis and in deteriorated SC compared to normal conditions. Collectively, Prox1 is an accurate and reliable biosensor of SC integrity and identity.
쉴렘관(Schlemm’s canal)은 각막 주변부를 둘러싸는 내피세포로 구성된 통로이다. 안구 내 순환하는 체액, 방수는 섬모체 (ciliary body), 각막 및 수정체 (lens)에 영양 공급을 담당하는데 이를 체순환으로 돌려보내는 역할을 쉴렘관이 일부 담당하게 된다. 쉴렘관이 방수유출을 담당하는 정도는 인간에서 80%, 설치류에서 20% 로 알려져 있으며, 쉴렘관의 방수유출 정도는 안압에 의존적이다. 인체에서 쉴렘관의 비정상적 기능은 노화와 병리적 상태와 연관이 있으며 안압의 상승과 안신경의 손상이 동반되었을 때 비가역적 시력 손상을 유발하며 이를 녹내장이라고 한다.
본 연구의 목표는 쉴렘관의 특성을 이해하고 인체에서 발생하는 녹내장의 기전을 규명하기 위한 실마리를 찾는 것이다. 쉴렘관의 구성 세포와 특성에 대한 기존 연구가 부족한 실정에서, 쉴렘관의 내피세포에서 림프관 특이적 전사인자 Prox1의 발현이 밝혀지면서 쉴렘관의 특성 규명에 단초가 되었다. 유전자변형동물 Prox1 reporter 생쥐를 이용하여 Prox1을 발현하는 각막의 윤부 림프관과 쉴렘관을 비교하였을 때, 쉴렘관은 림프관과 유사하게 림프관 특이인자 VEGFR3, integrin $\alpha$9, FOXC2를 각각 발현하였으나 대조적으로 Podoplanin과 LYVE-1의 발현이 없었으며 반면에 혈관에서 발현되는 Endomucin과 Collagen Type IV가 쉴렘관에서 관찰되었다. 또한 쉴렘관의 내피세포는 림프관의 단추 세포 연접 대신에 지퍼 세포 연접 형태를 나타내었다.
본 연구에서 쉴렘관과 림프관의 유출 기능이 유사하면서도 림프관 생성의 중요 인자로 작용하는 전사인자 Prox1이 쉴렘관의 특성을 결정하는 인자로 작용할 것임을 가정하여 전사인자 Prox1과 방수 유출 기능 간의 연관성을 알아보았다. 태생 후 쉴렘관의 내피세포는 혈관 내피 세포로부터 기시하지만 생후 4일부터 Prox1이 발현되면서 림프관 내피 세포의 특성을 획득함을 면역형광염색으로 규명하였다. 태생 후 안구에서 분비된 방수가 쉴렘관으로 향하는 방수 유출을 안구 천자를 이용하여 인위적으로 억제하였을 때, 천자된 안구의 쉴렘관은 정상 안구의 쉴렘관보다 발달이 지연되었으며 림프관 특성인자Prox1과 VEGFR3의 발현이 감소되었다. 이러한 인위적 방수 유출의 억제 실험 방법을 어른 생쥐의 눈에 적용하였을 때에도 유사한 결과가 나타났으며 더불어 일부 쉴렘관 내피세포가 중간엽 세포로 이행함을 관찰하였다. 또한 방수 유출 정도가 감소되는 인체의 노화와 녹내장을 각각 표방하는 늙은 생쥐와 병리적 안압 상승 생쥐 모델의 쉴렘관을 분석하였을 때 림프관 특이 인자의 발현이 감소하였고 내피-중간엽 세포 이행 과정이 동반됨을 발견하였다.
또한 림프관 발달에 중요한 역할을 담당하는 VEGF-C/VEGFR3와 Angiopoietin/Tie2 신호 전달 체계를 탐구하기 위하여 유전자 변형 생쥐 모델을 이용한 쉴렘관의 발달 과정을 조사하였다. VEGF-C/VEGFR3 신호전달체계를 억제하였을 때 각막의 윤부 림프관 발달이 지속적으로 저해되었으나 쉴렘관은 발달 초기에만 저해되는 모습을 보였다. 대조적으로 Angiopoietin/Tie2 신호전달체계를 억제하였을 때 각막의 윤부 림프관 발달은 저해를 보였으며 쉴렘관 또한 지속적인 발달 저해 및 림프관 특성 억제가 관찰되었다.
종합적으로 본 연구는 쉴렘관이 발달 과정 중 혈관내피세포에서 기시하면서 림프관 특이적 전사인자 Prox1을 발현함으로써 림프관 특성을 획득하지만 동시에 림프관과 차별화된 특성을 가지는 독자적인 혈관체계임을 규명하였다. 쉴렘관의 발달을 결정하는 중요한 인자는 방수 유출 정도와 Angiopoietin/Tie2 신호전달체계이며, 쉴렘관의 내피세포의 무결성과 림프관 특성을 지속적으로 유지하기 위해 적절한 방수 유출 정도가 보존됨과 동시에 전사인자 Prox1의 발현이 유지되어야 함을 밝혔다. 따라서 쉴렘관의 전사인자 Prox1은 쉴렘관의 무결성과 림프관 특성 상태를 반영하는 바이오 센서로 활용될 수 있다.
