Role of the BMP9/ALK1 pathway in the regulation of pathological and VEGF-mediated angiogenesis

L’angiogenèse est définie comme la formation de nouveaux capillaires à partir des vaisseaux sanguins pré-existants. Elle contribue à l’extension du réseau vasculaire et assure ainsi l’efficacité des échanges gazeux et du transport des cellules, nutriments, métabolites et molécules de signalisation vers les tissus. L’angiogenèse par bourgeonnement passe par la spécification d’une cellule endothéliale en cellule meneuse et la formation d’un réseau de cellules suiveuses à la base du bourgeon vasculaire. Toute perturbation de ce mode de néovascularisation génère des vaisseaux fortement tortueux, immatures et non-étanches qui soit affectent les fonctions physiologiques des organes en causant ainsi des pathologies potentiellement fatales, ou accélèrent la progression des conditions telles que le cancer. Dans l’oeil, l’angiogenèse pathologique des vaisseaux choroïdiens et rétiniens cause une perte de la vue. Particulièrement, la dégénérescence maculaire liée à l’âge (DMLA) de type néovasculaire, une maladie oculaire caractérisée par le bourgeonnement anormal de la choroïde dans l’espace sous-rétinien, représente la cause majeure de cécité au sein des populations des pays industrialisés. Les thérapies conventionnelles contre la DMLA humide reposent sur l’usage des médicaments qui ciblent la signalisation du facteur de croissance de l’endothélium vasculaire (VEGF). Bien que démontrant des résultats cliniques, ces traitements anti-VEGFs sont invasifs et présentent multiples effets secondaires. Par ailleurs, ils n’induisent aucun effet chez une portion des patients traités. De ces faits, il existe présentement un grand besoin de thérapies alternatives aux anti-VEGFs. De façon intéressante, la protéine de morphogénèse osseuse 9 (BMP9), qui active son récepteur “activin receptor-like kinase 1” (ALK1), régule l’angiogenèse développementale des vaisseaux rétiniens de l’oeil de la souris. Par ailleurs, les mutations au sein du BMP9, de son récepteur ALK1 ou de ses intermédiaires de signalisation sont associées à la morphogénèse anormale des vaisseaux qui contribue ultimement à la pathogénèse de diverses maladies néovasculaires. De façon additionnelle, le récepteur ALK1 au BMP9 est restreint à la cellule endothéliale; contrairement à ceux des ligands angiogéniques tels que le VEGF, exprimés par une diversité de cellules. Par ailleurs, au sein de cette cellule, le BMP9 contribue à la régulation des phénotypes meneur et suiveur qui sont induits par le VEGF et requis pour le déroulement de l’angiogenèse par bourgeonnement. De ces faits qui précèdent, nous avons émis l’hypothèse du rôle du BMP9 dans la régulation de la néovascularisation pathologique relative à la DMLA humide. Ainsi, les travaux de la présente thèse déterminent spécifiquement l’effet du BMP9 sur l’angiogenèse pathologique à l’aide des modèles oculaires pertinents à la DMLA humide et examine aussi sa base mécanistique. Les travaux de cette thèse démontrent l’effet anti-angiogénique du BMP9 sous les conditions expérimentales de néovascularisation choroïdienne induite au laser (CNV) et de rétinopathie induite par l’oxygène (OIR). Ils montrent aussi les effets régulateurs de la signalisation du BMP9 sur les voies de signalisation endothéliales du VEGF et de Notch, respectivement de façon dépendante de VEGFR1 et de JAG1. En somme, les présentes études démontrent les effets anti-angiogéniques du BMP9 sur la néovascularisation pathologique relative à la DMLA humide et identifient les facteurs moléculaires qui contribuent à son action inhibitrice du bourgeonnement vasculaire induit par le VEGF. Angiogenesis is defined as the formation of new capillaries from existing blood vessels. It extends the vasculature and thereby sustains the efficient exchange of gases and transport of cells, nutrients, metabolites and signalling molecules to tissues. Sprouting angiogenesis proceeds through the selective specification of an endothelial cell into a leading tip cell and the formation of stalk cells at the base of the sprout. A disturbance in this modality of neovascularisation leads to highly tortuous, immature and leaky vessels that either impair the physiological functions of organs, thereby causing life-threatening diseases, or accelerate the progression of conditions such as cancer. In the eye, the pathological angiogenesis of choroidal and retinal vessels specifically results in vision loss. Particularly, the neovascular form of the age-related macular degeneration (AMD), an ocular disease characterized by the abnormal sprouting of the choroidal network into the subretinal space, represents the leading cause of blindness in populations of industrialized countries. Conventional therapies against wet AMD are based on drugs that target the signaling of the vascular endothelium growth factor (VEGF). Despite their clinical achievements, the anti-VEGFs treatments are invasive and show multiple adverse effects. Moreover, they are not effective in a portion of treated patients. Thus, there currently is a substantial need of therapy alternatives to anti-VEGFs. Interestingly, the bone morphogenetic protein 9 (BMP9), that activates its activin receptor-like kinase 1 (ALK1) transducer, regulates the developmental angiogenesis of the mouse eye retina vasculature. Moreover, mutations in BMP9, its receptor ALK1 or its signaling mediators correlate with the abnormal vessel morphogenesis that ultimately drives the pathogenesis of various neovascular diseases. Additionally, the BMP9-specific receptor ALK1 is restricted to endothelial cells; in contrast to those of neovascularisation-inducing ligands such as VEGF, expressed by a range of cells. Particularly within these cells, BMP9 contributes to regulate the VEGF-induced tip/stalk phenotypes required for sprouting angiogenesis. Given the aforementioned, we hypothesized the role of BMP9 in regulating the pathological angiogenesis associated with wet AMD. Thus, the studies from the current thesis specifically determine the effect of BMP9 on pathological NV using ocular models relevant to AMD and further investigate its mechanical basis. The current work demonstrates the antiangiogenic effects of BMP9 under experimentally induced oxygen-induced retinopathy (OIR) and laser-induced choroid neovascularisation (CNV) conditions. Moreover, this thesis shows the regulatory effects of BMP9 signaling on the VEGF and Notch endothelial pathways, respectively in VEGFR1 and JAG1 -dependent manners. Collectively, the current studies demonstrate the anti-angiogenic effects of BMP9 on pathological NV associated with wet AMD and identify the molecular players that mediate its inhibitory action on VEGF-mediated sprouting.

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