Features that distinguish tumor vasculatures from normal blood vessels are sought to enable the destruction of preformed tumor vessels. We show that blood vessels in both a xenografted tumor and primary human tumors contain a sizable fraction of immature blood vessels that have not yet recruited periendothelial cells. These immature vessels are selectively obliterated as a consequence of vascular endothelial growth factor (VEGF) withdrawal. In a xenografted glioma, the selective vulnerability of immature vessels to VEGF loss was demonstrated by downregulating VEGF transgene expression using a tetracycline-regulated expression system. In human prostate cancer, the constitutive production of VEGF by the glandular epithelium was suppressed as a consequence of androgen-ablation therapy. VEGF loss led, in turn, to selective apoptosis of endothelial cells in vessels devoid of periendothelial cells. These results suggest that the unique dependence on VEGF of blood vessels lacking periendothelial cells can be exploited to reduce an existing tumor vasculature.

ABSTRACT Little is known about how the initial endothelial plexus is remodelled into a mature and functioning vascular network. Studying postnatal remodelling of the retina vasculature, we show that a critical step in vascular maturation, namely pericyte recruitment, proceeds by outmigration of cells positive for α-smooth muscle actin from arterioles and that coverage of primary and smaller branches lags many days behind formation of the endothelial plexus. The transient existence of a pericyte-free endothelial plexus coincides temporally and spatially with the process of hyperoxia-induced vascular pruning, which is a mechanism for fine tuning of vascular density according to available oxygen. Acquisition of a pericyte coating marks the end of this plasticity window. To substantiate that association with pericytes stabilizes the vasculature, endothelial-pericyte associations were disrupted by intraocular injection of PDGF-BB. Ectopic PDGF-BB caused the detachment of PDGF-β receptor-positive pericytes from newly coated vessels, presumably through interference with endogenous cues, but had no effect on mature vessels. Disruption of endothelial-pericyte associations resulted in excessive regression of vascular loops and abnormal remodelling. Conversely, intraocular injection of VEGF accelerated pericyte coverage of the preformed endothelial plexus, thereby revealing a novel function of this pleiotropic angiogenic growth factor. These findings also provide a cellular basis for clinical observations that vascular regression in premature neonates subjected to oxygen therapy [i.e. in retinopathy of prematurity] drops precipitously upon maturation of retina vessels and a mechanistic explanation to our previous findings that VEGF can rescue immature vessels from hyperoxia-induced regression.

Adult neovascularization relies on the recruitment of circulating cells, but their angiogenic roles and recruitment mechanisms are unclear. We show that the endothelial growth factor VEGF is sufficient for organ homing of circulating mononuclear myeloid cells and is required for their perivascular positioning and retention. Recruited bone marrow-derived circulating cells (RBCCs) summoned by VEGF serve a function distinct from endothelial progenitor cells. Retention of RBCCs in close proximity to angiogenic vessels is mediated by SDF1, a chemokine induced by VEGF in activated perivascular myofibroblasts. RBCCs enhance in situ proliferation of endothelial cells via secreting proangiogenic activities distinct from locally induced activities. Precluding RBCCs strongly attenuated the proangiogenic response to VEGF and addition of purified RBCCs enhanced angiogenesis in excision wounds. Together, the data suggest a model for VEGF-programmed adult neovascularization highlighting the essential paracrine role of recruited myeloid cells and a role for SDF1 in their perivascular retention.

Perfusion insufficiency, and the resultant hypoxia, often induces a compensatory neovascularization to satisfy the needs of the tissue. We have used multicellular tumor spheroids, simulating avascular microenvironments within a clonal population of glioma tumor cells, in conjunction with in situ analysis of gene expression, to study stress inducibility of candidate angiogenic factors. We show that expression of vascular endothelial growth factor (VEGF) is upregulated in chronically hypoxic niches (inner layers) of the spheroid and that expression is reversed when hypoxia is relieved by hyperoxygenation. Acute glucose deprivation--another consequence of vascular insufficiency--also activates VEGF expression. Notably, glioma cells in two distinct regions of the spheroid upregulated VEGF expression in response to hypoxia and to glucose starvation. Experiments carried out in cell monolayers established that VEGF is independently induced by these two deficiencies. Upon implantation in nude mice, spheroids were efficiently neovascularized. Concomitant with invasion of blood vessels and restoration of normoxia to the spheroid core, VEGF expression was gradually downregulated to a constitutive low level of expression, representing the output of nonstressed glioma cells. These findings show that stress-induced VEGF activity may compound angiogenic activities generated through the tumor "angiogenic switch" and suggest that stress-induced VEGF should be taken into account in any attempt to target tumor angiogenesis.