Biología del VEGF

El factor de crecimiento derivado del endotelio vascular (VEGF), una proteína de 45 kDa unida a heparina,  importante en la vasculogénesis (formación de vasos sanguíneos a partir de la generación de novo de células endoteliales) y la angiogénesis (proceso de formación de nuevos vasos sanguíneos), fue identificado, aislado y clonado en 1989. Las células endoteliales son los principales blancos del VEGF, pero este factor tiene múltiples efectos sobre otros tipos de células. Aunque hay varios genes relacionados, incluyendo VEGF-B, VEGF-C y factor de crecimiento placentario (PIGF), la mayor atención ha sido dedicada al VEGF-A debido a su rol clave en la regulación de la angiogénesis durante la homeostasis y la enfermedad. El VEGF-A es esencial para la homeostasis vascular en diversas células y tejidos, pero también es importante en la patogénesis molecular del crecimiento tumoral, las metástasis y en la retinopatía asociada a varias enfermedades oculares como la degeneración macular asociada con la edad y la retinopatía diabética (RD) e hipertensiva. Los efectos patológicos mediados por el VEGF se deben primariamente a sus efectos sobre la permeabilidad vascular y la neoangiogénesis (neovascularización).

   El VEGF-A (o simplemente VEGF),  es miembro de una familia de proteínas que incluye VEGF-B, VEGF-C, VEGF-D, VEGF-E y PIGF. El VEGF-C y el VEGF-D están implicados en la regulación de la linfangiogénesis. El VEGF por “splicing” alternativo genera múltiples isoformas, incluyendo VEGF₁₂₁, VEGF₁₆₅, VEGF₁₈₉, VEGF₂₀₆. El VEGF₁₆₅ es la isoforma más frecuentemente expresada en los tejidos y también la isoforma fisiológicamente más relevante, con características entre la isoforma VEGF₁₂₁, altamente difusible, y la isoforma VEGF₁₈₉, unida a la matriz extracelular (MEC).  Una característica clave que distingue a estas isoformas es su capacidad diferencial para unirse a la heparina. El VEGF₁₂₁ tiene muy poca afinidad por la heparina mientras el VEGF₁₈₉ y el VEGF₂₀₆ tienen dos dominios de unión con heparina. El VEGF₁₆₅ tiene un dominio de unión con heparina y en parte es difusible y en parte unida a la MEC. El procesamiento del VEGF en su extremo COOH por proteasas como plasmina y MMP3 puede convertir péptidos unidos a la MEC en especies moleculares difusibles no unidas a heparina. Varias isoformas inhibidoras de VEGF han sido descritas recientemente, incluyendo VEGF_165b y VEGF-Ax, pero hay controversia con relación al mecanismo de inhibición y el VEGF-Ax tiene características pro-angiogénesis y pro-permeabilidad.

   El receptor VEGF1 (R1) es un receptor tirosina quinasa de alta afinidad, pero  el VEGFR2, de baja afinidad, es el principal receptor para el VEGF. El VEGFR1 y el VEGFR2 son expresados predominantemente en células endoteliales. El VEGF-A se une a VEGFR1 y VEGFR2, VEGF-B y PIGF se unen al VEGFR1, VEGF-C y VEGF-D se une  a VEGFR3 (implicado en la linfangiogénesis), pero pueden unirse al VEGFR2 después de clivaje proteolítico. VEGF-A o PIGF unidos a heparina pueden unirse a la neuropilina1 (NRP1), lo cual incrementa su afinidad de unión al VEGFR2, pero estas moléculas también pueden unirse a NRP1independiemente de la activación del VEGFR2. Por otra parte, la NRP2 tiene un rol similar en la regulación de la linfangiogénesis a través de su interacción con el VEGFR3. La activación del VEGFR2 promueve la mitogénesis y la permeabilidad en las células endoteliales vasculares. Dos residuos tirosina en el VEGFR2 regulan diferencialmente la angiogénesis versus permeabilidad vascular. El VEGFR1 muestra una débil autofosforilación de tirosina dependiente de ligando y, en algunos casos, funciona como receptor señuelo que se une a PIGF y previene la unión de VEGF al VEGFR2. Varios estudios revelan que el VEGFR1 puede jugar un rol en la liberación de factores de crecimiento tejido-específicos como el factor de crecimiento hepático (HGF) por las células endoteliales de los sinusoides hepáticos, un efecto que resulta en protección de los hepatocitos del daño inducido por hepatotoxinas. La activación del VEGFR1 en monocitos y macrófagos media la migración en respuesta a VEGF o PIGF. Adicionalmente, la expresión de VEGFR1 en células tumorales media la proliferación en respuesta a VEGF o PIGF.

   La hipoxia es un regulador de la expresión de VEGF vía factor inducible por hipoxia (HIF). El HIF y otros genes regulados por hipoxia/isquemia, incluyendo al factor de crecimiento epidermal (EGF), el factor de crecimiento derivado de plaquetas (PDGF) y las mutaciones oncogénicas (genes de las rutas de señalización vhl, ras,  wnt-kras) regulan la expresión de VEGF y, a su vez, la señal manejada por VEGF. La señal VEGF canónica a través de VEGFR1/R2 regula las actividades de varias quinasas y guía a nivel celular la proliferación, migración y supervivencia, y la permeabilidad vascular durante la vasculogénesis y la angiogénesis. Las células endoteliales, compuestas por células del tallo y la punta, dirigen la proliferación celular. El gradiente VEGF induce células de la punta y promueve la formación de filopodia. La regulación molecular de estos eventos es a través de la activación de la señal “notch”,  incrementando la expresión del ligando notch en las células endoteliales, incluyendo DLL4. El incremento de la señal notch en las células vecinas reduce la expresión de VEGFR2, completando un asa de retroalimentación negativa. Esta señal VEGF canónica es crítica en la homeostasis fisiológica pero puede ser hiperactiva en la angiogénesis patológica. El VEGFR2 es altamente expresado en neuronas retinianas pero en niveles mucho más bajos que en las células endoteliales. La supresión de VEGFR2 en las neuronas causa angiogénesis anormal debido al aumento de los niveles de VEGF  en la vecindad de las neuronas.

   El VEGF secretado por las células tumorales y células del estroma adyacente al tumor estimula la proliferación y supervivencia de las células endoteliales, provocando la formación de nuevos vasos sanguíneos, a menudo con un incremento en la permeabilidad. El VEGF es sobre expresado en la mayoría de tumores humanos y se correlaciona con invasividad,   densidad vascular, metástasis, recurrencia y pronóstico. En los últimos años, el rol biológico del VEGF  se ha extendido más allá de su impacto sobre la neovascularización y la angiogénesis. Numerosos estudios sugieren que el VEGF es un mediador de la reparación de heridas. El VEGF generalmente está relacionado con la expresión de genes asociados con la reparación de heridas y esto ha sido atribuido a un impacto sobre una multitud de tipos de células. La reparación fisiológica de heridas generalmente sigue la secuencia daño tisular, inflamación y una respuesta inmune. Sin embargo, para una reparación tisular efectiva, la inflamación y la respuesta inmune necesariamente deben ser reguladas a la baja. Esto es consistente con el rol  del VEGF en la regulación a la baja de la inmunidad. A pesar de estas consideraciones, los efectos sobre la reparación de heridas pueden ser mediados, directamente o indirectamente, por la vasculatura pues la cicatrización y reparación de heridas han sido clásicamente asociadas con la angiogénesis.

   El VEGF puede tener un efecto directo sobre múltiples células involucradas en la inmunidad, incluyendo células dendríticas, células T, células T reguladoras y células supresoras derivadas de mieloide. Las observaciones iniciales sugieren que la presencia de VEGF podría dirigir la maduración de progenitores mieloides hacia la diferenciación en células dendríticas y hacia células endoteliales, impactando la activación de células T específicas de cáncer. El VEGF también puede impactar la expresión de moléculas inmunológicamente importantes en las células endoteliales, a través de la disminución de la expresión de la molécula de adhesión de células vasculares-1 (VCAM-1), importante para la adhesión de células T anti-cáncer e infiltración de tumores, y el aumento de FASL que provoca la apoptosis de células T anti-cáncer en el borde vascular del tumor. La inhibición de VEGF incrementa el número de linfocitos que infiltran el tumor en humanos y  modelos animales. Adicionalmente, altos niveles de VEGF en el microambiente del tumor pueden estimular la proliferación de células supresoras derivadas de mieloide y células T reguladoras, las cuales expresan VEGFR. La combinación de inhibidores del VEGF con agentes citotóxicos es sinérgica. Los estudios preclínicos recientes demuestran que la terapia anti-VEGF puede mejorar el tratamiento anti-PD-L1 (ligando de muerte programada-1), específicamente cuando genera grandes vénulas endoteliales (HVE) intratumorales que facilitan la infiltración de linfocitos T citotóxicos y la destrucción del tumor. Los estudios clínicos recientes apoyan el rol del VEGF en la inmunidad anti-cáncer. La inmunoterapia con inhibidores de PD-L1/PD-1 ha demostrado beneficios clínicos en un amplio rango de tipos de cáncer. El mecanismo de la interacción anti-VEGF/anti-PD-L1 es multifactorial, pero se especula que los efectos anti-vasculares de los agentes citotóxicos complementan los efectos pro-apoptosis de los agentes anti-VEGF sobre el endotelio vascular. La normalización de la vasculatura por los agentes anti-VEGF que  permite aumentar la captación de los agentes quimioterapéuticos también puede jugar un rol. Por otra parte, la inhibición del VEGF, especialmente en combinación con agentes citotóxicos, pueden resultar en liberación de antígenos tumorales, facilitando la inmunoterapia.

   La retina es un complejo tejido neurovascular formado por al menos dos tipos de células gliales, siete tipos de neuronas y una rica red de células endoteliales en capilares en varios niveles de la retina. La manera como las células endoteliales que forman los capilares en las capas plexiformes en la retina reciben los factores apropiados fue mejor entendida una vez que se demostró que los niveles de oxígeno en la retina regulan la formación de los vasos retinianos durante el desarrollo. La hiperoxia retinal provoca obliteración de los vasos retinianos, mientras la hipoxia promueve crecimiento y proliferación vascular. El descubrimiento del VEGF y la demostración de su producción   temporal y espacialmente localizada en áreas de desarrollo vascular, proporcionó fuerte evidencia  que el VEGF maneja la angiogénesis durante el desarrollo y la regulación en isquemia/hipoxia de la vasculatura retiniana. En condiciones de hipoxia metabólica, neuronas como las células ganglionares de la retina liberan factores de crecimiento como el factor de crecimiento de fibroblastos básico (bFGF) y el PDGF, los cuales a su vez regulan la secreción de VEGF por las microglias y las células de Müller para estimular el crecimiento de los vasos sanguíneos,  satisfacer las demandas metabólicas y activar la homeostasis. En estudios usando modelos animales, cuando los animales son expuestos a altos niveles de oxígeno durante el desarrollo, la producción retiniana de VEGF cae dramáticamente. Esto provoca la obliteración de capilares de la vasculatura retiniana periférica en desarrollo. Al retornar a las condiciones normóxicas, hay una regulación al alza de la producción local de VEGF que promueve una masiva neoangiogénesis. Desafortunadamente estos nuevos vasos son anormales y eventualmente pueden causar fibrosis que a su vez puede causar daño en la retina y ceguera como ocurre en la retinopatía de la prematuridad (ROP), una condición de ceguera que afecta a los niños prematuros. El desarrollo vascular retiniano en estos niños es incompleto y sensible a los niveles de VEGF en el ojo.

   La ROP es una de las principales causas de ceguera en niños. El descubrimiento del VEGF ayudó a entender la patogénesis molecular de la ROP. El desarrollo vascular retiniano en humanos comienza en el cuarto mes de gestación y progresa del centro a la periferia de la retina. En los casos de nacimiento prematuro, el desarrollo vascular normal de la retina se detiene. La retina avascular que carece de oxigenación y nutrientes se vuelve metabólicamente activa e hipóxica alrededor de las 32-34 semanas de desarrollo. En humanos y modelos animales de ROP está demostrado que la isquemia retiniana maneja la producción de VEGF previa a la neovascularización y, por tanto, maneja la fase neovascular de la enfermedad.  Los estudios clínicos con niños con ROP demuestran que las inyecciones intraoculares de agentes que neutralizan al VEGF son eficaces para tratar la neovascularización y prevenir complicaciones asociadas con estados avanzados de la ROP. Estos estudios también demuestran que la inhibición de VEGF en la ROP reduce la incidencia de pérdida de la visión en estos niños. Después del desarrollo, el VEGF juega un rol cardinal en el mantenimiento de la homeostasis fisiológica y en enfermedades vasculares retinianas como la retinopatía diabética (RD). La RD es una enfermedad sistémica que manifiesta daño en el ojo con muerte celular en los elementos neuronales y vasculares de la retina. Las manifestaciones iniciales de la RD son vasculares con pérdida de pericitos seguida por la muerte por apoptosis de células capilares. La pérdida de los capilares retinianos provoca isquemia y neovascularización retiniana aberrante inducida por el VEGF. La disfunción y muerte celular pueden manifestarse tempranamente en la diabetes y los elementos no vasculares de la retina, incluyendo neuronas y glias, pueden ser afectados. En humanos con diabetes y modelos animales, el daño de las neuronas internas de la retina, incluyendo células ganglionares y células amacrinas, puede ser previo a cualquier manifestación vascular de la enfermedad. Adicionalmente, la activación de las células de Müller que mantienen la homeostasis del VEGF en la retina, también puede ocurrir tempranamente en la enfermedad y disparar la inflamación molecular, una característica tardía de la RD.

   Aunque está bien establecido que el VEGF juega un rol mayor en el inicio y mantenimiento de la angiogénesis patológica en el ojo, los estudios en humanos y animales han demostrado que otros factores también contribuyen a estos procesos. Los estudios clínicos han demostrado la eficacia y seguridad de la farmacoterapia anti-VEGF intraocular en la RD y las enfermedades vasculares retinianas. Estos estudios también reportan que la farmacoterapia puede requerir tratamiento crónico, potencialmente muchos años, y que una gran proporción de pacientes tratados con medicación anti-VEGF a menudo tienen una pobre respuesta y ocasionalmente no responden al tratamiento. Una pregunta importante es por qué algunas veces falla la terapia en canceres y enfermedades del ojo. La respuesta es compleja y varias posibilidades han sido examinadas. Es concebible que los mecanismos de respuesta reducida/resistencia a la farmacoterapia anti-VEGF sean mediados, al menos en parte, por la naturaleza dinámica del microambiente. Los estudios preclínicos señalan la liberación de factores de crecimiento hematopoyéticos por el tumor y la infiltración resultante por células mieloides y otros tipos de células.  Por otra parte, los estudios con humanos señalan la posibilidad de rutas adicionales independientes de VEGF para la regulación de la angiogénesis en las enfermedades del ojo. Por ejemplo las semaforinas 3A, 3F y 6A suprimen la revascularización normal en la retina isquémica, pero promueven la vascularización patológica. Otros factores que promueven la angiogénesis aberrante en la retina son el PIGF, el PDGF y la eritropoyetina, el factor derivado del estroma-1, factores asociados con la activación anormal de macrófagos derivados de monocitos y células gliales.

   En conclusión, la vasculogénesis y la angiogénesis son críticas durante el desarrollo y la homeostasis fisiológica, pero pueden ser patogénicas en canceres y varias enfermedades oftalmológicas. El VEGF, importante en la vasculogénesis y la angiogénesis, tiene múltiples efectos en varios tipos de células. Aunque el VEGF es esencial para la homeostasis vascular fisiológica en diversos tipos de células y tejidos, también es importante en la patogénesis molecular del crecimiento de tumores y varias enfermedades del ojo como la RD. Los efectos patogénicos mediados por el VEGF son debidos primariamente  a sus efectos sobre la permeabilidad vascular y la neovascularización.

Fuente: Apte RS et al (2019). VEGF in signaling and disease: beyond discovery and development. Cell 176: 1248-1264.