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Endothelial Wnt/β-catenin signaling is necessary for angiogenesis of the central nervous system and blood–brain barrier (BBB) differentiation, but its relevance for glioma vascularization is unknown. In this study, we show that doxycycline-dependent Wnt1 expression in subcutaneous and intracranial mouse glioma models induced endothelial Wnt/β-catenin signaling and led to diminished tumor growth, reduced vascular density, and normalized vessels with increased mural cell attachment. These findings were corroborated in GL261 glioma cells intracranially transplanted in mice expressing dominant-active β-catenin specifically in the endothelium. Enforced endothelial β-catenin signaling restored BBB characteristics, whereas inhibition by Dkk1 (Dickkopf-1) had opposing effects. By overactivating the Wnt pathway, we induced the Wnt/β-catenin–Dll4/Notch signaling cascade in tumor endothelia, blocking an angiogenic and favoring a quiescent vascular phenotype, indicated by induction of stalk cell genes. We show that β-catenin transcriptional activity directly regulated endothelial expression of platelet-derived growth factor B (PDGF-B), leading to mural cell recruitment thereby contributing to vascular quiescence and barrier function. We propose that reinforced Wnt/β-catenin signaling leads to inhibition of angiogenesis with normalized and less permeable vessels, which might prove to be a valuable therapeutic target for antiangiogenic and edema glioma therapy.
Reproducing the characteristics and the functional responses of the blood–brain barrier (BBB) in vitro represents an important task for the research community, and would be a critical biotechnological breakthrough. Pharmaceutical and biotechnology industries provide strong demand for inexpensive and easy-to-handle in vitro BBB models to screen novel drug candidates. Recently, it was shown that canonical Wnt signaling is responsible for the induction of the BBB properties in the neonatal brain microvasculature in vivo. In the present study, following on from earlier observations, we have developed a novel model of the BBB in vitro that may be suitable for large scale screening assays. This model is based on immortalized endothelial cell lines derived from murine and human brain, with no need for co-culture with astrocytes. To maintain the BBB endothelial cell properties, the cell lines are cultured in the presence of Wnt3a or drugs that stabilize β-catenin, or they are infected with a transcriptionally active form of β-catenin. Upon these treatments, the cell lines maintain expression of BBB-specific markers, which results in elevated transendothelial electrical resistance and reduced cell permeability. Importantly, these properties are retained for several passages in culture, and they can be reproduced and maintained in different laboratories over time. We conclude that the brain-derived endothelial cell lines that we have investigated gain their specialized characteristics upon activation of the canonical Wnt pathway. This model may be thus suitable to test the BBB permeability to chemicals or large molecular weight proteins, transmigration of inflammatory cells, treatments with cytokines, and genetic manipulation.
The blood–brain barrier (BBB) is confined to the endothelium of brain capillaries and is indispensable for fluid homeostasis and neuronal function. In this study, we show that endothelial Wnt/beta-catenin (beta-cat) signaling regulates induction and maintenance of BBB characteristics during embryonic and postnatal development. Endothelial specific stabilization of beta-cat in vivo enhances barrier maturation, whereas inactivation of beta-cat causes significant down-regulation of claudin3 (Cldn3), up-regulation of plamalemma vesicle-associated protein, and BBB breakdown. Stabilization of beta-cat in primary brain endothelial cells (ECs) in vitro by N-terminal truncation or Wnt3a treatment increases Cldn3 expression, BBB-type tight junction formation, and a BBB characteristic gene signature. Loss of beta-cat or inhibition of its signaling abrogates this effect. Furthermore, stabilization of beta-cat also increased Cldn3 and barrier properties in nonbrain-derived ECs. These findings may open new therapeutic avenues to modulate endothelial barrier function and to limit the devastating effects of BBB breakdown.
Im Zentralen Nervensystem (ZNS) kommunizieren neuronale Synapsen über eine Kombination von chemischen und elektrischen Signalen, die in ihrer Umgebung eine spezifische Komposition von Ionen benötigen. Um eine strenge Kontrolle des ZNS-Milieus zu gewährleisten, hat sich in Säugetieren eine endotheliale Blut-Hirn-Schranke (BHS) entwickelt. Die BHS limitiert den parazellulären Molekül Transport und wird von den Kapillargefässen des Gehirns gebildet, wobei die physische Barrier von den Tight Junctions (TJs) des vaskulären Endothels generiert wird. Das Gehirnendothel ist Teil einer neurovaskulären Einheit (NVE), zu der auch Perizyten (PZ), Astrozyten (AZ), Mikroglia und Interneurone zählen. Fehlkommunikation oder defekte zelluläre Komponenten in der NVE führen in der Regel zu Störungen in der BHS Funktion und können schwerwiegende neuronale Erkrankungen zur Folge haben.
Vor einigen Jahren haben wir und andere Forschungsgruppen herausgefunden, dass der Wnt/β-Catenin Signalweg essentiell für die Vaskularisierung des Gehirns während der Embryonalentwicklung ist und darüber hinaus auch eine bedeutende Rolle in der Induktion der BHS spielt. Des Weiteren konnte im Zebrafischmodell eine Aktivierung des kanonischen Wnt Signalweges auch im adulten Organismus nachgewiesen werden. Allerdings ist die Quelle der Wnt Wachstumsfaktoren bis dato unbekannt. Der Wnt Signalweg ist eine hoch konservierte und komplexe zelluläre Signalkaskade, die in allen mehrzelligen Organismen vorkommt. Wnt Wachstumsfaktoren sind sekretierte, hydrophobe Signalmoleküle, die sowohl über lange als auch kurze Strecken entweder den β-Catenin-abhängingen („kanonischen“) oder β-Catenin-unabhängingen („nicht-kanonischen“) Wnt Signalweg aktivieren können.
Da die meisten ZNS Erkrankungen mit einem Zusammenbruch der BHS-Funktion assoziiert sind, ist die Forschung bestrebt die Mechanismen, die der Entstehung und Aufrechterhaltung der BHS zugrunde liegen, zu ermitteln und zu verstehen. Das Ziel meiner Doktorarbeit war es herauszufinden, ob AZ Wnts produzieren und ob deren Wirkung auf das Gehirnendothel an der Aufrechterhaltung der BHS beteiligt ist. Zu diesem Zweck, habe ich ein in vitro BHS Kokultivierungs-Modellsystem etabliert das erstmalig ausschliesslich auf der Verwendung von murinen AZ und Gehirnendothelzellen basiert. Zu Beginn der Studie wurden sowohl primäre AZ als auch eine murine Gehirnendothel-zelllinie (MBE) bezüglich ihrer zell-spezifischen Eigenschaften charakterisiert. Dabei konnte belegt werden, dass sowohl die primären AZ als auch die MBE Zelllinie, aufgrund ihrer Proteinexpressionsprofile als repräsentative Vertreter ihres Zelltyps eingestuft werden können. Die darauffolgenden Untersuchungen konnten zeigen, dass primäre AZ über mehrere Passagen hinweg fast alle 19 Wnt Liganden auf mRNA Ebene exprimierten. Ferner konnte in primären Gehirnendothelzellen und zwei Gehirnendothelzelllinien die korrespondierenden Frizzled (FZD) Rezeptoren und low density lipoprotein receptor-related protein (LRP) Korezeptoren nachgewiesen werden. Dieser Befund legte Nahe, dass AZ und Gehirnendothelzellen die basalen Eigenschaften besitzen, um über den Wnt Signalweg miteinander zu kommunizieren. Die Stimulation von pMBEs mit Astrozyten konditioniertem Medium (AKM) induzierte die Hochregulation von Claudin-3 einem bekannten kanonischen Wnt Zielgens. Interessanterweise konnte diese Regulation teilweise durch die Zugabe von dickkopf 1 (Dkk1), einem Wnt/β-Catenin Antagonisten, inhibiert werden.
Um die physiologische Rolle der Wnt Liganden zu bestimmen, habe ich mir die Eigenschaft des universellen Sekretionsmechanismus der Wachstumsfaktoren, welcher von dem Transmembranprotein evenness interrupted (Evi) abhängig ist, zu Nutze gemacht. Die Verpaarung von Evifl/fl mit hGFAP-Cre Mäusen erlaubt die AZ-spezifische Deletion des Evi Proteins (Evi KO), was zur Folge hat, dass die Astrozyten der Nachkommen keine Wnt Wachstumsfaktoren sekretieren können.
In vitro führte der Verlust von Wnts in AKM zu einer teilweisen Delokalisierung von Junction Proteinen. Während die Kokultivierung mit Evi WT AZ einen straken Anstieg im TEER und reduzierte Permeabilitätsmesswerte induzierten, konnten diese pro-BHS Eigenschaften bei Evi KO AZ nicht beobachtet werden. Diese Ergebnisse zeigten deutlich, dass Wnts sekretiert von AZ den BHS Phenotyp positive beeinflussen, indem sie die Zell-Zell-Verbindung verstärken, was wiederum zu erhöhtem Zellwiderstand und reduzierter transzellulärer Permeabilität führt. Die Analyse des in vivo Phänotyps von Evi KO Mäusen ergab, dass mit fortschreitendem, postnatalem Alter makroskopisch erkennbare zerebrale Blutungen auftraten. Ausserdem konnte ich zeigen, dass eine Subpopulation von Blutgefässen Malformationen aufwies, die mit reduzierter Astrozytenendfuss-Assoziierung einhergingen.
Das Wissen um die Beteiligung des Wnt Signalweges an der Regulation der BHS auch im adulten Organismus kann in Zukunft von wichtiger Bedeutung sein, da es potentielle therapeutische Anwendungen ermöglicht.