background image

Postępy Biochemii 59 (4) 2013 

415

Serafim Kiriakidis

1,2,*

Ewa M. Paleolog

1,2

1

Kennedy 

Institute 

of 

Rheumatolo-

gy,  Nuffield  Department  of  Orthopa-

edics, 

Rheumatology 

and 

Musculo-

skeletal  Sciences,  University  of  Oxford 

2

Department  of  Medicine,  Imperial  College 

London

*

Kennedy Institute of Rheumatology, Nuffield 

Department  of  Orthopaedics,  Rheumatology 

and  Musculoskeletal  Sciences,  University  of 

Oxford, Roosevelt Drive, Headington, Oxford, 

OX3  7FY,  UK;  e-mail:  serafim.kiriakidis@

kennedy.ox.ac.uk

Received: September 14, 2013

Accepted: September 14, 2013

Key words: endothelium, inflammation, arthri-

tis, cytokines, angiogenesis

Abbreviations: CRP — C-reactive protein; FIH-

1 — factor inhibiting HIF-1; HIF — hypoxia-in-

ducible  factor;  ICAM-1  —  intercellular  adhe-

sion molecule-1; IL — interleukin; PHD — pro-

lyl  hydroxylase  domain-containing  enzyme; 

RA  —  rheumatoid  arthritis;  TNFα  —tumour 

necrosis factor α; VCAM-1 — vascular cell ad-

hesion molecule-1; VEGF — vascular endothe-

lial growth factor

Vascular endothelium — role in chronic inflammatory disease

ABSTRACT

T

he vascular endothelial lining of blood vessels plays a key ‘target-effector’ role in vivo

integrating the body’s response to inflammatory cytokines, chemokines and growth fac-

tors (derived from both endothelial cells themselves and from other cells such as leukocytes 

and fibroblasts), to allow leukocyte activation, adhesion and extravasation from the flowing 

blood into underlying tissue. Endothelial proliferation, through the process of angiogene-

sis, results in an increased cell surface area for these events to occur, and further functions 

to deliver oxygen and nutrients, and to remove waste products. In addition to playing an 

important role in physiology, the endothelium is thus an active participant in inflammatory 

pathologies. One of the best understood diseases in which inflammation and angiogenesis 

play a part is rheumatoid arthritis (RA). Blockade of the inflammatory cascade in RA has 

significant consequences for the vasculature, highlighting the links between reducing endo-

thelial activation and therapeutic benefit in chronic inflammatory disorders.

INTRODUCTION

The  human  vascular  endothelial  lining  of  blood  vessels,  which  covers  the 

body’s  network  of  arteries,  veins,  capillaries  and  lymphatics,  was  in  the  past 

thought to be merely an inactive barrier between the circulation and underlying 

tissues. However, it is now clear that despite its relatively small total mass, en-

dothelium actively participates in physiology and pathology in vivo. Endothelial 

cells produce mediators regulating blood flow, and influence coagulation and 

fibrinolysis, usually presenting a non-thrombogenic surface to flowing blood. 

Furthermore,  the  endothelium  plays  a  role  in  the  process  of  cell  recruitment, 

through expression of cytokines and chemokines, thus affecting the activation 

status of leukocytes. Finally, endothelial cells play a central role in the process of 

angiogenesis, which is vital for efficient supply of oxygen and nutrients to tissue, 

and for removal of waste products.

Vascular endothelium thus fulfills a vital homeostatic function and acts as a 

rapid response facility in situations of inflammation, injury or infection. Indeed 

endothelium plays an important target-effector role in many diseases associated 

with inflammation. Such diseases include diabetes type 1, where microvascular 

and macrovascular complications combine with activation of the immune sys-

tem and inflammation. In chronic airway disease, inflammation leads to chan-

ges in the airways and obstruction of airflow, but other events include vascular 

remodelling and angiogenesis. Other disorders, such as systemic lupus erythe-

matous, atherosclerosis and inflammatory bowel diseases, also involve immune 

system activation and enhanced blood coagulation in association with pro-in-

flammatory cytokine expression.

Rheumatoid arthritis (RA) is a prototypical inflammatory disease, in which 

angiogenesis and changes in oxygen tension interact with inflammation to cul-

minate in the features of joint and cartilage destruction. Since the pathogenesis 

of RA is relatively well understood, RA can serve as a paradigm for understan-

ding the role of the vasculature in inflammation, particularly in the light of ob-

servations using therapies targeting aspects of the inflammatory process in RA, 

such as anti-tumour necrosis factor α (TNFα) biologicals. The involvement of 

the vasculature in RA pathogenesis will be discussed in detail in the following 

sections.

RHEUMATOID ARTHRITIS — A PROTOTYPICAL INFLAMMATORY 

DISEASE WITH VASCULAR INVOLVEMENT

RA  is  a  common  human  disease,  affecting  about  1%  of  the  population  in 

most parts of the world, and is characterized by inflammation of the synovial 

membrane which lines the joint spaces, leading to the localized invasion and 

background image

416

 

www.postepybiochemii.pl

destruction of underlying cartilage and bone. Every year in 

the  United  Kingdom  there  are  approximately  20 000  new 

cases of RA, which is more common in women than men 

by a factor of 3:1 [1]. The clinical presentation can vary in 

terms of severity and the age of onset, although the peak of 

RA onset occurs between the fifth and sixth decades of life. 

Patients display painful, stiff and swollen joints, and usual-

ly present with a symmetrical polyarthritis, predominantly 

involving the small joints of the hands and wrists, as well as 

the metatarsophalangeal joints, ankles and knees. RA is as-

sociated with a range of non-articular symptoms, including 

inflammatory nodules, vasculitis and pericarditis, together 

with involvement of the lungs and nervous system, depres-

sion and anaemia. Furthermore, the standardized mortality 

ratio for patients with RA is more than 1.5–2.5-fold higher 

than  for  the  general  population.  The  major  cause  of  mor-

tality (more than 40% of deaths) is cardiovascular disease, 

including ischemic heart disease and heart failure [2]. A to-

tal of 10 million working days were lost in 2006–2007 in the 

UK due to musculoskeletal conditions such as RA, second 

only to stress, depression and anxiety, representing a signi-

ficant economic impact due to lost production. RA patients 

of working age are significantly more likely to stop work on 

health grounds than matched controls. RA thus imposes a 

significant social and economic burden, due to loss of ear-

nings and medical expenses, apart from adversely affecting 

quality of life.

In  spite  of  many  years  of  intensive  investigation,  the 

cause of RA remains unknown, although current thinking 

favours  the  concept  of  a  multi-factorial  disease,  in  which 

contributory genetic factors, including shared epitope alle-

les of the human leukocyte antigen and a polymorphism of 

protein tyrosine phosphatase N22 [3,4], combine with envi-

ronmental  factors  (such  as  smoking),  sex  hormones,  and 

perhaps an infectious agent or other immune-activating fac-

tor, to initiate an autoimmune response that culminates in a 

disease with inflammatory and destructive features [5]. As 

mentioned, the primary site of inflammation is the synovial 

lining of the closed spaces of articular joints. The normal sy-

novium is generally 1–3 cell layers thick and is composed 

of loosely associated macrophage- and fibroblast-like cells, 

as well as vascular endothelial cells. In RA, the synovium 

is altered to a thickened tissue several cell layers thick, and 

becomes infiltrated by blood-derived cells, including T cells, 

B cells and macrophages. Subsequently the synovium beco-

mes locally invasive at the synovial interface with cartila-

ge and bone. Progressive destruction of cartilage and bone 

eventually combine to produce deformities and functional 

deterioration and profound disability in the long term [6].

Of relevance to this review, the term “vascular rheumato-

logy” has been coined, to emphasise the importance of mi-

crovascular and macrovascular endothelium in RA and in 

other rheumatic disorders.

ROLE OF ENDOTHELIUM IN INFLAMMATORY DISEASE

RA, as an autoimmune disease, 

is 

characterized by the 

presence  of  circulating  auto-

antibodies,  including  some 

that bind with high affinity to human endothelial

 cells [7]. 

Integration  of  antigen-presentation,  amplification  of  lym-

phocytes and generation of mediators of humoral and cellu-

lar immunity needs to occur in the peripheral lymphoid or-

gans, primarily lymph nodes and spleen. T lymphocytes cir-

culate between non-lymphoid tissues and the lymph nodes, 

entering through the afferent lymphatic blood vessels and 

across the high endothelial venules, and exiting via efferent 

lymphatic vessels. This continuous lymphocyte trafficking 

across endothelium enables the antigen-sensitive cells to be 

exposed to their specific antigen, prompting clonal expan-

sion. Blood vessels thus allow recruitment of the activated 

lymphocytes to specific sites, which is promoted further by 

vasodilation. An increase in vessel density through angioge-

nesis further increases the endothelial surface area available 

for the ingress of cells and molecules to the site of inflam-

mation, amplifying and maintaining the immune response.

The involvement of endothelium in the pathogenesis of 

RA  can  also  be  inferred  from  observations  that  RA  is  as-

sociated  with  vascular  and  haematological  abnormalities 

(such as anaemia). The swollen joints which occur in RA pa-

tients suggest altered vascular permeability, with increased 

plasma extravasation and oedema formation. Interestingly, 

a recent study has documented the presence of immature 

blood vessels in RA synovium. Comparison of the staining 

patterns for CD31 and the pericyte marker α-smooth musc-

le cell actin revealed a significant fraction of CD31-positive 

but α-smooth muscle cell actin-negative cells in RA tissue 

when compared to osteoarthritis or control tissue [8]. This 

altered vascular signal in RA synovium was also detected 

using Doppler ultrasound [9,10]. Studies using mouse mo-

dels of RA have also shown vascularised synovium in arth-

ritic mice [11] (Fig. 1).

Therefore,  a

ctivation  of  an  effective  immune  response, 

enhanced  leukocyte  activation  and  extravasation,  expres-

sion  of  chemokines,  and  increased  angiogenesis,  possibly 

leading  to  formation  of  immature  and  highly  permeable 

Figure 1. Synovial vascularity in an in vivo model of arthritis. Arthritis was indu-

ced in mice using bovine collagen and arthritis development and severity were 

monitored daily [11]. Serial sections of paw tissue from healthy (A, C) and severe-

ly arthritic (B, D) mice were stained with either (A, B) haematoxylin and eosin or 

(C, D) with anti-CD31 antibody and counter-stained with haematoxylin. Images 

show the metatarsal joint of mouse paws. The healthy section demonstrates a nor-

mal joint architecture without signs of inflammation or bone destruction. In the 

arthritic joint, synovial hyperplasia, blood vessels (CD31-positive), inflammatory 

cell infiltration, and loss of cartilage and bone are evident. Abbreviations: — 

bone; — cartilage; — synovium; JS — joint space.

background image

Postępy Biochemii 59 (4) 2013 

417

blood vessels, all point to the underlying role of inflamma-

tion-mediated vascular endothelial activation in RA, which 

will be discussed in more detail in subsequent sections.

LEUKOCYTE-ENDOTHELIAL INTERACTIONS IN RA

The  cellular  infiltration  which  is  a  characteristic  of  RA 

synovium suggests that activation of endothelium, together 

with expression of leukocyte adhesion molecules, as well as 

of cytokines and chemokines, is likely to be involved in RA 

pathogenesis. Adhesion of leukocytes to vascular endothe-

lium in vivo must overcome the normal vascular mobility 

of  circulating  cells  and  result  in  a  localized  arrest  of  leu-

kocytes at relevant sites. Endothelial cells resembling high 

endothelial  venules,  which  control  lymphocyte  migration 

into organized lymphoid tissues, have been observed in RA 

synovium.  These 

s

ynovial  microvascular  endothelial  cells 

acquire  a  cuboidal  morphology,  and  become  fenestrated 

[12], suggesting specialised mechanism(s) regulating leuko-

cyte extravasation into joint tissue.

Inflammatory  cytokines  such  as  TNFα  and  interleukin 

(IL)-1, which play a central role in RA pathogenesis, have 

the potential capacity to regulate many of the events occur-

ring in the RA microvasculature, including leukocyte extra-

vasation and chemotaxis [13]. TNFα is a fundamental indu-

cer of endothelial cell responses, and both TNFα receptors 

CD120a/TNF-R1 and CD120b/TNF-R2 have been detected 

on  RA  synovial  endothelial  cells.  In  RA,  endothelial  cells 

express numerous cytokine-inducible adhesion molecules, 

including  E-selectin  [14],  vascular  cell  adhesion  molecule 

(VCAM)-1  and  intercellular  adhesion  molecule  (ICAM)-1. 

For  example,  scintigraphy  utilizing  a 

99m

Tc-anti-E-selectin-

-Fab  was  used  to  image  synovitis  in  RA,  and  demonstra-

ted improved specificity compared to a conventional tracer 

for bone and joint, and specificity for targeting active joint 

inflammation  [15].  In  our  laboratory,  we  recently  demon-

strated that imaging of anti-E-selectin in vivo could detect 

endothelial  activation  in  models  of  arthritis  and  could  be 

applied to quantify disease and investigate the effects of no-

vel therapies [16]. Elevated levels in RA of soluble forms of 

E-selectin, ICAM-1 and VCAM-1 have also been described. 

Synovial  membrane  and  synovial  fluid  T  cells  display  an 

enhanced capacity to interact with purified E-selectin and 

VCAM-1,  relative  to  peripheral  blood  lymphocytes  from 

either  the  same  patients  or  from  healthy  donors,  due  to 

increased levels of VLA-4α, the counter-ligand for VCAM-

1.  In  addition,  synovial  fluid  lymphocytes  show  higher 

expression of other integrins such as CD29, VLA-1α, VLA-

5α and VLA-6α [17,18]. Accumulation of T cells in RA sy-

novium thus appears to result from elevated expression of 

adhesion receptors on synovial microvascular endothelium, 

leading  to  the  selective  emigration  of  memory  T  lympho-

cytes, which may bear enhanced levels of ligands for these 

adhesion molecules as a result of a previous activation step. 

Other adhesion molecules present on synovial endothelial 

cells include CD31, vascular adhesion proteins (VAP)-1 and 

VAP-2 and CD146 [19].

Moreover, endothelial cells are a source of a range of pro-

-inflammatory  cytokines,  including  IL-1,  IL-6  and  granu-

locyte macrophage colony-stimulating factor. Many of the 

features  of  the  rheumatoid  synovial  environment  suggest 

possible roles for chemoattractant cytokines, in that the lar-

ge number of infiltrating leukocytes, especially the accumu-

lation of monocyte/macrophages and lymphocytes, could 

in part be a response to the elaboration of chemokines. En-

dothelial cells secrete and present on cell surface proteogly-

cans chemokines of both CC and 

CXC sub-sets, in particular IL-8/

CXCL8,  monocyte  chemoattrac-

tant  protein-1/CCL2,  RANTES/

CCL5 and Groα/CXCL1 [20]. The 

ability  of  endothelium  to  captu-

re  chemokines  ensures  that  me-

diators  become  anchored  on  the 

endothelial  surface,  to  enable  a 

relatively  high  concentration  of 

chemoattractants close to the ves-

sel wall, and hence to temporally 

and  spatially  regulate  activation 

of circulating cells (Fig. 2).

ENDOTHELIUM AND 

ANGIOGENESIS IN RA

Another  feature  of  the  syno-

vium in RA is altered density of 

sub-lining  capillaries  and  post-

-capillary  venules,  supporting 

an  important  role  for  angioge-

nesis.  Endothelial  cells,  exposed 

to  inflammatory  cytokines  and 

growth  factors,  respond  by  alte-

ring  their  proliferation  rate  and 

cellular metabolism, to form new 

Figure 2. The vasculature in RA: cause and consequence. In RA, infiltration by blood-derived cells, hyperproliferation 

of synovial fibroblasts and angiogenesis occur. A self-perpetuating cascade of events is triggered, due to expression of 

cytokines, growth factors and chemokines. Fibroblast proliferation results in synovial hypoxia, resulting in expression 

of hypoxia-derived factors such as VEGF. Increased angiogenesis further amplifies the inflammatory cascade.

background image

418

 

www.postepybiochemii.pl

blood  vessels.  Blood  vessels  therefore  fulfil  an  important 

role in RA, fuelling synovial expansion and infiltration by 

inflammatory  cells  from  the  blood,  by  supplying  oxygen 

and nutrients necessary for cell metabolism and division, as 

well as by bringing in leukocytes and signalling mediators 

such as cytokines and growth factors [21-25]. The number of 

synovial blood vessels has been found to correlate with sy-

novial cell hyperplasia and indices of joint tenderness [26]. 

Endothelial cells lining blood vessels within RA synovium 

express cell cycle-associated antigens, and indices of endo-

thelial turnover are increased in synovia from patients with 

RA compared with non-inflamed controls. A morphometric 

study  also  suggested  that  capillaries  are  distributed  more 

deeply in RA synovium [27], and endothelial proliferation 

was shown to be increased in synovium from patients with 

RA [28].

Many  of  the  cytokines  and  growth  factors  expressed 

in  RA  have  the  potential  to  stimulate  endothelial  proli-

feration  [21].  For  example,  serum  levels  of  vascular  en-

dothelial growth factor (VEGF) are markedly elevated in 

RA, relative to either patients with osteoarthritis or nor-

mal  controls,  and  correlate  with  levels  of  inflammatory 

markers such as C-reactive protein (CRP). Serum VEGF 

levels have also been shown to correlate with blood flow 

in  wrist  synovium  of  patients  with  RA  [29].  Expression 

of VEGF by RA lining layer cells has been reported, and 

microvascular  endothelial  cells  in  the  vicinity  of  VEGF-

-positive cells express VEGF receptors [30]. Conditioned 

medium from synovial tissue explants was shown to be 

mitogenic  for  endothelial  cells,  an  activity  reduced  by 

anti-VEGF antibody [30], further supporting the concept 

of  an  important  role  for  endothelium  and  VEGF  in  RA. 

In  addition  to  synovial  expression  of  VEGF,  circulating 

(serum) levels of VEGF are increased, and correlate with 

inflammatory  response  markers  [31,32].  Treatment  of 

murine arthritis using anti-VEGF antibody delayed dise-

ase onset and reduced symptoms of arthritis [33,34]. Tar-

geting VEGF receptors, specifically VEGF receptor 1, also 

resulted in disease amelioration [35-37]. In summary, the 

invasive synovium in RA is highly vascularised, and mo-

lecules such as VEGF are expressed, and are thus likely 

to significantly modulate endothelial activation (Fig. 2).

CARDIOVASCULAR DISEASE IN RA — ROLE 

OF ENDOTHELIAL DYSFUNCTION

The mortality of patients with severe RA is equivalent to 

that of individuals with triple vessel coronary artery dise-

ase,  with  the  major  cause  of  mortality  (more  than  40%  of 

deaths)  being  cardiovascular  disease,  including  ischemic 

heart disease and heart failure [38]. Endothelial dysfunction 

is known to occur in RA, providing a possible link betwe-

en these seemingly disparate pathologies. The endothelial 

lining of blood vessels has a critical function in atheroscle-

rosis, serving as the site of initial injury and leukocyte ad-

hesion/migration. Maintenance of an intact vascular lining 

and an uninterrupted vascular supply is thus critical in the 

prevention  of  the  cascade  of  events  which  trigger  acute 

coronary  syndromes  such  as  myocardial  infarction.  Many 

studies have reported an association between RA and tra-

ditional cardiovascular risk factors such as cholesterol and 

low density lipoprotein levels. The acute phase response in-

flammatory marker CRP is a risk factor for atherosclerosis, 

and CRP levels are markedly elevated in RA, as part of the 

ongoing systemic inflammatory processes, suggesting that 

such an augmented inflammatory burden may be linked to 

the increased cardiovascular risk in RA [39,40].

Interestingly, the process of vasodilation is altered in 

RA. Herbrig et al., who studied blood flow in the forearm 

following  infusion  of  acetylcholine,  showed  that  vaso-

dilatation was significantly reduced in RA patients [41]. 

A  more  recent  study  examined  the  relationship  betwe-

en  flow-mediated  endothelium-dependent  vasodilata-

tion and carotid artery intima-media wall in RA patients 

without  clinically  evident  cardiovascular  disease,  and 

found  that  carotid  intima-media  thickness  values  were 

higher  and  flow-mediated  vasodilatation  were  lower  in 

individuals  with  long-standing  RA  compared  to  those 

with shorter disease duration [42]. Another recent study 

reported arterial stiffness to be associated with endothe-

lial dysfunction and atherosclerosis in patients with auto-

immune diseases such as RA [43].

Furthermore, although blood vessel density is altered in 

RA,  and  angiogenesis  has  generally  been  thought  to  un-

derlie these changes, endothelial progenitor cells may also 

play a role. Endothelial progenitor cells have been found 

to  differentiate  into  endothelial  cells,  express  classic  en-

dothelial  cell  markers,  including  CD31,  CD34  and  VEGF 

receptor 2 and to exhibit endothelial cell properties, such 

as expression of the endothelial-specific isoform of nitric 

oxide synthase (eNOS) and the adhesion molecule E-selec-

tin. The endothelial cells present in the circulation are ca-

pable of integrating into vessel walls, and it is these endo-

thelial progenitor cells which may link RA with increased 

cardiovascular morbidity and mortality. In RA synovium, 

CD34/VEGF receptor 2-positive cells have been described 

found  in  apposition  to  synovial  blood  vessels  [44].  Bone 

marrow-derived  CD34-positive  cells,  which  can  expand 

into  CD31-  and  von  Willebrand  factor-expressing  cells, 

have been reported to be generated at a higher rate from 

bone marrow samples taken from RA patients, compared 

to normal subjects. Furthermore, the capacity of bone mar-

row-derived cells from RA patients to progress into endo-

thelial  cells  correlated  with  synovial  microvessel  density 

[45]. In a parallel to the situation seen with coronary artery 

disease  and  ischemic  heart  disease  patients,  endothelial 

progenitor cells numbers are decreased in the peripheral 

blood of RA patients compared with healthy individuals. 

Circulating  endothelial  progenitor  cells  (CD34/VEGF  re-

ceptor  2-positive)  were  lower  in  patients  with  active  RA 

than in individuals with inactive disease or healthy con-

trols  [46].  The  observation  of  reduced  circulating  endo-

thelial  progenitor  cells  in  RA  patients  was  confirmed  in 

another study, which demonstrated reduced migration of 

endothelial progenitor cells from RA patients in response 

to VEGF, suggesting that the functional capacity of these 

cells may be attenuated in RA. Endothelial progenitor cells 

from RA  patients  exhibited  only  modest  adhesion  to  en-

dothelial cells stimulated with TNFα, compared with cells 

from healthy subjects, despite comparable levels of adhe-

background image

Postępy Biochemii 59 (4) 2013 

419

sion  to  unstimulated  endothelial  cells  or  matrix  proteins 

such as fibronectin or laminin [41].

The above data suggest enhanced recruitment from pe-

ripheral blood of endothelial progenitor cells to RA syno-

vium. This might then lead to increased RA synovial blood 

vessel formation, perpetuating disease. Furthermore, incre-

ased endothelial progenitor cell trafficking to the synovium 

would be paralleled by reduced peripheral blood endothe-

lial progenitor cells in RA, which could be a significant fac-

tor in the increased cardiovascular morbidity and mortality 

seen in RA.

INSIGHTS FROM STUDIES USING TNFα INHIBITORS

Over the last 25 years, major advances in the understan-

ding of the pathogenesis of RA, based on bench-bedside stu-

dies of human tissue and animal models of disease, have led 

to the identification of a number of new molecular targets 

for  intervention.  TNFα  mediates  many  inflammatory  and 

immunoregulatory activities relevant in RA. The concept of 

TNFα as a therapeutic target was put forward by Feldmann 

and Maini in the late 1980s, and to date several biological in-

hibitors of this cytokine have been approved for use in RA.

Clinical  trials  of  these  inhibitors,  which  commenced  in 

the late 1990s, have shed considerable light on the role of 

the endothelium in RA. The first Phase I/II study was an 

open-label trial of a single intra-venous infusion of inflixi-

mab (Remicade™), a chimeric mouse Fv-human IgG1k an-

tibody that binds both soluble and membrane-bound TNFα 

with high affinity, in long-standing active RA patients who 

had failed all prior therapy. The results were striking, sho-

wing reductions in pain and morning stiffness, swollen and 

tender  joint  counts,  and  CRP  levels.  Since  trafficking  into 

the synovium of blood-borne cells is a feature of RA, and 

since TNFα is one of the most potent regulators of leukocyte 

trafficking,  it  seemed  reasonable  to  hypothesize  that  anti-

TNFα antibody treatment might regulate synovial infiltra-

tion. This question has been addressed over the years with 

increasingly  sophisticated  studies,  which  started  with  the 

measurement of soluble adhesion molecules, which could 

be quantified in serially acquired serum samples. Levels of 

serum E-selectin and ICAM-1 were decreased after infusion 

of anti-TNFα antibody, and the extent of the decrease was 

significantly  higher  in  patients  in  whom  a  clinical  benefit 

of anti-TNFα was observed. Moreover, a significant reduc-

tion was observed in CD3- and CD68-positive cells in the 

synovium, as well as a decrease in synovial expression of 

VCAM-1 and E-selectin [47,48]. Later studies showed that 

synovial  and  serum  chemokines  (IL-8/CXCL8  and  mono-

cyte chemoattractant protein-1/CCL2) were decreased [47]. 

These reductions correlated with a rapid and sustained in-

crease in blood lymphocyte counts [48].

Direct evidence of an effect on cell trafficking came from 

elegant studies using gamma camera imaging of radioacti-

vely labelled polymorphonuclear cells. Patients with long-

standing RA received a single infusion of anti-TNFα anti-

body, and the articular localization of autologous polymor-

phonuclear cells, separated in vitro and labelled with 

111

In, 

was studied before and 2 weeks after treatment. Anti-TNFα 

therapy in RA significantly reduced 

111

In-labelled granulo-

cyte migration into affected joints. There was a simultane-

ous reduction in the numbers of infiltrating synovial CD3-

-positive T cells, CD22-positive B cells, and CD68-positive 

macrophages [47].

In  later  studies,  ultrasonography  has  been  used  to  me-

asure  synovial  inflammation  and  vascularity.  These  inve-

stigations have shown that assessment of synovial thicke-

ning and vascularity at baseline was an early and sensitive 

measure of response to treatment and radiological changes 

to  anti-TNFα  antibody  [10].  Indeed  ultrasonographic  me-

asures of synovial thickening and vascularity were able to 

discriminate  between  RA  patients  receiving  anti-TNFα  or 

placebo  with  greater  sensitivity  than  conventionally  used 

outcome measures of change in disease activity that depend 

on the use of clinical evaluation, such as the numbers of ten-

der and swollen joints.

In the context of effects on endothelial progenitor cells, 

RA patients with active disease treated with TNFα inhibi-

tors showed a restoration of circulating endothelial progeni-

tor cells levels to those seen in healthy control subjects. This 

effect was not seen in patients with active RA but receiving 

conventional disease-modifying drugs [46]. A more recent 

study  directly  examined  the  effect  of  anti-TNFα  antibody 

on endothelial progenitor cell numbers and function. A si-

gnificant increase in endothelial progenitor cell levels and 

adhesion  was  seen  after  2  weeks  of  anti-TNFα  treatment, 

together with an improvement in the disease activity score. 

Interestingly, a significant correlation was seen between the 

extent of clinical response and the degree of increase in en-

dothelial progenitor cell numbers [49]. The cardiovascular 

risk profile is also altered after TNFα blockade. Treatment 

with anti-TNFα antibody significantly increased concentra-

tions of fibrinogen and HDL-cholesterol, whereas LDL and 

triglyceride levels were unchanged, and no changes in lipid 

profile were seen in the placebo group [50]. Similarly, treat-

ment with TNFα inhibitors has been reported to reduce the 

incidence of first cardiovascular events in patients with RA 

[51].

Given that serum VEGF levels were elevated in patients 

with RA, it seemed reasonable to suppose that treatment of 

RA  with  anti-cytokine  biologicals  might  modulate  VEGF 

expression.  To  examine  this  hypothesis,  we  measured  se-

rum VEGF levels in RA patients treated with anti-TNFα an-

tibody. In patients receiving a single infusion of anti-TNFα, 

serum VEGF levels were markedly reduced. Treatment of 

RA  patients  with  a  combination  of  multiple  infusions  of 

anti-TNFα and methotrexate resulted in a more prolonged 

decrease in serum VEGF levels relative to patients who re-

ceived  anti-TNFα  antibody  alone  [32].  As  discussed,  the 

presence or density of immature vessels is significantly in-

creased in RA patients, and i

nterestingly, 

immature vessels 

were  depleted  in  response  to  anti-TNF  therapy,  highligh-

ting the co-dependency of angiogenesis and inflammation 

[8]. Furthermore, as mentioned earlier, endothelial dysfunc-

tion is a feature of RA. Impaired flow-mediated vasodila-

tion in RA patients was reversed following TNFα inhibition 

[52,53].

background image

420

 

www.postepybiochemii.pl

Taken together, these observations suggest that at least 

part of the clinical effectiveness of TNFα blockade in RA is 

due to deactivation of vascular endothelium, leading to re-

duced inflammation, cell trafficking (and, as a consequence, 

diminished synovial cellularity) and angiogenesis, and nor-

malisation of coagulation and fibrinolytic systems (summa-

rised in Tab. 1). This is supported by a recent finding regar-

ding Certolizumab pegol, a humanised anti-TNFα antibody 

approved for clinical use for RA. Certolizumab significantly 

blocked  TNFα-induced  E-selectin,  VCAM-1  and  ICAM-1 

expression  on  microvascular  endothelial  cells,  as  well  as 

chemokine expression and endothelial tube formation, and 

adhesion of HL60 leukaemia cells to endothelial cells [54]. 

These data demonstrate that blockade of the inflammatory 

cascade in RA, using approaches such as TNFα inhibitors, 

diminishes endothelial activation and is associated with cli-

nical benefit.

ENDOTHELIUM AND INFLAMMATION 

— INTERACTION WITH HYPOXIA

Mammalian cells and tissues are exposed to various oxy-

gen tensions, depending on their location, frequently as low 

as 5% in the case of venular endothelial cells [55]. A complex 

interplay between altered oxygen levels and inflammation 

is  involved  in  the  pathogenesis  of  inflammatory  diseases 

such  as  RA.  The  micro-environment  in  the  inflamed  joint 

is  characterised  by  a  low  partial  pressure  of  oxygen,  first 

demonstrated more than 40 years ago. Mean synovial fluid 

O

2

 in knee joints was reported to be lower in RA patients 

than in osteoarthritis patients or in healthy controls. Despite 

these intriguing observations, it was only recently that we 

were  able  to  directly  measure  synovial  oxygen  tension  in 

RA  patients  using  a  highly  sensitive  gold  microelectrode. 

We observed that synovial tissue in RA patients was inde-

ed hypoxic, with O

2

 lower than in non-inflamed synovium 

in patients without RA [56]. This hypoxic milieu leads to a 

cascade of enhanced expression of hypoxia-regulated trans-

cription  factors  and  hypoxia-responsive  genes,  and  incre-

ased levels of pro-inflammatory cytokines and angiogenic 

factors,  establishing  a  link  between  synovial  hypoxia  and 

inflammation in RA [25,57].

Cellular  responses  in  situations  of  reduced  ava-

ilability of oxygen are coordinated by the hypoxia-

-inducible  factor  (HIF)  transcription  factor  family. 

Activation of HIF signalling leads to extensive chan-

ges in gene expression, to allow adaption of cells and 

tissues  to  reduced  oxygenation.  The  HIF  complex 

consists of a constitutively expressed b subunit, and 

an oxygen-responsive α subunit. Regulation of HIF-

-dependent  gene  expression  requires  α-subunit  ac-

cumulation in the cytoplasm and translocation into 

the  nucleus,  which  enables  HIF-α  to  dimerise  with 

HIF-β  and  bind  HIF  co-activators,  prior  to  binding 

hypoxia-response elements in the target gene to ini-

tiate transcription. Hydroxylation by FIH-1 of aspa-

ragine  residues  in  HIF-α  prevents  recruitment  of 

co-activators  p300/CBP  and  thereby  HIF-mediated 

gene  transcription.  In  contrast,  prolyl  hydroxylase 

domain (PHD) enzymes (PHD1-3) modify HIF-α by 

hydroxylation of specific proline residues in HIF-α, 

enabling capture by an E3 ubiquitin ligase complex, leading 

to proteasomal destruction of HIF-α. FIH-1 and PHD1-3 be-

long to a superfamily of 2-oxoglutarate and iron dependent 

dioxygenases, which require molecular oxygen as a co-sub-

strate [58]. Thus, under conditions where O

2

 supply limited, 

as is the case in RA synovium, HIF-α subunits accumulate 

and activate gene transcription. In RA synovial tissue, HIF-

1α-positive cells correlate with the number of blood vessels 

and with inflammatory endothelial cell infiltration, prolife-

ration and synovitis [59].

Hypoxia alters the expression of a number of endothe-

lial  genes,  including  those  involved  in  the  inflammatory 

response. For example, increased expression of chemokines 

such as CCL15 and IL-8/CXCL8 has been described in en-

dothelial cells exposed to hypoxia, suggesting that altered 

oxygen tension may influence leukocyte activation [60,61]. 

Increased  leukocyte  adhesion  to  endothelial  cells  exposed 

to low oxygen tension has also been described [62,63], and 

hypoxia may synergise with inflammatory cytokines such 

as TNFα to upregulate E-selectin and ICAM-1 [64]. Trans-

criptomic and proteomic analyses have shown that hypoxia 

activates endothelial cells to express cytokines, growth fac-

tors, extracellular matrix protein genes, collagens and mem-

bers of the PHD family in a HIF-1-dependent manner, and 

that  hypoxia  increased  basement  membrane  invasion  and 

tube formation by endothelial cells [65-67]. Of potential re-

levance to RA, hypoxia increases endothelial permeability, 

affecting adhesion molecules such as VE-cadherin and Rho 

GTPases  regulating  the  actin  cytoskeleton,  such  as  RhoA 

and Rac1 [68].

Hypoxia may also affect endothelial activation indirectly, 

by activating synovial cells to express factors which stimula-

te endothelial cell responses. Hypoxia increases expression 

by  synovial  cells  of  pro-angiogenic  factors  such  as  VEGF 

[32],  as  well  as  chemokines  IL-8/CXCL8  [69],  CCL20  [70] 

and SDF-1/CXCL12 [71,72]. Increased levels of pro-inflam-

matory cytokines such as IL-6, and of matrix-metalloprote-

ase (MMP) enzymes MMP-1 and MMP-3 [69] together with 

enhanced synovial cell invasiveness, in response to hypoxia 

have also been reported. In a recent study, interaction be-

Table 1. Summary of the effects of anti-TNFα on the vasculature in RA.

Parameter

Observed effect of anti-tnfα

Leukocyte adhesion

reduced serum adhesion molecules

reduced synovial adhesion molecules

reduced synovial CD3- and CD68-positive cells

reduced leukocyte trafficking

increased circulating lymphocytes

Chemokine expression

reduced synovial chemokines

reduced serum chemokines

Angiogenesis

reduced serum VEGF

reduced synovial vascularity

reduced synovial thickening

reduced joint vascularity

Haematological markers

reduction in elevated fibrinogen

reduction in elevated platelet counts

restoration of reduced hemoglobin

background image

Postępy Biochemii 59 (4) 2013 

421

tween hypoxia, HIF and the Notch signalling pathway was 

shown to play an important role in hypoxia-induced angio-

genesis. Notch-1 was highly expressed in inflamed synovial 

tissue  and  was  localized  predominantly  to  perivascular/

vascular regions, and inhibition of Notch-1 by RNA interfe-

rence significantly attenuated hypoxia-induced angiogene-

sis and endothelial cell function [73].

Synovial hypoxia is therefore likely to contribute to RA 

by promoting inflammation, angiogenesis, cellular infiltra-

tion and cartilage degradation. However, recent emerging 

evidence  suggests  the  opposite,  adding  some  controversy 

to the previous well established dogma, and increasing the 

need of further studies for a better understanding of the role 

of hypoxia/HIF in RA. A very good example is the role of 

HIF  in  anaemia,  which  as  in  many  chronic  inflammatory 

diseases, is one of the most common extra-articular manife-

stations of RA, estimated to occur in 30–60% of RA patients 

[74]. Anaemic patients have more severe RA and also have 

more affected joints and higher levels of functional disabi-

lity and pain. Studies have shown that treating anaemia in 

RA patients leads to reduced joint swelling and had a po-

sitive effect on patients’ quality of life. Α key mediator of 

anaemia in RA is hepcidin, a regulatory hormone that limits 

iron availability and suppresses erythropoiesis under con-

ditions of inflammation. Expression of hepcidin is induced 

by IL-6, a major player in the pathogenesis of RA and incre-

ased  levels  of  serum  hepcidin  were  directly  linked  to  the 

occurrence of coronary artery atherosclerosis in RA patients 

[75]. Under conditions of hypoxia however, the expression 

of hepcidin is repressed to permit physiological adaptation 

to tissue oxygen tension. It has been reported that inhibition 

of the PHD enzymes by deferoxamine or dimethyloxaloyl-

glycine

 

was also able to down-regulate hepcidin expression, 

independently of HIF [76]. However, recently Liu and col-

leagues  has  shown  that  suppression  of  hepcidin  was  me-

diated  by  HIF,  indirectly  through  erythropoietin-induced 

erythropoiesis [77].

CONCLUSIONS

The response of vascular endothelium to cytokines, che-

mokines and growth factors governs subsequent resolution 

or perpetuation of the inflammatory cascade in vivo. Inap-

propriate  or  excessive  responses  result  in  consequences 

such as leukocyte extravasation, immune activation and an-

giogenesis, thus contributing to certain diseases such as RA.

Some  questions  regarding  the  function  of  endothelium 

in chronic inflammatory disorders such as RA still remain 

unanswered, for example regarding the relative roles of the 

different adhesion molecules and chemokines. However, it 

is not unreasonable to suggest that targeting the vasculature 

in RA, for example using angiogenesis inhibitors, in combi-

nation with other therapies such as anti-TNFα, may lead to 

a more persistent reduction in synovial volume and hence 

modify disease progression, but confirmation of this hypo-

thesis requires appropriate clinical trials. It is likely that our 

understanding  of  RA  is  a  model  of  chronic  inflammatory 

disease will allow elucidation of the potential of developing 

new  therapeutic  approaches  for  treatment  of  other  disor-

ders  in  which  inflammation,  hypoxia  and  the  vasculature 

are involved, such as atherosclerosis, psoriasis, diabetes and 

cancer.

BIBLIOGRAPHY

1.  Symmons D, Turner G, Webb R, Asten P, Barrett E, Lunt M, Scott D, 

Silman A (2002) The prevalence of rheumatoid arthritis in the United 

Kingdom: new estimates for a new century. Rheumatology (Oxford) 

41: 793-800

2.  Kaplan MJ (2006) Cardiovascular disease in rheumatoid arthritis. Curr 

Opin Rheumatol 18: 289-297

3.  Andersson AK, Li C, Brennan FM (2008) Recent developments in the 

immunobiology of rheumatoid arthritis. Arthritis Res Ther 10: 204

4.  Orozco G, Rueda B, Martin J (2006) Genetic basis of rheumatoid arthri-

tis. Biomed Pharmacother 60: 656-662

5.  Firestein GS (2005) Pathogenesis of rheumatoid arthritis: how early is 

early? Arthritis Res Ther 7: 157-159

6.  Choy  E  (2012)  Understanding  the  dynamics:  pathways  involved  in 

the pathogenesis of rheumatoid arthritis. Rheumatology (Oxford) 51 

Suppl 5: v3-11

7.  Rosenbaum J, Pottinger BE, Woo P, Black CM, Loizou S, Byron MA, 

Pearson JD (1988) Measurement and characterisation of circulating an-

ti-endothelial cell IgG in connective tissue diseases. Clin Exp Immunol 

72: 450-456

8.  Izquierdo E, Canete JD, Celis R, Santiago B, Usategui A, Sanmarti R, 

Del Rey MJ, Pablos JL (2009) Immature blood vessels in rheumatoid 

synovium are selectively depleted in response to anti-TNF therapy. 

PLoS One 4: e8131

9.  Larche MJ, Seymour M, Lim A, Eckersley RJ, Petavy F, Chiesa F, Rioja 

I, Lukey PT, Binks M, McClinton C, Dolan K, Taylor PC (2010) Quan-

titative power Doppler ultrasonography is a sensitive measure of me-

tacarpophalangeal  joint  synovial  vascularity  in  rheumatoid  arthritis 

and declines significantly following a 2-week course of oral low-dose 

corticosteroids. J Rheumatol 37: 2493-2501

10. Taylor PC, Steuer A, Gruber J, Cosgrove DO, Blomley MJ, Marsters 

PA,  Wagner  CL,  McClinton  C,  Maini  RN  (2004)  Comparison  of  ul-

trasonographic assessment of synovitis and joint vascularity with ra-

diographic evaluation in a randomized, placebo-controlled study of 

infliximab therapy in early rheumatoid arthritis. Arthritis Rheum 50: 

1107-1116

11. Raatz Y, Ibrahim S, Feldmann M, Paleolog EM (2012) Gene expression 

profiling and functional analysis of angiogenic markers in murine col-

lagen-induced arthritis. Arthritis Res Ther 14: R169

12. Jalkanen S, Steere AC, Fox RI, Butcher EC (1986) A distinct endothelial 

cell recognition system that controls lymphocyte traffic into inflamed 

synovium. Science 233: 556-558

13. Szekanecz Z, Koch AE (2008) Vascular involvement in rheumatic dise-

ases: ‘vascular rheumatology’. Arthritis Res Ther 10: 224

14. Chapman PT, Jamar F, Keelan ET, Peters AM, Haskard DO (1996) Use 

of a radiolabeled monoclonal antibody against E-selectin for imaging 

of endothelial activation in rheumatoid arthritis. Arthritis Rheum 39: 

1371-1375

15. Jamar F, Houssiau FA, Devogelaer JP, Chapman PT, Haskard DO, Be-

aujean V, Beckers C, Manicourt DH, Peters AM (2002) Scintigraphy 

using a technetium 99m-labelled anti-E-selectin Fab fragment in rheu-

matoid arthritis. Rheumatology (Oxford) 41: 53-61

16. Gompels LL, Madden L, Lim NH, Inglis JJ, McConnell E, Vincent TL, 

Haskard DO, Paleolog EM (2011) In vivo fluorescence imaging of E-

-selectin: quantitative detection of endothelial activation in a mouse 

model of arthritis. Arthritis Rheum 63: 107-117

17. Postigo AA, Garcia-Vicuna R, Diaz-Gonzalez F, Arroyo AG, De Lan-

dazuri MO, Chi-Rosso G, Lobb RR, Laffon ASanchez-Madrid F (1992) 

Increased binding of synovial T lymphocytes from rheumatoid arthri-

tis to endothelial-leukocyte adhesion molecule-1 (ELAM-1) and vascu-

lar cell adhesion molecule-1 (VCAM-1). J Clin Invest 89: 1445-1452

18. Abbot SE, Whish WJ, Jennison C, Blake DR, Stevens CR (1999) Tumour 

necrosis factor alpha stimulated rheumatoid synovial microvascular 

background image

422

 

www.postepybiochemii.pl

endothelial cells exhibit increased shear rate dependent leucocyte ad-

hesion in vitro. Ann Rheum Dis 58: 573-581

19. Middleton  J,  Americh  L,  Gayon  R,  Julien  D,  Aguilar  L,  Amalric  F, 

Girard JP (2004) Endothelial cell phenotypes in the rheumatoid syno-

vium: activated, angiogenic, apoptotic and leaky. Arthritis Res Ther 6: 

60-72

20. Szekanecz Z, Kim J, Koch AE (2003) Chemokines and chemokine re-

ceptors in rheumatoid arthritis. Semin Immunol 15: 15-21

21. Paleolog EM (2009) The vasculature in rheumatoid arthritis. Int J Exp 

Pathol 90: 249-261

22. Szekanecz Z, Besenyei T, Paragh G, Koch AE (2009) Angiogenesis in 

rheumatoid arthritis. Autoimmunity 42: 563-573

23. Paleolog EM (2010) Angiogenesis in joint disease: the need for clinical 

data. Int J Clin Rheumatol 5: 439-449

24. Szekanecz Z, Besenyei T, Szentpetery A, Koch AE (2010) Angiogenesis 

and vasculogenesis in rheumatoid arthritis. Curr Opin Rheumatol 22: 

299-306

25. Konisti S, Kiriakidis S, Paleolog EM (2012) Hypoxia: a key regulator 

of angiogenesis and inflammation in rheumatoid arthritis. Nature Rev 

Rheumatol 8: 153-162

26. Rooney  M,  Condell  D,  Quinlan  W,  Daly  L,  Whelan  A,  Feighery  C, 

Bresnihan B (1988) Analysis of the histologic variation of synovitis in 

rheumatoid arthritis. Arthritis Rheum 31: 956-963

27. Ceponis A, Konttinen YT, Imai S, Tamulaitiene M, Li TF, Xu JW, Hieta-

nen J, Santavirta S, Fassbender HG (1998) Synovial lining, endothelial 

and  inflammatory  mononuclear  cell  proliferation  in  synovial  mem-

branes in psoriatic and reactive arthritis: a comparative quantitative 

morphometric study. Br J Rheumatol 37: 170-178

28. Walsh DA, Wade M, Mapp PI, Blake DR (1998) Focally regulated en-

dothelial proliferation and cell death in human synovium. Am J Pathol 

152: 691-702

29. Kurosaka D, Hirai K, Nishioka M, Miyamoto Y, Yoshida K, Takahashi 

E, Ukichi T, Noda K, Yanagimachi M, Furuya K, Fukuda K, Yamada 

A (2009) Correlation between synovial blood flow signals and serum 

vascular endothelial growth factor levels in patients with refractory 

rheumatoid arthritis. Mod Rheumatol 19: 187-191

30. Koch AE, Harlow LA, Haines GK, Amento EP, Unemori EN, Wong 

WL, Pope RM, Ferrara N (1994) Vascular endothelial growth factor. 

A cytokine modulating endothelial function in rheumatoid arthritis. J 

Immunol 152: 4149-4156

31. Kikuchi K, Kubo M, Kadono T, Yazawa N, Ihn H, Tamaki K (1998) 

Serum concentrations of vascular endothelial growth factor in collagen 

diseases. Br J Dermatol 139: 1049-10451

32. Paleolog EM, Young S, Stark AC, McCloskey RV, Feldmann M, Ma-

ini RN (1998) Modulation of angiogenic vascular endothelial growth 

factor by tumor necrosis factor alpha and interleukin-1 in rheumatoid 

arthritis. Arthritis Rheum 41: 1258-1265

33. Lu J, Kasama T, Kobayashi K, Yoda Y, Shiozawa F, Hanyuda M, Ne-

gishi M, Ide H, Adachi M (2000) Vascular endothelial growth factor 

expression and regulation of murine collagen-induced arthritis. J Im-

munol 164: 5922-5927

34. Sone H, Kawakami Y, Sakauchi M, Nakamura Y, Takahashi A, Shima-

no H, Okuda Y, Segawa T, Suzuki H, Yamada N (2001) Neutralization 

of vascular endothelial growth factor prevents collagen-induced arth-

ritis and ameliorates established disease in mice. Biochem Biophys Res 

Commun 281: 562-568

35. Miotla J, Maciewicz R, Kendrew J, Feldmann M, Paleolog E (2000) Tre-

atment with soluble VEGF receptor reduces disease severity in murine 

collagen-induced arthritis. Lab Invest 80: 1195-1205

36. de Bandt M, Ben Mahdi MH, Ollivier V, Grossin M, Dupuis M, Gau-

dry M, Bohlen P, Lipson KE, Rice A, Wu Y, Gougerot-Pocidalo MA, 

Pasquier C (2003) Blockade of vascular endothelial growth factor re-

ceptor I (VEGF-RI), but not VEGF-RII, suppresses joint destruction in 

the K/BxN model of rheumatoid arthritis. J Immunol 171: 4853-4859

37. Luttun A, Tjwa M, Moons L, Wu Y, Angelillo-Scherrer A, Liao F, Nagy 

JA, Hooper A, Priller J, De Klerck B, Compernolle V, Daci E, Bohlen P, 

Dewerchin M, Herbert JM, Fava R, Matthys P, Carmeliet G, Collen D, 

Dvorak HF, Hicklin DJ,Carmeliet P (2002) Revascularization of ische-

mic tissues by PlGF treatment, and inhibition of tumor angiogenesis, 

arthritis and atherosclerosis by anti-Flt1. Nat Med 8: 831-840

38. Gkaliagkousi E, Gavriilaki E, Doumas M, Petidis K, Aslanidis S, Stel-

la D (2012) Cardiovascular risk in rheumatoid arthritis: pathogenesis, 

diagnosis, and management. J Clin Rheumatol 18: 422-430

39. Rhodes B, Furnrohr BG, Vyse TJ (2011) C-reactive protein in rheuma-

tology: biology and genetics. Nat Rev Rheumatol 7: 282-289

40. Gonzalez-Gay MA, Gonzalez-Juanatey C, Pineiro A, Garcia-Porrua C, 

Testa ALlorca J (2005) High-grade C-reactive protein elevation corre-

lates with accelerated atherogenesis in patients with rheumatoid arth-

ritis. J Rheumatol 32: 1219-1223

41. Herbrig K, Haensel S, Oelschlaegel U, Pistrosch F, Foerster S, Passauer 

J (2005) Endothelial dysfunction in patients with rheumatoid arthritis 

is associated with a reduced number and impaired function of endo-

thelial progenitor cells. Ann Rheum Dis, in press

42. Gonzalez-Juanatey C, Llorca J, Gonzalez-Gay MA (2011) Correlation 

between endothelial function and carotid atherosclerosis in rheumato-

id arthritis patients with long-standing disease. Arthritis Res Ther 13: 

R101

43. Soltesz P, Der H, Kerekes G, Szodoray P, Szucs G, Danko K, Shoen-

feld Y, Szegedi G, Szekanecz Z (2009) A comparative study of arterial 

stiffness,  flow-mediated  vasodilation  of  the  brachial  artery,  and  the 

thickness of the carotid artery intima-media in patients with systemic 

autoimmune diseases. Clin Rheumatol 28: 655-662

44. Ruger B, Giurea A, Wanivenhaus AH, Zehetgruber H, Hollemann D, 

Yanagida G, Groger M, Petzelbauer P, Smolen JS, Hoecker P, Fischer 

MB (2004) Endothelial precursor cells in the synovial tissue of patients 

with rheumatoid arthritis and osteoarthritis. Arthritis Rheum 50: 2157-

2166

45. Hirohata S, Yanagida T, Nampei A, Kunugiza Y, Hashimoto H, Tomi-

ta T, Yoshikawa H, Ochi T (2004) Enhanced generation of endothelial 

cells from CD34+ cells of the bone marrow in rheumatoid arthritis: 

possible role in synovial neovascularization. Arthritis Rheum 50: 3888-

3896

46. Grisar J, Aletaha D, Steiner CW, Kapral T, Steiner S, Seidinger D, We-

igel G, Schwarzinger I, Wolozcszuk W, Steiner G, Smolen JS (2005) 

Depletion  of  endothelial  progenitor  cells  in  the  peripheral  blood  of 

patients with rheumatoid arthritis. Circulation 111: 204-211

47. Taylor PC, Peters AM, Paleolog E, Chapman PT, Elliott MJ, McCloskey 

R, Feldmann M, Maini RN (2000) Reduction of chemokine levels and 

leukocyte traffic to joints by tumor necrosis factor alpha blockade in 

patients with rheumatoid arthritis. Arthritis Rheum 43: 38-47

48. Paleolog EM, Hunt M, Elliott MJ, Feldmann M, Maini RN, Woody JN 

(1996) Deactivation of vascular endothelium by monoclonal anti-tu-

mor necrosis factor alpha antibody in rheumatoid arthritis. Arthritis 

Rheum 39: 1082-1091

49. Ablin JN, Boguslavski V, Aloush V, Elkayam O, Paran D, Caspi D, 

George J (2006) Effect of anti-TNFalpha treatment on circulating en-

dothelial progenitor cells (EPCs) in rheumatoid arthritis. Life Sci 79: 

2364-2349

50. Popa C, Netea MG, Radstake T, Van der Meer JW, Stalenhoef AF, van 

Riel PL, Barerra P (2005) Influence of anti-tumour necrosis factor the-

rapy on cardiovascular risk factors in patients with active rheumatoid 

arthritis. Ann Rheum Dis 64: 303-305

51. Jacobsson LT, Turesson C, Gulfe A, Kapetanovic MC, Petersson IF, Sa-

xne T, Geborek P (2005) Treatment with tumor necrosis factor blockers 

is associated with a lower incidence of first cardiovascular events in 

patients with rheumatoid arthritis. J Rheumatol 32: 1213-1218

52. Gonzalez-Juanatey  C,  Testa  A,  Garcia-Castelo  A,  Garcia-Porrua  C, 

Llorca J, Gonzalez-Gay MA (2004) Active but transient improvement 

of  endothelial  function  in  rheumatoid  arthritis  patients  undergoing 

long-term treatment with anti-tumor necrosis factor alpha antibody. 

Arthritis Rheum 51: 447-450

53. Capria A, De Nardo D, Baffetti FR, Barbini U, Violo A, Tondo T, Fon-

tana L (2010) Long-term anti-TNF-alpha treatments reverse the endo-

thelial  dysfunction  in  rheumatoid  arthritis:  the  biological  coherence 

background image

Postępy Biochemii 59 (4) 2013 

423

Śródbłonek wyścielający naczynia krwionośne — 

rola w przewlekłych chorobach zapalnych

Serafim Kiriakidis

1,2,*

, Ewa M. Paleolog

1,2

1

Kennedy Institute of Rheumatology, Nuffield Department of Orthopaedics, Rheumatology and Musculoskeletal Sciences, University of Oxford, 

Roosevelt Drive, Headington, Oxford, OX3 7FY, UK 

2

Department of Medicine, Imperial College London, UK

*

e-mail: serafim.kiriakidis@kennedy.ox.ac.uk

Słowa kluczowe: śródbłonek, zapalenie, zapalenie stawów, cytokiny, angiogeneza

STRESZCZENIE

Śródbłonek wyścielający naczynia krwionośne odgrywa kluczową rolę w regulacji odpowiedzi organizmu na cytokiny prozapalne, chemoki-

ny i czynniki wzrostu (pochodzące zarówno z samych komórek śródbłonkowych jak i innych komórek — np. leukocytów czy fibroblastów), 

wpływając na aktywację leukocytów, ich adhezję oraz migrację ze światła naczynia do przylegających tkanek. Proliferacja śródbłonka i two-

rzenie nowych naczyń w procesie angiogenezy zwiększa powierzchnię oddziaływania z leukocytami, a jednocześnie ułatwia dostarczanie 

tlenu i usuwanie zbędnych produktów przemiany materii. Oprócz ważnej roli w fizjologii, śródbłonek bierze aktywny udział w patogenezie 

chorób związanych z zapaleniem. Jednym z najlepiej poznanych schorzeń, w których istotną rolę odgrywa reakcja zapalna i nasilona angio-

geneza jest reumatoidalne zapalenie stawów (RA, ang. 

rheumatoid arthritis). Zablokowanie odpowiedzi zapalnej w RA znacząco wpływa 

na unaczynienie, potwierdzając współzależność między zahamowaniem aktywacji śródbłonka i leczeniem chronicznych stanów zapalnych.

between synovial and endothelial inflammation. Int J Immunopathol 

Pharmacol 23: 255-262

54. Shu Q, Amin MA, Ruth JH, Campbell PL, Koch AE (2012) Suppres-

sion of endothelial cell activity by inhibition of TNFalpha. Arthritis Res 

Ther 14: R88

55. Simon MC, Liu L, Barnhart BC, Young RM (2008) Hypoxia-induced 

signaling in the cardiovascular system. Annu Rev Physiol 70: 51-71

56. Sivakumar B, Akhavani MA, Winlove CP, Taylor PC, Paleolog EM, 

Kang N (2008) Synovial hypoxia as a cause of tendon rupture in rheu-

matoid arthritis. J Hand Surg 33: 49-58

57. Muz B, Khan MN, Kiriakidis S, Paleolog EM (2009) The role of hypoxia 

and HIF-dependent signalling events in rheumatoid arthritis. Arthritis 

Res Therapy 11: 201

58. Semenza GL (2013) Oxygen sensing, hypoxia-inducible factors, and 

disease pathophysiology. Annu Rev Pathol, in press

59. Brouwer E, Gouw AS, Posthumus MD, van Leeuwen MA, Boerboom 

AL, Bijzet J, Bos R, Limburg PC, Kallenberg CG, Westra J (2009) Hypo-

xia inducible factor-1-alpha (HIF-1alpha) is related to both angiogene-

sis and inflammation in rheumatoid arthritis. Clin Exp Rheumatol 27: 

945-951

60. Lee TH, Avraham H, Lee SH, Avraham S (2002) Vascular endothelial 

growth  factor  modulates  neutrophil  transendothelial  migration  via 

up-regulation of interleukin-8 in human brain microvascular endothe-

lial cells. J Biol Chem 277: 10445-10451

61. Park  KH,  Lee  TH,  Kim  CW,  Kim  J  (2013)  Enhancement  of  CCL15 

expression and monocyte adhesion to endothelial cells (ECs) after hy-

poxia/reoxygenation and induction of ICAM-1 expression by CCL15 

via the JAK2/STAT3 pathway in ECs. J Immunol 190: 6550-6558

62. Kokura S, Wolf RE, Yoshikawa T, Ichikawa H, Granger DN, Aw TY 

(2000) Endothelial cells exposed to anoxia/reoxygenation are hypera-

dhesive to T-lymphocytes: kinetics and molecular mechanisms. Micro-

circulation 7: 13-23

63. Kokura S, Wolf RE, Yoshikawa T, Granger DN, Aw TY (2000) T-lym-

phocyte-derived tumor necrosis factor exacerbates anoxia-reoxygena-

tion-induced neutrophil-endothelial cell adhesion. Circ Res 86: 205-213

64. Zund G, Uezono S, Stahl GL, Dzus AL, McGowan FX, Hickey PR, Col-

gan SP (1997) Hypoxia enhances induction of endothelial ICAM-1: role 

for metabolic acidosis and proteasomes. Am J Physiol 273: C1571-580

65. Scheurer SB, Rybak JN, Rosli C, Neri D, Elia G (2004) Modulation of 

gene expression by hypoxia in human umbilical cord vein endothelial 

cells: A transcriptomic and proteomic study. Proteomics 4: 1737-1760

66. Manalo DJ, Rowan A, Lavoie T, Natarajan L, Kelly BD, Ye SQ, Garcia 

JG, Semenza GL (2005) Transcriptional regulation of vascular endothe-

lial cell responses to hypoxia by HIF-1. Blood 105: 659-669

67. Flamant L, Toffoli S, Raes M, Michiels C (2009) Hypoxia regulates in-

flammatory gene expression in endothelial cells. Exp Cell Res 315: 733-

747

68. Wojciak-Stothard  B,  Tsang  LY,  Paleolog  E,  Hall  SM,  Haworth  SG 

(2006) Rac1 and RhoA as regulators of endothelial phenotype and bar-

rier function in hypoxia-induced neonatal pulmonary hypertension. 

Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol 290: L1173-1182

69. Ahn JK, Koh EM, Cha HS, Lee YS, Kim J, Bae EK, Ahn KS (2008) Role 

of hypoxia-inducible factor-1alpha in hypoxia-induced expressions of 

IL-8, MMP-1 and MMP-3 in rheumatoid fibroblast-like synoviocytes. 

Rheumatology (Oxford) 47: 834-839

70. Bosco  MC,  Delfino  S,  Ferlito  F,  Battaglia  F,  Puppo  M,  Gregorio  A, 

Gambini C, Gattorno M, Martini A, Varesio L (2008) Hypoxic synovial 

environment  and  expression  of  macrophage  inflammatory  protein 

3gamma/CCL20 in juvenile idiopathic arthritis. Arthritis Rheum 58: 

1833-1838

71. Hitchon C, Wong K, Ma G, Reed J, Lyttle D, El-Gabalawy H (2002) Hy-

poxia-induced production of stromal cell-derived factor 1 (CXCL12) 

and vascular endothelial growth factor by synovial fibroblasts. Arthri-

tis Rheum 46: 2587-2597

72. Del Rey MJ, Izquierdo E, Usategui A, Gonzalo E, Blanco FJ, Acquadro 

F, Pablos JL (2010) The transcriptional response of normal and rheu-

matoid arthritis synovial fibroblasts to hypoxia. Arthritis Rheum 62: 

3584-3594

73. Gao W, Sweeney C, Connolly M, Kennedy A, Ng CT, McCormick J, 

Veale DJ, Fearon U (2012) Notch-1 mediates hypoxia-induced angio-

genesis in rheumatoid arthritis. Arthritis Rheum 64: 2104-2113

74. Wilson A, Yu HT, Goodnough LT, Nissenson AR (2004) Prevalence 

and outcomes of anemia in rheumatoid arthritis: a systematic review 

of the literature. Am J Med 116 Suppl 7A: 50S-57S

75. Abdel-Khalek MA, El-Barbary AM, Essa SA, Ghobashi AS (2011) Se-

rum hepcidin: a direct link between anemia of inflammation and co-

ronary artery atherosclerosis in patients with rheumatoid arthritis. J 

Rheumatol 38: 2153-2159

76. Braliou GG, Verga Falzacappa MV, Chachami G, Casanovas G, Muc-

kenthaler MU, Simos G (2008) 2-Oxoglutarate-dependent oxygenases 

control hepcidin gene expression. J Hepatol 48: 801-810

77. Liu Q, Davidoff O, Niss K, Haase VH (2012) Hypoxia-inducible factor 

regulates  hepcidin  via  erythropoietin-induced  erythropoiesis.  J  Clin 

Invest 122: 4635-4644