De BMP-SMAD1/5 gemedieerde signaalweg in postnatale lymfangiogenese

SMAD1/5 zijn noodzakelijke eiwitten tijdens  de lymfevatontwikkeling na de geboorte

Elk dierlijk organisme ontwikkelt zich uit één cel. Vanuit deze cel ontstaan verschillende organen waaronder het lymfevatsysteem. Het lymfevatsysteem heeft, net zoals het bloedvatsysteem, een transportfunctie. Zo staat het lymfatisch systeem in voor de drainage van weefselvocht en het transport van vetten en immuuncellen. Indien het lymfevatsysteem onderontwikkeld is, kan dit leiden tot enkele aandoeningen zoals vochtopstapeling, obesitas en immuunziekten. In het gastlaboratorium werd aangetoond dat SMAD1- en SMAD5-eiwitten een belangrijke rol spelen in een moleculaire signaalweg die kritisch is voor de lymfevatontwikkeling bij de muis kort na de geboorte.

Inleiding tot het lymfevatsysteem
Het lymfevatsysteem bestaat uit lymfevaten en lymfoide organen waar lymfe doorheen stroomt. Het lymfevatsysteem vervult drie belangrijke functies. Het draineert overtollig weefselvocht tussen de cellen en transporteert dit naar de bloedcirculatie. Verder worden vetten uit de darm door de lymfevaten opgenomen en getransporteerd naar de bloedvaten. Tot slot worden ook geactiveerde immuuncellen getransporteerd naar de lymfeknopen waar er een immunologische reactie ontstaat tegen pathogenen zoals bacteriën. Lymfe bestaat dus uit vocht, vetten en immuuncellen.

Transport van lymfe gebeurt in de lymfevaten
De kleinste lymfevaten, waar de opname van vocht, vetten en cellen plaatsvindt, worden de lymfecapillairen genoemd. Meerdere lymfecapillairen vloeien samen tot een collecterend lymfevat. De collecterende lymfevaten transporteren op hun beurt lymfe naar de lymfeknopen en het bloedvatsysteem.

Het nut van lymfevatkleppen tijdens het transport van lymfe
Het transport van lymfe in de collecterende lymfevaten gebeurt slechts in één richting. Dit is mogelijk door de aanwezigheid van lymfevatkleppen. De lymfevatkleppen bestaan uit twee klepbladen en voorkomen de terugvloei van lymfe naar de weefsels. Als lymfe in de verkeerde richting stroomt, sluiten de lymfevatkleppen zich.

De ontwikkeling van lymfevatkleppen
De ontwikkeling van lymfevatkleppen start al vroeg in de ontwikkeling van het lymfevatsysteem. De lymfevatklepontwikkeling kan verdeeld worden in vijf fasen, namelijk  de initiatiefase, territoriumfase, formatiefase, maturatiefase en de onderhoudsfase (figuur 1).

In de eerste lymfevaten zal er al heel snel lymfe stromen zonder de aanwezigheid van lymfevatkleppen. Hierdoor ontstaan er turbulente lymfestromingen in de lymfevaten. Deze turbulente stroming zet de lymfevatwandcellen aan om eiwitten te produceren die nodig zijn om de cel te doen differentiëren. Dit proces is kenmerkend voor de initiatiefase. Vervolgens blijft het differentiatieproces niet beperkt tot één cel, maar zullen meerdere cellen differentiëren in de territoriumfase.  Uiteindelijk zal er een vernauwing in de lymfevatwand ontstaan, te zien als een ringvormige structuur. Deze structuur wordt gevormd door een groot aantal cellen die differentiëren tot een lymfevatklep in de formatiefase. Vervolgens zal deze groep cellen verder uitgroeien tot twee aparte klepbladen in de maturatiefase. In deze fase begint ook de bulbus zich te ontwikkelen. De bulbus is een verbreding in de lymfevatwand ter hoogte van de lymfevatklep. In de laatste fase, de onderhoudsfase, is de lymfevatklep met de bulbus volledig ontwikkeld.

Indien de lymfevatkleppen onvoldoende functioneel zijn, zal er een vochtopstapeling (lymfeoedeem) in de weefsels ontstaan. 13,3% van de bevolking leidt aan lymfeoedeem en vanaf een leeftijd van 60 jaar is het aantal nog groter, 54%.

De rol van BMP en SMAD1/5 tijdens de lymfevatontwikkeling
Eiwitten, zoals het bot morfogenetisch proteïne (BMP), liggen mee aan de basis van het differentiatieproces van verschillende celtypes. De BMPs worden herkend door receptoren die aanwezig zijn op de celmembraan van cellen. Na binding van BMP op deze receptor wordt de receptor geactiveerd. Deze receptor zal op zijn beurt andere eiwitten activeren zoals R-SMADs waaronder SMAD1 en SMAD5. Deze SMADs zullen vervolgens een complex vormen en in de celkern terechtkomen. In de celkern beïnvloeden SMAD-complexen de activatie van verschillende genen waaronder genen die belangrijk zijn voor de ontwikkeling van verschillende organen.

De BMP-signaalweg tijdens de ontwikkeling van lymfevatkleppen
Om de lymfevatklepontwikkeling te onderzoeken werd de huismuis gebruikt als proefdiermodel. Doordat deze huismuis genetisch gemodificeerd is, zullen cellen die BMP-signalering ondergaan, ook het groen fluorescent proteïne (GFP) produceren. Doordat GFP gemakkelijk detecteerbaar is, wordt GFP gebruikt als een verklikker van de BMP-SMAD-signaalweg. Vervolgens werden de lymfevaten in het mesenterium, een vlies rond de darmen, onderzocht in de eerste twee weken na de geboorte van de huismuis.

Uit deze resultaten is gebleken dat de SMAD1/5-signaalweg ook actief is ter hoogte van de lymfevatkleppen. Opmerkelijk bleek deze signaalweg aanwezig te zijn in een zeer beperkt aantal cellen van de lymfevatklep. Mogelijk zijn juist deze cellen verantwoordelijk voor de uitgroei van twee klepbladen. Ook tijdens de maturatiefase is de SMAD1/5-signalering vooral aanwezig in de klepbladen. In de onderhoudsfase verandert dit patroon abrupt. De SMAD1/5-signalering is dan nog nauwelijks aanwezig in de klepbladen maar komt dan voor  in de ontwikkelende bulbus.

Wat is het effect als SMAD1/5-activiteit uitgeschakeld wordt
Bij de huismuis werden SMAD1/5 geïnactiveerd door een genetische modificatie in Smad1/5. Hiervan waren de eerste gevolgen al macroscopisch waarneembaar . Twee derde van de mutante pups vertoonden een ontwikkelingsstoornis zoals minder haargroei, een kleinere lichaamsgrootte en een schilferende huid.

Het effect van inactieve SMAD1/5-eiwitten is ook in het lymfevatsysteem waarneembaar, met name tijdens de lymfevatklepontwikkeling. Pups met een SMAD1/5-deficiëntie vertoonden een klepontwikkelingsachterstand. Het effect van deze klepontwikkelingsachterstand op de werking van het lymfevat-systeem werd onderzocht door de vetopname te onderzoeken. Hiervoor werd een vetrijke substantie toegediend aan de pups. Bij gezonde pups was 75% van de lymfevatlengte in het mesenterium gevuld met vetten terwijl dit bij mutante pups 52% was (figuur 2).

Conclusie
Kort na de geboorte van de huismuis is de BMP-SMAD1/5-signaalweg kritisch voor de lymfevatklepontwikkeling. Opmerkelijk is deze signaalweg dynamisch en slechts in een beperkt aantal cellen in de lymfevatregio aanwezig. Indien SMAD1/5 niet functioneel zijn, heeft dit grote gevolgen voor de lymfevatontwikkeling. Naast uiterlijke ontwikkelingsstoornissen, toont onze data ook aan dat de lymfevatklepbladen zich niet goed ontwikkelen en er een ontwikkelingsachterstand is. Hierdoor zijn de lymfevaten minder functioneel wat kan leiden tot verschillende aandoeningen.

Onderontwikkeling van het lymfevatsysteem is bij verschillende aandoeningen vastgesteld. Toch is er nog steeds te weinig gekend over lymfatische aandoeningen en maakt dit fundamenteel onderzoek naar de lymfevatontwikkeling zo belangrijk.