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Si los quilomicrones no pueden ingresar a los capilares, ¿cómo se suministran a los tejidos?

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El transporte de quilomicrones se produce en los lácteos principalmente porque son demasiado grandes para entrar en los capilares y, sin embargo, más tarde suministran triglicéridos en el tejido extrahepático atravesando el lecho capilar. Esto parece completamente ilógico y contradictorio. Entonces, algo parece haber salido mal en esta línea de pensamiento.


Transporte linfático de lipoproteínas de alta densidad y quilomicrones

1 Departamento de Patología e Inmunología, Facultad de Medicina de la Universidad de Washington, St. Louis, Missouri, EE. UU. 2 Magdalen College, Universidad de Oxford, Oxford, Reino Unido.

Envíe la correspondencia a: Gwendalyn J. Randolph, Departamento de Patología e Inmunología, Box 8118, Facultad de Medicina de la Universidad de Washington, St. Louis, Missouri 63110, EE. UU. Teléfono: 314.286.2345 Fax: 314.286.2362 Correo electrónico: [email protected] O a: Norman E. Miller, Magdalen College, Oxford OX1 4AU, Reino Unido. Teléfono: 44.20.7490.3241 Fax: 44.20.7490.3241 Correo electrónico: [email protected]

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1 Departamento de Patología e Inmunología, Facultad de Medicina de la Universidad de Washington, St. Louis, Missouri, EE. UU. 2 Magdalen College, Universidad de Oxford, Oxford, Reino Unido.

Envíe la correspondencia a: Gwendalyn J. Randolph, Departamento de Patología e Inmunología, Box 8118, Facultad de Medicina de la Universidad de Washington, St. Louis, Missouri 63110, EE. UU. Teléfono: 314.286.2345 Fax: 314.286.2362 Correo electrónico: [email protected] O a: Norman E. Miller, Magdalen College, Oxford OX1 4AU, Reino Unido. Teléfono: 44.20.7490.3241 Fax: 44.20.7490.3241 Correo electrónico: [email protected]

Los ciclos de vida de las VLDL y la mayoría de las LDL ocurren en el plasma. Por el contrario, el papel de las HDL en el transporte de colesterol desde las células requiere que accedan fácilmente y funcionen dentro del líquido intersticial. Los estudios de la linfa derivada de la piel, el tejido conectivo y el tejido adiposo han demostrado que las partículas tan grandes como las HDL requieren transporte a través de los vasos linfáticos para regresar al torrente sanguíneo durante el transporte inverso del colesterol. Dirigirse a HDL con fines terapéuticos requerirá comprender su biología en el compartimento extravascular, dentro del intersticio y la linfa, en la salud y la enfermedad, y aquí revisamos los procesos que median el transporte de HDL y quilomicrones a través de la vasculatura linfática.

Las HDL constituyen una de las cuatro clases principales de partículas que transportan lípidos entre órganos, tejidos y células (Tabla 1). El "colesterol bueno", el término común para el colesterol HDL, hace referencia al papel establecido del HDL en el transporte de colesterol desde los tejidos periféricos al plasma y desde el plasma al hígado, donde el colesterol se procesa para empaquetarlo en ácidos biliares para su excreción. Glomset et al. (1) postularon por primera vez este papel biológico putativamente anti-aterogénico (y por lo tanto "bueno") de las HDL en el apoyo a la excreción del exceso de colesterol (1) y desde entonces se ha denominado transporte inverso de colesterol (2). Posteriormente, evidencia significativa identificó al HDL como un objetivo terapéutico para combatir la aterosclerosis. Sin embargo, los ensayos clínicos recientes diseñados para probar si el aumento de los niveles plasmáticos de HDL es terapéuticamente beneficioso no demostraron eficacia (3-5), y los estudios genéticos han refutado la predicción de que niveles más altos de HDL en plasma en humanos se asocian con la protección contra enfermedades cardiovasculares (6). . Aprovechar el papel del HDL en la depuración del colesterol sigue siendo de gran interés, pero el campo ahora reconoce que las mediciones simples del colesterol HDL en plasma no capturan su capacidad para apoyar la salida de colesterol de las células, incluidos los macrófagos cargados de colesterol dentro de las placas ateroscleróticas. De hecho, el sitio más importante desde el que las HDL actúan para promover la salida de colesterol de las células es la matriz extracelular de los tejidos, no el plasma. Es plausible que algunas personas que muestran niveles altos de colesterol HDL en plasma tengan una mala recirculación de HDL y / o funcionen dentro del intersticio de los tejidos, lo que conduce a un flujo deficiente de colesterol en los sitios relevantes. Esta revisión considera lo que se sabe sobre el colesterol HDL en el intersticio y su transporte a través de los vasos linfáticos como parte indispensable de su papel en el transporte inverso del colesterol. Para considerar este tema de manera más integral, también discutimos el transporte de quilomicrones a través de los linfáticos, un proceso que puede proporcionar información sobre el transporte de HDL desde otros tejidos periféricos.

Principales clases de lipoproteínas

La principal apolipoproteína de HDL es apoA1. Cuando se tiene en cuenta el volumen total de líquido intersticial y se considera su concentración en el mismo, aproximadamente la mitad de toda la apoA1 en el cuerpo es extravascular y se encuentra dentro del líquido intersticial de los órganos periféricos (7). Los cálculos basados ​​en el número de partículas de lipoproteínas en plasma (8) y las concentraciones de apoA1 y apoB (la principal proteína de LDL) en plasma y linfa periférica (9) indican que en el líquido intersticial humano normal normalmente hay más de 50 partículas de HDL en una LDL. partícula. Sin embargo, a pesar de su manifiesta importancia en relación con el transporte de lípidos en la salud y la enfermedad, existe una escasez de información sobre las HDL en el líquido intersticial de los tejidos periféricos, debido a la dificultad de obtener suficiente líquido en condiciones fisiológicas.

Aunque la implantación subcutánea de sondas de microdiálisis proporciona información valiosa sobre el movimiento de pequeñas moléculas entre el plasma y el líquido intersticial en humanos, el tamaño de corte molecular de las sondas es demasiado bajo para la recuperación de lipoproteínas (10, 11). Las mechas subcutáneas (12) proporcionan material insuficiente para el análisis de la composición de lipoproteínas. Se obtienen mayores volúmenes de las ampollas de succión (13), pero el líquido de las ampollas de succión no es fisiológico, formado por la separación de la dermis de la epidermis (14). El único enfoque viable es la recolección de líquido intersticial a medida que se drena de los tejidos a través de los vasos linfáticos aferentes antes de llegar a los LN (Figura 1). Un principio subyacente de este enfoque es que el líquido intersticial desciende por un gradiente de presión desde la sangre hasta los capilares linfáticos, de manera que la composición de la linfa es un reflejo cercano del líquido intersticial en sí (15). Como se observó en ratones, una característica clave que permite el movimiento de líquido hacia la linfa es la estructura de las uniones inter-endoteliales, organizadas de modo que las adherencias sean discontinuas, como botones en un abrigo, para generar solapas entre los botones (Figura 1) que se pueden tirar. se abren bajo tensión anclando filamentos adheridos al capilar, haciendo que el vaso sea accesible a grandes macromoléculas (16). La transcitosis que sigue a la captación de líquido por micropinocitosis y / o endocitosis mediada por receptores también puede contribuir a la entrada de linfa en los capilares linfáticos (17).

Organización de la vasculatura linfática. Los capilares linfáticos forman vasos con extremos ciegos en todos los órganos (denominados lácteos en el intestino). Estos vasos convergen y hacen la transición a vasos linfáticos colectores que están rodeados por músculo (líneas rojas que se superponen a los vasos linfáticos). Los buques recolectores son interrumpidos por LN. Los vasos colectores y los LN están rodeados de tejido adiposo. El vaso colector más grande, el conducto torácico, drena la linfa recolectada de todos los órganos al torrente sanguíneo en la vena subclavia. Los recuadros detallan la estructura de los capilares linfáticos con respecto a la absorción de lipoproteínas. En tejidos como la piel y los pulmones, las uniones en forma de botón separan las células endoteliales y crean colgajos, que permiten la entrada de moléculas en la linfa independientemente del receptor. En el intestino, se pueden formar poros dilatados en las puntas. Se desconoce la organización arterio-capilar precisa. La entrada de HDL discoidal en la linfa de la piel puede estar mediada por receptores a través de la unión de SR-B1 (recuadro izquierdo), pero se necesita más trabajo para confirmar esto. El recuadro derecho muestra la transición fenestrada de capilar arterial a capilar sanguíneo venoso alrededor de cada láctico intestinal. Los nutrientes más pequeños que no están empaquetados en quilomicrones ingresan a la vasculatura sanguínea que conduce a la vena porta, pero los quilomicrones son demasiado grandes. Entran en los vasos lácteos mediante exclusión de tamaño, que también desempeña un papel clave en el encaminamiento de las HDL hacia la linfa de otros órganos. Los macrófagos y las CD endocitan al menos algunas moléculas en las vellosidades intestinales, lo que reduce su tránsito hacia los vasos lácteos, incluso si evitan la entrada a la vasculatura sanguínea.

Los primeros datos sobre las lipoproteínas linfáticas periféricas humanas fueron obtenidos por Reichl y sus colegas, utilizando líquido extraído de un vaso superficial en el dorso del pie. En estudios realizados entre 1973 y 1989, mostraron que las lipoproteínas linfáticas difieren de las del plasma en concentración y composición. Las concentraciones de apoA1 y apoB fueron mucho más bajas que en el plasma (18 - 20), y toda la apoB estaba en LDL (21). Los estudios con lipoproteínas radiomarcadas confirmaron que las apolipoproteínas linfáticas se derivaban del plasma (22). Las mediciones de la radiactividad específica del colesterol en la linfa varias semanas después de la infusión intravenosa de colesterol radiomarcado indicaron que excedía la del colesterol plasmático (23). Las partículas que contienen apoA1 tenían un espectro de tamaño más amplio en la linfa que en el plasma y estaban enriquecidas en colesterol de radiactividad específica relativamente alta (19, 24). Estos estudios, revisados ​​en detalle en otra parte (25), fueron consistentes con el concepto propuesto por Glomset (1) de que las HDL son los vehículos de transporte de colesterol de los tejidos. Reichl y col. (26) posteriormente encontraron que la linfa periférica contiene partículas con apoA1, pero sin apoA2, de tamaño y carga similares a las preβ-HDL, pequeñas partículas pobres en lípidos que Castro y Fielding (27) habían demostrado que eran los principales aceptores de células derivadas colesterol de fibroblastos cultivados. Un estudio de intervención mostró que el tratamiento con gemfibrozil, un activador de fenofibrato oral de PPARα, aumentó la apoA1 y el colesterol en la linfa pero no en el plasma y demostró el potencial del método para obtener información única sobre el transporte extravascular de colesterol (28).

Miller y colaboradores (29) mejoraron el procedimiento de recolección de linfa, basándose en un método original de Engeset et al. (30), en el que la linfa se extrae de un vaso linfático aferente más grande en la parte inferior de la pierna, lo que permite la recolección a velocidades de flujo de 0,25 a 2,0 ml / h durante varios días. La linfa de este vaso se deriva de la piel, el tejido adiposo y el tejido conectivo. De acuerdo con Reichl et al. (18 - 21), la linfa estaba esencialmente desprovista de VLDL. Con toda la apoB en las LDL (9, 29), las proporciones de apoA1 / apoB y esfingomielina / fosfatidilcolina fueron mayores que en el plasma. Varias semanas después de la infusión intravenosa de colesterol radiomarcado, la radiactividad específica del colesterol linfático excedió la del colesterol plasmático (31). Las HDL de la linfa se enriquecieron en partículas grandes que contienen apoA1 con un alto contenido de colesterol no esterificado, fosfolípidos y apo E (7, 9, 29). En el otro extremo del espectro de tamaños, las partículas más pequeñas que contienen apoA1 estaban enriquecidas en fosfolípidos. La linfa también contenía partículas HDL discoidales (29). Tales HDL nunca se ven en el plasma, excepto en sujetos con deficiencia familiar de lecitina-colesterol aciltransferasa (LCAT). De particular relevancia para el aclaramiento de colesterol de la periferia, la concentración de colesterol total en HDL linfático fue aproximadamente un 30% mayor de lo que podría explicarse por la transferencia transendotelial de HDL del plasma, lo que indica que las HDL adquieren colesterol de las células dentro del compartimento extravascular. La concentración de preβ-HDL en la linfa se relacionó positiva e independientemente con las concentraciones plasmáticas de preβ-HDL y de α-HDL (HDL madura, esferoidal rica en éster de colesterilo [rica en CE]), lo que sugiere que las partículas de preβ-HDL en la linfa son el resultado no solo de transporte fuera del plasma, sino también a partir de la remodelación de α-HDL derivada de plasma en el líquido intersticial (Figura 2). Se obtuvieron resultados concordantes cuando las mismas partículas se cuantificaron mediante cromatografía (32). Estudios posteriores de incubación in vitro demostraron que la remodelación de las lipoproteínas en el líquido intersticial genera preβ-HDL a partir de α-HDL, en contraste con el plasma en el que hay conversión neta en la dirección inversa (7). El hecho de que la duración de estas incubaciones no fuera mayor que el tiempo de residencia promedio aparente de HDL en la matriz extracelular en humanos (33) sugiere que este proceso puede ser una fuente importante de preβ-HDL in vivo.

El ciclo intravascular / extravascular de remodelación de HDL que mantiene el transporte inverso de colesterol. (i) Transferencia de HDL a través del endotelio vascular. (ii) Producción de pequeñas preβ-HDL que contienen apoA1 pobres en lípidos en el líquido intersticial a través de la remodelación de α-HDL esferoidales ricas en CE. (iii) Conversión de preβ-HDL en HDL discoidales mediante la captación de colesterol no esterificado (chol) y fosfolípidos (PL) a través de los transportadores ABCA1 de células periféricas. (iv) Transporte de los discos a través del sistema linfático a la sangre a través del conducto torácico. (v) Conversión de los discos en α-HDL esferoidales ricas en CE en plasma mediante la acción de LCAT. (vi) Transferencia de CE de α-HDL a células hepáticas, directamente a través de receptores SR-B1 e indirectamente a través de CETP y lipoproteínas que contienen apoB (VLDL y LDL) que son endocitosadas por receptores apoB100. La función principal de LCAT es generar CE para su administración al hígado. La producción neta de preβ-HDL en el líquido intersticial parece mantenerse mediante una alta proporción de PLTP activo a inactivo en presencia de una tasa de esterificación de colesterol cercana a cero, en contraste con una alta tasa de esterificación y una menor proporción de PLTP activo / inactivo en plasma. Las flechas negras representan el camino de la apoA1 como un componente de diferentes HDL a medida que se mueven entre los compartimentos intravascular y extravascular. Las flechas rojas representan el flujo de colesterol, inicialmente como colesterol no esterificado en el líquido intersticial y la linfa, y luego como CE en la sangre.

Al comparar el contenido de colesterol de las subclases de tamaño de las HDL en la linfa con las del plasma, se estimó que la tasa de transporte de colesterol de todo el cuerpo a través de la linfa en promedio era de 0,89 mmol (344 mg) por día, lo que era compatible con las estimaciones publicadas de la renovación de colesterol de todo el cuerpo por análisis de dilución de isótopos (34). Tomados en conjunto, estos estudios sugieren que el intersticio es un sitio importante para la generación de preβ-HDL e implican a la vasculatura linfática como la principal ruta de tránsito para el movimiento de HDL desde el intersticio al torrente sanguíneo y al hígado. El concepto de que el HDL depende de los linfáticos para regresar a la sangre durante el transporte inverso del colesterol se demostró en ratones, en los que la vasculatura linfática se alteraba quirúrgicamente o genéticamente en la piel, lo que provocaba marcadas reducciones en la aparición de colesterol marcado en el plasma que se originó a partir de implantes. macrófagos tisulares (35, 36).

Se evaluó si el número de partículas de HDL en el líquido intersticial afecta la velocidad de transporte inverso de colesterol mediante la infusión intravenosa de discos de apoA1 / lecitina reconstituidos, que se sabe que producen un rápido aumento en la concentración plasmática de HDL (37), en seres humanos sanos que recibieron previamente colesterol radiomarcado ( 31). Durante siete días de recolección continua de linfa, la infusión produjo aumentos secuenciales en las HDL plasmáticas, las preβ-HDL linfáticas, la radioactividad específica del colesterol linfático (consistente con la salida de colesterol de los tejidos) y la excreción de ácidos biliares fecales. No se produjeron cambios en las concentraciones linfáticas de enzimas que remodelan colectivamente las HDL (38), incluida la LCAT, que esterifica el colesterol libre para empaquetarlo en el núcleo central de las HDL esféricas, o la proteína de transferencia de fosfolípidos (PLTP) y la proteína de transferencia de CE (CETP), que catalizan el intercambio de lípidos entre partículas de HDL u otras subclases de lipoproteínas. De hecho, la tasa de esterificación del colesterol y la actividad CETP son muy bajas en la linfa en comparación con el plasma (7). Por otro lado, PLTP tiene una mayor actividad específica en la linfa que en el plasma, debido a una mayor proporción de formas activas e inactivas (7). La alta actividad específica de PLTP, junto con la ausencia de esterificación del colesterol, que promueve la conversión de preβ-HDL en α-HDL, probablemente contribuye a la propensión del líquido intersticial a generar partículas de preβ-HDL con una alta actividad para eliminar el colesterol de las células (7 ). A la luz de la necesidad de comprender mejor el impacto de la inhibición de la CETP sobre el transporte de colesterol en el hombre (3), es de suma importancia investigar el efecto de la actividad de la CETP o su inhibición sobre la eficiencia con la que el HDL circula a través del intersticio.

En general, la evidencia colectiva de estos estudios es consistente con el esquema de la Figura 2. El paso de α-HDL al intersticio a través del endotelio puede ocurrir por transcitosis a través de las células endoteliales, como se sugiere en estudios in vitro (39, 40), pero el trabajo en curso in vivo sugiere un modelo de 2 poros de ultrafiltración en lugar de transcitosis (nuestras observaciones no publicadas). Cuando se comparan los radios conocidos de las diferentes subclases de HDL con los de los poros, se esperaría que el cambio de subclases de HDL pequeñas a grandes que se produce cuando se reducen el receptor eliminador B1 (SR-B1) y el CETP produzca una reducción importante en el α total. -Transporte de HDL al líquido intersticial, consistente con la observación de que las grandes lipoproteínas no ingresan a la pared arterial (41). Las HDL pequeñas, pobres en lípidos, que contienen apoA1 con movilidad electroforética preβ se generan en el líquido intersticial mediante la remodelación de las α-HDL esferoidales derivadas del plasma. Las preβ-HDL en el líquido intersticial luego interactúan con los transportadores ABCA1 en las células extravasculares para adquirir colesterol y fosfolípidos no esterificados, lo que resulta en la formación de HDL discoidales, que viajan a la sangre a través del sistema linfático junto con otras macromoléculas que exceden el radio de TNF-α ( 3,24 nm) (42). El HDL varía en un radio de 3,82 a 5,43 nm (43, 44). Al reingresar a la sangre en el conducto torácico, las HDL discoidales actúan como sustratos eficientes para LCAT, generando α-HDL esferoidales ricas en CE. La transferencia de CE al hígado se produce mediante dos procesos: captación directa de α-HDL a través de SR-B1 y transferencia a VLDL y LDL a través de CETP. La remodelación cíclica extravascular-intravascular de HDL es fundamental para mantener un flujo de colesterol desde las células periféricas al hígado para su reutilización y eliminación como ácidos biliares.

La linfa periférica difiere en función y composición de la linfa intestinal. Este último transporta quilomicrones recién sintetizados, que son al menos un orden de magnitud mayor en radio que el HDL, desde el íleon al torrente sanguíneo durante la absorción de la grasa ingerida. Junto con el hígado, el íleon es una fuente importante de apoA1 recién sintetizada, que aparece en la linfa intestinal en parte como un componente de quilomicrones nacientes y en parte en combinación con fosfolípidos y colesterol como HDL discoidal naciente (45, 46). Los capilares linfáticos de absorción de las lipoproteínas en el intestino se extienden como un solo vaso linfático en cada vellosidad, denominados lácteos (Figura 1). Estos drenan hacia los vasos linfáticos colectores mesentéricos que atraviesan la grasa mesentérica y bombean activamente la linfa bajo control muscular y neural (47 - 49). Esta linfa corre a través de los ganglios linfáticos mesentéricos y finalmente al conducto torácico que drena la linfa transportada rica en quilomicrones hacia el torrente sanguíneo en la vena subclavia izquierda. Es notable que este patrón de transporte da como resultado el paso de lipoproteínas derivadas de la linfa, incluidos los nutrientes recolectados como "harina grasa", no solo a través de los LN mesentéricos (antes de ingresar al conducto torácico), sino también a través del corazón y la vasculatura del pulmón y posteriormente otros órganos, donde son degradados por la lipoproteína lipasa. Las partículas remanentes derivadas de estas lipoproteínas tienen acceso al hígado, en fuerte contraste con los nutrientes no grasos que ingresan directamente a la circulación venosa portal desde las vellosidades intestinales. Una consecuencia de esta ruta de tránsito es que el pulmón puede estar expuesto a lipolisacáridos y otros componentes de la microbiota intestinal con afinidad por las lipoproteínas que ingresan a la linfa (50). Por lo tanto, cuando la fuga intestinal de microbiota es lo suficientemente grande como para amenazar la falla orgánica, el pulmón es particularmente susceptible (50). Por tanto, es importante que los LN, a través de los cuales circula toda la linfa, respondan y filtren la linfa absorbida para proteger al huésped contra las lipoproteínas inflamatorias. Los ratones que carecen del inhibidor de la lipoproteína lipasa similar a la angiopoyetina 4, que se expresa en los macrófagos LN mesentéricos, son susceptibles a la inflamación letal dentro de los LN mesentéricos expuestos a quilomicrones que contienen grasas saturadas (51). La secreción de apoA1 por el propio intestino también puede proteger al huésped de la inflamación mesentérica, dadas las propiedades antiinflamatorias de las HDL (52). Sería interesante probar si las respuestas adversas a la fuga intestinal aumentan cuando la secreción de apoA1 por parte de los enterocitos se pierde de forma selectiva.

Los vasos linfáticos de todos los órganos periféricos, como los del intestino, convergen con el conducto torácico de modo que la linfa que llega al suministro de sangre venosa es una mezcla de linfa intestinal y linfa que drena otros tejidos periféricos (Figura 1). No se sabe cuán similares son los mecanismos para la captación de lipoproteínas entre los vasos intestinales lácteos y los capilares linfáticos de otros órganos. Favorecemos el concepto de que las lipoproteínas ingresan a la linfa, ya sean lacteas o capilares linfáticos en otros órganos, por mecanismos que no son selectivos con respecto a la composición molecular de la carga entrante o receptores específicos. Este punto de vista, respaldado por la similitud entre el líquido intersticial y la linfa (15), podría explicar cómo una variedad de moléculas exógenas, incluidos los colorantes trazadores, dextranos, proteínas extrañas y nanopartículas, ingresan fácilmente a la linfa. Este punto de vista no excluye la posibilidad de que mecanismos activos como la macropinocitosis contribuyan a la entrada de líquido al vaso linfático (17). En oposición al concepto de entrada independiente del receptor, Lim et al. informaron que SR-B1 es necesaria para la captación de HDL en la vasculatura linfática de la piel (36), lo que implica que las HDL podrían quedar atrapadas en los tejidos por la pérdida de SR-B1 en los capilares linfáticos. Si este hallazgo es ampliamente aplicable, la premisa de que las evaluaciones de las lipoproteínas en la linfa aferente reflejan las del líquido intersticial puede no ser válida al menos en algunas circunstancias. Por el contrario, la presencia o ausencia de SR-B1 no modula la absorción de quilomicrones en el intestino (53). Quizás existan explicaciones alternativas para el papel propuesto de SR-B1 en el tránsito de HDL fuera de la piel. Por ejemplo, el ratón con deficiencia de SR-B1 acumula partículas de HDL muy grandes en la circulación (54, 55), de modo que el plasma puede ser incapaz de suministrar al intersticio los aceptores de HDL, lo que lleva a una explicación alternativa del fracaso del colesterol inverso. transporte de colesterol administrado exógenamente. Además, SR-B1 juega un papel fundamental en la función plaquetaria (56). Las plaquetas son mediadores críticos en el desarrollo de la vasculatura linfática a través de su expresión de CLEC2 (57 - 59), un receptor de lectina de tipo C clave para la podoplanina que se expresa ampliamente en las células endoteliales linfáticas. Por tanto, la vasculatura linfática de la piel puede ser anormal en ratones con deficiencia de SR-B1, lo que afecta negativamente al transporte inverso de colesterol sin captación directa de HDL mediada por receptores en los linfáticos. Por otro lado, como la evidencia indica un papel extrahepático de SR-B1 en la promoción de la enfermedad cardiovascular (60), la posibilidad de que la captación de HDL en el tejido a través del endotelio vascular, que puede requerir al menos parcialmente SR-B1 (61), o su salida del tejido a través de los linfáticos (36) podría contribuir a un transporte inverso deficiente del colesterol y, por lo tanto, a la aterosclerosis, es plausible e intrigante.

Aunque se sabe más sobre la captación de quilomicrones en los lácteos que sobre la captación de lipoproteínas en los linfáticos periféricos, existe una escasez de literatura en general en esta importante área. Ratones recién nacidos deficientes en el gen del adenoma pleomórfico, como 2 (Plag2) sucumben a un síndrome de emaciación derivado de la absorción fallida de quilomicrones (62). En este estudio, PLAG2 fue altamente expresado por los enterocitos, con al menos algo de expresión también por los lácteos. La tinción con rojo aceite O indicó la acumulación de lípidos dentro de los enterocitos, mientras que las micrografías electrónicas revelaron que los quilomicrones se liberaban del epitelio pero no podían entrar en el lacteal. Plag2 la deficiencia también impidió la captación de colesterol en otros tejidos del plasma. Ha habido poco seguimiento de este estudio y no está claro si la captación de quilomicrones está coordinada por los lactantes de una manera dependiente de PLAG2 o si otros cambios relacionados con la secreción, la composición o el tamaño de los quilomicrones explican los resultados observados.

Con respecto al tamaño de partícula, es posible desarrollar un modelo de trabajo para explicar por qué las grasas empaquetadas en quilomicrones ingresan exclusivamente a la vasculatura linfática, mientras que la mayoría de los nutrientes atraviesan el sistema venoso portal para la entrega primaria al hígado. La red de capilares sanguíneos que rodea a cada lacteo está fenestrada, particularmente a lo largo del lado venoso. Estas fenestraciones facilitan la reabsorción de nutrientes, incluso cuando también permiten la ultrafiltración de moléculas desde la vasculatura sistémica hacia la lámina propia. Sin embargo, las fenestras son demasiado estrechas para permitir el paso de incluso el rango de tamaño más pequeño de quilomicrones (63). Por lo tanto, la exclusión de tamaño, al igual que el mecanismo postulado para la entrada de HDL en los linfáticos de la piel (42), probablemente explica por qué los quilomicrones se dirigen a la periferia a través de la vasculatura linfática, en lugar de al hígado a través de la vasculatura venosa portal. Se cree que la punta del lácteo contiene poros grandes que, en contraste con los vasos sanguíneos cercanos, son de tamaño suficiente para permitir la entrada de quilomicrones (64). El hecho de que los vasos sanguíneos fenestrados se encuentren encima del líquido lácteo alrededor de gran parte de su superficie expuesta probablemente contribuya a garantizar que las moléculas más pequeñas, incluidos los nutrientes hidrófilos y los antígenos no empaquetados en quilomicrones, accedan principalmente a la vasculatura sanguínea para su transporte, aunque existe una cierta probabilidad de que una porción de estas pequeñas moléculas pasa por alto la vasculatura fenestrada y entra en la linfa (Figura 1), de acuerdo con las observaciones experimentales. Además, la rica red de macrófagos y DC en las vellosidades intestinales adquiere muchas macromoléculas que ingresan a las vellosidades intestinales a través de una endocitosis robusta (65). Su actividad endocítica colectiva protegió al lácteo de la absorción de antígenos trazadores, mientras que el agotamiento de estas células permitió una mayor absorción en el lácteo, con un cambio resultante en la respuesta inmune resultante (65). El estudio no investigó si la presencia de macrófagos y CD afectaba la absorción de quilomicrones o la absorción de otros nutrientes. Este tema merece atención en investigaciones futuras debido a sus importantes implicaciones. En primer lugar, los fármacos diseñados para atacar quilomicrones para su transporte a la vasculatura linfática podrían evitar la toxicidad hepática que a veces se asocia con dosis más altas de fármacos que se transportan a través de la vasculatura venosa portal (66). Por otro lado, el hecho de que las toxinas ambientales como el diclorodifeniltricloroetano accedan primero a la circulación sistémica, en lugar de a la circulación portal, donde podrían ser desintoxicadas por el hígado, aumenta el peligro que representan para la salud humana (67). Por tanto, por razones que van desde el mantenimiento de la salud cardiovascular e inmunológica hasta evitar la toxicidad de los fármacos, se necesita una mejor comprensión de cómo los vasos linfáticos del intestino absorben quilomicrones y otras macromoléculas. Creemos que estos estudios tienen mérito en sí mismos y también proporcionan una base para futuros estudios sobre la entrada de HDL en los linfáticos en la periferia.

Las intervenciones clínicas exitosas para mejorar la salud cardiovascular basadas en el objetivo de HDL pueden requerir que exploremos más a fondo cómo se regula el ciclo de HDL (Figura 2) y cómo puede diferir en varios tejidos y órganos. La propensión de los macrófagos a donar colesterol a HDL durante el transporte inverso de colesterol difiere entre los diferentes compartimentos anatómicos (35). Sin embargo, la razón de esto sigue sin estar clara. ¿La apoA1 está más enriquecida en líquido intersticial en diferentes sitios anatómicos? ¿O el espacio de líquido intersticial relativo alrededor de los macrófagos influye en el transporte inverso del colesterol, de modo que los sitios de inflamación, por ejemplo, la placa aterosclerótica, donde se agregan los macrófagos, apoyarían una tasa más lenta de transporte inverso del colesterol? ¿Influye la velocidad del flujo de líquido intersticial en la velocidad y extensión del transporte inverso de colesterol? ¿La eficiencia del transporte linfático en general afecta el desarrollo o la reversibilidad de enfermedades provocadas por el colesterol como la aterosclerosis?

Responder a estas preguntas requiere más investigación sobre el papel de los linfáticos en la eliminación del colesterol de las paredes arteriales donde se encuentran las placas ateroscleróticas. La adventicia de las grandes arterias recibe vasculatura linfática como parte de los vasa vasorum, y las placas ateroscleróticas avanzadas promueven el crecimiento de vasos linfáticos dentro de la íntima de las placas (68). Martel y col. empleó una técnica quirúrgica que sugiere que los vasos linfáticos median la eliminación del colesterol de la pared arterial (35). Este trabajo, revisado con mayor detalle en otro lugar (69), debe verificarse en modelos que no requieran remodelación linfática como parte del experimento. Lograr este objetivo probablemente requerirá modelos experimentales con vasos linfáticos más grandes que los que se observan en ratones. Las intervenciones quirúrgicas experimentales en el cerdo no requieren un trasplante aórtico completo. Sorprendentemente, la administración de ésteres de colesterol marcados, ya sea en forma de LDL o HDL, a un segmento ligado y temporalmente desviado de la aorta torácica del cerdo reveló que el HDL pasa a través de los medios y entra en la adventicia de manera eficiente, lo que llevó a los investigadores a fines de la década de 1980 a concluir que Es probable que el HDL se elimine a través de los linfáticos de la adventicia (70, 71). Las LDL marcadas, por el contrario, penetraron solo en la capa íntima, lo que indica especificidad en el tráfico a través de la pared medial para las HDL marcadas.

No obstante, el transporte de HDL en las arterias está menos estudiado y puede diferir del de la piel, por lo que se debe tener precaución al extrapolar los estudios de la linfa periférica al líquido intersticial de las arterias enfermas. Furthermore, much of the apoA1 in plaque has been rendered dysfunctional ( 72 ). On the other hand, as skin is the largest organ in the body, a substantial fraction of apoA1 is continually found there, making skin a key player in the HDL cycle regardless of how lipoproteins are transported from arteries. Indeed, hypercholesterolemic mice lacking apoA1 suffer from massive sequestration of cholesterol predominantly in skin ( 73 ). Hypercholesterolemia also impairs lymphatic transport from the skin ( 74 ), but quantifying transport from other body sites, including the artery wall, will require the development of novel assays.

Because it has proven more challenging than expected to understand the HDL cycle well enough to manipulate it therapeutically, significant attention should be focused on the half of apoA1-bearing HDL particles found within interstitia. This part of the HDL life cycle remains relatively inaccessible for study, yet transit through the interstitium is certainly as critical as the period that HDL spends in plasma. Although recent studies have recognized that simple measurements of plasma HDL cholesterol are insufficient to predict efficacy in promoting cholesterol efflux, new assays to measure HDL function still focus on HDL in the plasma ( 64 ), making it impossible to determine whether some individuals have defective trafficking or activity of HDL within the interstitium. However, a critical unanswered question is whether evaluation of HDL remodeling and passage through skin, by far the largest and most accessible tissue, would be valuable or detract from our understanding of HDL in the interstitium of the artery wall. On the other hand, focusing on mechanisms that regulate passage of HDL through any interstitium, including those that enhance passage of nascent HDL into tissues and support its ability to later enter lymph loaded with large amounts of cholesterol, would likely benefit our understanding of cholesterol uptake by HDL in all tissues, including the artery wall.

Easton et al. infused reconstituted HDL and observed clearance of apoA1 from the plasma in a biphasic manner ( 75 ), with a secondary rise in apoA1 between 24 to 48 hours, consistent with two pools of HDL ( 75 , 76 ). The second pool is likely the interstitial pool of HDL, in which HDL has a mean residence time of approximately 29 hours ( 33 ). Thus, the second rise of apoA1 may mark the return of HDL to plasma after its transit through the interstitium, much of it likely in transit through the large organ of the skin. Nanjee et al. ( 31 ) observed a similar biphasic effect on plasma preβ-HDL concentration after intravenous infusion of reconstituted HDL, compatible with delayed appearance in plasma of preβ-HDLs generated from increased remodeling of plasma-derived α-HDLs in the interstitium. Detailed assessment of this biphasic clearance is warranted. If it serves as a readout of interstitial passage of HDL, an assay more accessible than lymph cannulation may emerge to allow estimates of HDL flux through the interstitium in large cohorts of people. These assessments in turn would make it possible to determine whether such information provides valuable predictors for coronary health.

The authors are grateful for insightful discussions with Mary Sorci-Thomas (Wake Forest University, Winston-Salem, North Carolina, USA) and Nick Davidson (Washington University School of Medicine, St. Louis, Missouri, USA) prior to the preparation of this article. The preparation of this article was supported in part by NIH grants HL096539 and AI049653 and a Breakthrough Award from the Kenneth Rainin Foundation to G.J. Randolph.

Conflicto de intereses: Norman E. Miller is a consultant to uniQure BV, Amsterdam, Netherlands.

Informacion de referencia: J Clin Invest. 2014124(3):929–935. doi:10.1172/JCI71610.


Distribution of Lymphatic Vessels

The lymphatic system comprises a network of conduits called lymphatic vessels that carry lymph unidirectionally towards the heart.

Objetivos de aprendizaje

Describe the structure of the lymphatic system and its role in the immune system and blood circulation

Conclusiones clave

Puntos clave

  • The lymph system is not a closed system. Lymph flows in one direction toward the heart.
  • Lymph nodes are most densely distributed toward the center of the body, particularly around the neck, intestines, and armpits.
  • Lymph vessels and nodes are not found within bone or nervous system tissue.
  • Afferent lymph vessels flow into lymph nodes, while efferent lymph vessels flow out of them.
  • Lymphatic capillaries are the sites of lymph fluid collection, and are distributed throughout most tissues of the body, particularly connective tissue.

Términos clave

  • linfa: A colorless, watery, bodily fluid carried by the lymphatic system, consisting mainly of white blood cells.
  • plasma: The straw-colored/pale-yellow liquid component of blood that normally holds the blood cells of whole blood in suspension.
  • Eferente: A type of vessel that flows out of a structure, such as lymph vessels that leave the spleen or lymph nodes and arterioles that leave the kidney.

The lymphatic system is a circulatory system for lymphatic fluid, comprising a network of conduits called lymphatic vessels that carry the fluid in one direction toward the heart. Its functions include providing sites for certain immune system functions and facilitating plasma circulation in the cardiovascular system. The lymphatic system is composed of many different types of lymph vessels over a wide distribution throughout the body.

Lymph Node Distribution

Sistema linfático: The lymph nodes and lymph vessels in human beings.

Lymphatic vessels are most densely distributed near lymph nodes: bundles of lymphoid tissue that filter the lymph fluid of pathogens and abnormal molecules. Adaptive immune responses usually develop within lymphatic vessels. Large lymphatic vessels can be broadly characterized into two categories based on lymph node distribution.

  • Afferent lymphatic vessels flow into a lymph node and carry unfiltered lymph fluid.
  • Efferent lymphatic vessels flow out of a lymph node and carry filtered lymph fluid. Lymph vessels that leave the thymus or spleen (which lack afferent vessels) also fall into this category.

Lymph nodes are most densely distributed around the pharynx and neck, chest, armpits, groin, and around the intestines. Afferent and efferent lymph vessels are also most concentrated in these areas so they can filter lymph fluid close to the end of the lymphatic system, where fluid is returned into the cardiovascular system. Conversely, lymph nodes are not found in the areas of the upper central nervous system, where tissue drains into cerebrospinal fluid instead of lymph, though there are some lymph vessels in the meninges. There are few lymph nodes at the ends of the limbs. The efferent lymph vessels in the left and lower side of the body drain into the left subclavian vein through the thoracic duct, while the efferent lymph vessels of the right side of the body drain into the right subclavian vein through the right lymphatic duct.

Flow Through Lymph Vessels

Los vasos linfáticos comienzan con la acumulación de líquido linfático del líquido intersticial. This fluid is mainly water from plasma that leaks into the intersitial space in the tissues due to pressure forces exerted by capillaries (hydrostatic pressure) or through osmotic forces from proteins (osmotic pressure). When the pressure for interstitial fluid in the interstitial space becomes large enough it leaks into lymph capillaries, which are the site for lymph fluid collection.

Like cardiovascular capillaries, lymph capillaries are well distributed throughout most of the body’s tissues, though they are mostly absent in bone or nervous system tissue. In comparison to cardiovascular capillaries, lymphatic capillaries are larger, distributed throughout connective tissues, and have a dead end that completely prevents backflow of lymph. That means the lymphatic system is an open system with linear flow, while the cardiovascular system is a closed system with true circular flow.

Lymph flows in one direction toward the heart. Lymph vessels become larger, with better developed smooth muscle and valves to keep lymph moving forward despite the low pressure and adventia to support the lymph vessels. As the lymph vessels become larger, their function changes from collecting fluid from the tissues to propelling fluid forward. Lymph nodes found closer to the heart filter lymph fluid before it is returned to venous circulation through one of the two lymph ducts.


The Truth about Storing and Using Body Fat

Before the prepackaged food industry, fitness centers, and weight-loss programs, our ancestors worked hard to even locate a meal. They made plans, not for losing those last ten pounds to fit into a bathing suit for vacation, but rather for finding food. Today, this is why we can go long periods without eating, whether we are sick with a vanished appetite, our physical activity level has increased, or there is simply no food available. Our bodies reserve fuel for a rainy day.

One way the body stores fat involves the body transforms carbohydrates into glycogen that is in turn stored in the muscles for energy. When the muscles reach their capacity for glycogen storage, the excess is returned to the liver, where it is converted into triacylglycerols and then stored as fat.

In a similar manner, much of the triacylglycerols the body receives from food is transported to fat storehouses within the body if not used for producing energy. The chylomicrons are responsible for shuttling the triacylglycerols to various locations such as the muscles, breasts, external layers under the skin, and internal fat layers of the abdomen, thighs, and buttocks where they are stored by the body in adipose tissue for future use. How is this accomplished? Recall that chylomicrons are large lipoproteins that contain a triacylglycerol and fatty-acid core. Capillary walls contain an enzyme called lipoprotein-lipase that dismantles the triacylglycerols in the lipoproteins into fatty acids and glycerol, thus enabling these to enter into the adipose cells. Once inside the adipose cells, the fatty acids and glycerol are reassembled into triacylglycerols and stored for later use. Muscle cells may also take up the fatty acids and use them for muscular work and generating energy. When a person&rsquos energy requirements exceed the amount of available fuel presented from a recent meal or extended physical activity has exhausted glycogen energy reserves, fat reserves are retrieved for energy utilization.

As the body calls for additional energy, the adipose tissue responds by dismantling its triacylglycerols and dispensing glycerol and fatty acids directly into the blood. Upon receipt of these substances the energy-hungry cells break them down further into tiny fragments. These fragments go through a series of chemical reactions that yield energy, carbon dioxide, and water.


LDL y HDL

As triglycerides are moved from the VLDLs in your blood into your tissues, the VLDLs are converted into low-density lipoproteins, or LDLs. The LDLs are the main cholesterol transporters in your blood, but they also contain some triglycerides. The LDLs are taken up by most of your tissues, and the triglycerides and cholesterol that they carry are used in your cells. Another type of lipoprotein called high-density lipoprotein, or HDL, can pick up some triglycerides from the other lipoproteins circulating in your blood, and the HDLs can deliver their triglycerides to your liver and other tissues for energy or storage.


How Does the Circulatory System Maintain Homeostasis?

The circulatory system maintains homeostasis by the controlled and continuous flow of blood that reaches each cell in the body. The mechanisms within the circulatory system ensure that every cell maintains a constant internal environment.

The circulation of blood is vital in maintaining homeostasis, which is the regulation of the internal conditions of the body, as described in scientist David Darling's Encyclopedia of Science. Blood carries food to cells and removes waste products.

The circulatory system comprises the heart, veins, capillaries and arteries. The system moves oxygenated blood in a continuous and controlled way from the lungs and heart so that blood reaches every cell. Blood travels through a network of vessels that include capillaries that permeate every tissue of the body. Once depleted of oxygen, the blood returns to the lungs and heart.

To maintain homeostasis, the circulatory system delivers oxygen and nutrients in the blood so that they can pass into fluids surrounding the cells. There are control mechanisms within the system to ensure that specific body areas receive a supply of blood according to their needs so that they can maintain their internal equilibrium. The circulatory system also facilitates the removal of waste products, carrying them away in plasma.


H + + HbO2 ←→ H + Hb + O2

Hemoglobin binding to oxygen is dependent on oxygen partial pressure, as depicted in the above graph. Where is oxygen partial pressure likely to be the highest?

Oxygen partial pressure is likely to be highest in the lung capillaries, as this is where oxygen will be "loaded" on to hemoglobin molecules for transportation to the tissues. Since binding affinity increases with oxygen partial pressure, one would also expect red blood cells in lung capillaries to bind the strongest to oxygen, which allows hemoglobin saturation in the lungs.

Example Question #1 : Pulmonary And Systemic Circuits

A man is diagnosed with increased pulmonary capillary resistance. As a result, which part of the heart would be expected to increase in muscle mass?

Right ventricle and left atrium

Increased pulmonary resistance means that it will be more difficult to pump blood into the lungs. The right ventricle, which performs this function, will compensate by increasing in muscle mass. The left atrium will not increase in muscle mass because it receives blood from the lungs and pumps blood into the left ventricle its muscle mass will likely be unaffected.

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Houston team one step closer to growing capillaries

Rice, Baylor College of Medicine make necessary step on road to 3-D bioprinting

HOUSTON — (July 10, 2017) — In their work toward 3-D printing transplantable tissues and organs, bioengineers and scientists from Rice University and Baylor College of Medicine have demonstrated a key step on the path to generate implantable tissues with functioning capillaries.

Researchers from Rice University and Baylor College of Medicine have shown they initiate a process called tubulogenesis that is crucial to the formation of blood-transporting capillaries. In microscopic images taken a different times during a weeklong experiment, researchers tracked the changes in cells (green) and cell nuclei (orange) using fluorescent markers. (Photo by Jeff Fitlow/Rice University)

In a paper published online in the journal Biomaterials Science, a team from the laboratories of Rice bioengineer Jordan Miller and Baylor College of Medicine biophysicist Mary Dickinson showed how to use a combination of human endothelial cells and mesenchymal stem cells to initiate a process called tubulogenesis that is crucial to the formation of blood-transporting capillaries.

The work is an important step with fragile endothelial cells (ECs) made from “induced pluripotent stem cells,” or iPSCs, a type of cell that can potentially be made from the cells of any human patient. Because iPSCs can be patient-specific, researchers hope to find ways of using them to generate tissues and replacement organs that can be transplanted without risk of rejection by a patient’s immune system. But the fragility of endothelial cells during laboratory growth has limited the utilization of this critical cell type, which is found in all vasculature.

“Our work has important therapeutic implications because we demonstrate utilization of human cells and the ability to live-monitor their tubulogenesis potential as they form primitive vessel networks,” said study lead author Gisele Calderon, a graduate student in Miller’s Physiologic Systems Engineering and Advanced Materials Laboratory.

“We’ve confirmed that these cells have the capacity to form capillary-like structures, both in a natural material called fibrin and in a semisynthetic material called gelatin methacrylate, or GelMA,” Calderon said. “The GelMA finding is particularly interesting because it is something we can readily 3-D print for future tissue-engineering applications.”

Gisele Calderon (left) and Patricia Thai. (Photo by Jeff Fitlow/Rice University)

Tissue engineering, also known as regenerative medicine, is a field aimed at integrating advances in stem cell biology and materials science to grow transplantable replacement tissues and organs. While tissue engineers have found dozens of ways to coax stems cells into forming specific kinds of cells and tissues, they still cannot grow tissues with vasculature — capillaries and the larger blood vessels that can supply the tissues with life-giving blood. Without vascularization, tissues more than a few millimeters in thickness will die due to lack of nutrients, so finding a way to grow tissues with blood vessels is one of the most sought-after advances in the field.

Miller, who earned his Ph.D. at Rice in 2008, has studied vascularization in tissue engineering for more than 14 years. During his postdoctoral studies at the University of Pennsylvania, he also became heavily involved in the open-source 3-D printing movement, and his work at Rice combines both.

“Ultimately, we’d like to 3-D print with living cells, a process known as 3-D bioprinting, to create fully vascularized tissues for therapeutic applications,” said Miller, assistant professor of bioengineering. “To get there, we have to better understand the mechanical and physiological aspects of new blood-vessel formation and the ways that bioprinting impacts those processes. We are using 3-D bioprinting to build tissues with large vessels that we can connect to pumps, and are integrating that strategy with these iPS-ECs to help us form the smallest capillaries to better nourish the new tissue.”

Each of the trillions of living cells in the human body are constantly supplied with oxygen and nutrients by tiny blood vessels known as capillaries. Measuring just a few thousandths of a millimeter in diameter, some capillaries are so narrow that individual blood cells must squeeze through them in single-file. Capillaries are made entirely from networks of endothelial cells, the type of cell that lines the inner surface of every blood vessel in the human body.

In the process of tubulogenesis — the first step to making capillaries — endothelial cells undergo a series of changes. First, they form small, empty chambers called vacuoles, and then they connect with neighboring cells, linking the vacuoles together to form endothelial-lined tubes that can eventually become capillaries.

“We expect our findings will benefit biological studies of vasculogenesis and will have applications in tissue engineering to prevascularize tissue constructs that are fabricated with advanced photo-patterning and three-dimensional printing,” said Dickinson, the Kyle and Josephine Morrow Chair in Molecular Physiology and Biophysics at Baylor College of Medicine and adjunct professor of bioengineering at Rice.

In the study, Calderon, Rice undergraduate Patricia Thai and colleagues investigated whether commercially available endothelial cells grown from iPSCs had tubulogenic potential. The test examined this potential in two types of semisolid gels — fibrin and GelMA. Finally, the researchers also investigated whether a second type of stem cell, human mesenchymal stem cells, could improve the likelihood of tubulogenesis.

Calderon said fibrin was chosen for the experiment because it’s a natural material that’s known to induce tubulogenesis for wound healing. As such, the researchers expected endothelial cells would be induced to form tubules in fibrin.

Calderon said the first step in the experiments was to develop a third-generation lentivirus reporter to genetically modify the cells to produce two types of fluorescent protein, one located only in the nucleus and another throughout the cell. This permanent genetic modification allowed the team to noninvasively observe the cell morphology and also identify the action of each individual cell for later quantitative measurements. Next, the cells were mixed with fibrin and incubated for a week. Several times per day, Calderon and Thai used microscopes to photograph the growing samples. Thanks to the two fluorescent markers, time-lapse images revealed how the cells were progressing on their tubulogenic odyssey.

Calderon conducted advanced confocal microscopy at the Optical Imaging and Vital Microscopy Core facility at Baylor College of Medicine. Calderon and Thai then used an open-source software called FARSIGHT to quantitatively analyze the 3-D growth patterns and development character of the tubulogenenic networks in each sample. In fibrin, the team found robust tubule formation, as expected. They also found that endothelial cells had a more difficult time forming viable tubules in GelMA, a mix of denatured collagen that was chemically modified with methacrylates to allow rapid photopolymerization.

Over several months and dozens of experiments the team developed a workflow to produce robust tubulogenesis in GelMA, Calderon said. This involved adding mesenchymal stem cells, another type of adult human stem cell that had previously been shown to stabilize the formation of tubules.

Miller said that while clinical applications of 3-D bioprinting are expected to advance rapidly over the next few decades, even small tissue samples with working capillary networks could find use much more quickly for laboratory applications like drug testing.

“You could foresee using these three-dimensional, printed tissues to provide a more accurate representation of how our bodies will respond to a drug,” Miller said. “Preclinical human testing of new drugs today is done with flat two-dimensional human tissue cultures. But it is well-known that cells often behave differently in three-dimensional tissues than they do in two-dimensional cultures. There’s hope that testing drugs in more realistic three-dimensional cultures will lower overall drug development costs. And the potential to build tissue constructs made from a particular patient represents the ultimate test bed for personalized medicine. We could screen dozens of potential drug cocktails on this type of generated tissue sample to identify candidates that will work best for that patient.”

Additional co-authors include Bagrat Grigoryan of Rice, Chih-Wei Hsu of Baylor College of Medicine and Sydney Gibson of both Rice and Baylor College of Medicine. The research was supported by the Gulf Coast Consortia’s John S. Dunn Collaborative Research Fund, the Cancer Prevention and Research Institute of Texas and the National Institutes of Health. Calderon, Grigoryan and Gibson were also supported by national graduate research fellowships from the National Science Foundation.


Exercise and Capillary Function

Increased capillary density allows for greater oxygen transport to your muscles, improving their ability to perform intense exercise. In addition to improving muscle function by increasing capillary density, exercise improves capillary function regardless of capillary density. Researchers at the Peninsula Medical School in Exeter, U.K., found support for this in a 2009 study. In addition to reporting that capillary function improves with exercise, they explored the decline in capillary function with age, finding that exercise helps prevent this decline.


Houston team one step closer to growing capillaries

IMAGEN: Researchers from Rice University and Baylor College of Medicine have shown they can initiate a process called tubulogenesis that is crucial to the formation of blood-transporting capillaries. In microscopic images. ver más

In their work toward 3-D printing transplantable tissues and organs, bioengineers and scientists from Rice University and Baylor College of Medicine have demonstrated a key step on the path to generate implantable tissues with functioning capillaries.

In a paper published online in the journal Biomaterials Science, a team from the laboratories of Rice bioengineer Jordan Miller and Baylor College of Medicine biophysicist Mary Dickinson showed how to use a combination of human endothelial cells and mesenchymal stem cells to initiate a process called tubulogenesis that is crucial to the formation of blood-transporting capillaries.

The work is an important step with fragile endothelial cells (ECs) made from "induced pluripotent stem cells," or iPSCs, a type of cell that can potentially be made from the cells of any human patient. Because iPSCs can be patient-specific, researchers hope to find ways of using them to generate tissues and replacement organs that can be transplanted without risk of rejection by a patient's immune system. But the fragility of endothelial cells during laboratory growth has limited the utilization of this critical cell type, which is found in all vasculature.

"Our work has important therapeutic implications because we demonstrate utilization of human cells and the ability to live-monitor their tubulogenesis potential as they form primitive vessel networks," said study lead author Gisele Calderon, a graduate student in Miller's Physiologic Systems Engineering and Advanced Materials Laboratory.

"We've confirmed that these cells have the capacity to form capillary-like structures, both in a natural material called fibrin and in a semisynthetic material called gelatin methacrylate, or GelMA," Calderon said. "The GelMA finding is particularly interesting because it is something we can readily 3-D print for future tissue-engineering applications."

Tissue engineering, also known as regenerative medicine, is a field aimed at integrating advances in stem cell biology and materials science to grow transplantable replacement tissues and organs. While tissue engineers have found dozens of ways to coax stems cells into forming specific kinds of cells and tissues, they still cannot grow tissues with vasculature -- capillaries and the larger blood vessels that can supply the tissues with life-giving blood. Without vascularization, tissues more than a few millimeters in thickness will die due to lack of nutrients, so finding a way to grow tissues with blood vessels is one of the most sought-after advances in the field.

Miller, who earned his Ph.D. at Rice in 2008, has studied vascularization in tissue engineering for more than 14 years. During his postdoctoral studies at the University of Pennsylvania, he also became heavily involved in the open-source 3-D printing movement, and his work at Rice combines both.

"Ultimately, we'd like to 3-D print with living cells, a process known as 3-D bioprinting, to create fully vascularized tissues for therapeutic applications," said Miller, assistant professor of bioengineering. "To get there, we have to better understand the mechanical and physiological aspects of new blood-vessel formation and the ways that bioprinting impacts those processes. We are using 3-D bioprinting to build tissues with large vessels that we can connect to pumps, and are integrating that strategy with these iPS-ECs to help us form the smallest capillaries to better nourish the new tissue."

Each of the trillions of living cells in the human body are constantly supplied with oxygen and nutrients by tiny blood vessels known as capillaries. Measuring just a few thousandths of a millimeter in diameter, some capillaries are so narrow that individual blood cells must squeeze through them in single-file. Capillaries are made entirely from networks of endothelial cells, the type of cell that lines the inner surface of every blood vessel in the human body.

In the process of tubulogenesis -- the first step to making capillaries -- endothelial cells undergo a series of changes. First, they form small, empty chambers called vacuoles, and then they connect with neighboring cells, linking the vacuoles together to form endothelial-lined tubes that can eventually become capillaries.

"We expect our findings will benefit biological studies of vasculogenesis and will have applications in tissue engineering to prevascularize tissue constructs that are fabricated with advanced photo-patterning and three-dimensional printing," said Dickinson, the Kyle and Josephine Morrow Chair in Molecular Physiology and Biophysics at Baylor College of Medicine and adjunct professor of bioengineering at Rice.

In the study, Calderon, Rice undergraduate Patricia Thai and colleagues investigated whether commercially available endothelial cells grown from iPSCs had tubulogenic potential. The test examined this potential in two types of semisolid gels -- fibrin and GelMA. Finally, the researchers also investigated whether a second type of stem cell, human mesenchymal stem cells, could improve the likelihood of tubulogenesis.

Calderon said fibrin was chosen for the experiment because it's a natural material that's known to induce tubulogenesis for wound healing. As such, the researchers expected endothelial cells would be induced to form tubules in fibrin.

Calderon said the first step in the experiments was to develop a third-generation lentivirus reporter to genetically modify the cells to produce two types of fluorescent protein, one located only in the nucleus and another throughout the cell. This permanent genetic modification allowed the team to noninvasively observe the cell morphology and also identify the action of each individual cell for later quantitative measurements. Next, the cells were mixed with fibrin and incubated for a week. Several times per day, Calderon and Thai used microscopes to photograph the growing samples. Thanks to the two fluorescent markers, time-lapse images revealed how the cells were progressing on their tubulogenic odyssey.

Calderon conducted advanced confocal microscopy at the Optical Imaging and Vital Microscopy Core facility at Baylor College of Medicine. Calderon and Thai then used an open-source software called FARSIGHT to quantitatively analyze the 3-D growth patterns and development character of the tubulogenenic networks in each sample. In fibrin, the team found robust tubule formation, as expected. They also found that endothelial cells had a more difficult time forming viable tubules in GelMA, a mix of denatured collagen that was chemically modified with methacrylates to allow rapid photopolymerization.

Over several months and dozens of experiments the team developed a workflow to produce robust tubulogenesis in GelMA, Calderon said. This involved adding mesenchymal stem cells, another type of adult human stem cell that had previously been shown to stabilize the formation of tubules.

Miller said that while clinical applications of 3-D bioprinting are expected to advance rapidly over the next few decades, even small tissue samples with working capillary networks could find use much more quickly for laboratory applications like drug testing.

"You could foresee using these three-dimensional, printed tissues to provide a more accurate representation of how our bodies will respond to a drug," Miller said. "Preclinical human testing of new drugs today is done with flat two-dimensional human tissue cultures. But it is well-known that cells often behave differently in three-dimensional tissues than they do in two-dimensional cultures. There's hope that testing drugs in more realistic three-dimensional cultures will lower overall drug development costs. And the potential to build tissue constructs made from a particular patient represents the ultimate test bed for personalized medicine. We could screen dozens of potential drug cocktails on this type of generated tissue sample to identify candidates that will work best for that patient."

Additional co-authors include Bagrat Grigoryan of Rice, Chih-Wei Hsu of Baylor College of Medicine and Sydney Gibson of both Rice and Baylor College of Medicine. The research was supported by the Gulf Coast Consortia's John S. Dunn Collaborative Research Fund, the Cancer Prevention and Research Institute of Texas and the National Institutes of Health. Calderon, Grigoryan and Gibson were also supported by national graduate research fellowships from the National Science Foundation.

The DOI of the Biomaterials Science paper is: 10.1039/C7BM00223H

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This release can be found online at news.rice.edu.

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Located on a 300-acre forested campus in Houston, Rice University is consistently ranked among the nation's top 20 universities by U.S. News & World Report. Rice has highly respected schools of Architecture, Business, Continuing Studies, Engineering, Humanities, Music, Natural Sciences and Social Sciences and is home to the Baker Institute for Public Policy. With 3,879 undergraduates and 2,861 graduate students, Rice's undergraduate student-to-faculty ratio is 6-to-1. Its residential college system builds close-knit communities and lifelong friendships, just one reason why Rice is ranked No. 1 for happiest students and for lots of race/class interaction by the Princeton Review. Rice is also rated as a best value among private universities by Kiplinger's Personal Finance. To read "What they're saying about Rice," go to http://tinyurl. com/ RiceUniversityoverview.

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Comentarios:

  1. Marschall

    Otra opción también es posible

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