Tyrosine kinase receptors for angiogenic factors vascular endothelial growth factor (VEGF) and angiopoietin-1 (Ang-1) are expressed not only by endothelial cells but also by subsets of hematopoietic stem cells (HSCs). To further define their role in the regulation of postnatal hematopoiesis and vasculogenesis, VEGF and Ang-1 plasma levels were elevated by injecting recombinant protein or adenoviral vectors expressing soluble VEGF165, matrix-bound VEGF189, or Ang-1 into mice. VEGF165, but not VEGF189, induced a rapid mobilization of HSCs and VEGF receptor (VEGFR)2+ circulating endothelial precursor cells (CEPs). In contrast, Ang-1 induced delayed mobilization of CEPs and HSCs. Combined sustained elevation of Ang-1 and VEGF165 was associated with an induction of hematopoiesis and increased marrow cellularity followed by proliferation of capillaries and expansion of sinusoidal space. Concomitant to this vascular remodeling, there was a transient depletion of hematopoietic activity in the marrow, which was compensated by an increase in mobilization and recruitment of HSCs and CEPs to the spleen resulting in splenomegaly. Neutralizing monoclonal antibody to VEGFR2 completely inhibited VEGF165, but not Ang-1–induced mobilization and splenomegaly. These data suggest that temporal and regional activation of VEGF/VEGFR2 and Ang-1/Tie-2 signaling pathways are critical for mobilization and recruitment of HSCs and CEPs and may play a role in the physiology of postnatal angiogenesis and hematopoiesis.

We tested the hypothesis that intravenous infusion of human bone marrow stromal cells (hMSCs) promotes vascular endothelial growth factor (VEGF) secretion, VEGF receptor 2 (VEGFR2) expression and angiogenesis in the ischemic boundary zone (IBZ) after stroke. hMSCs (1×10 6 ) were intravenously injected into rats 24 hours after middle cerebral artery occlusion (MCAo). Laser scanning confocal microscopy (LSCM), immunohistochemistry and ELISA were performed to assay angiogenesis and levels of human and rat VEGF in the host brain, respectively. In addition, capillary-like tube formation was measured using mouse brain-derived endothelial cells (MBDECs). Morphological and three dimensional image analyses revealed significant ( P <0.05) increases in numbers of enlarged and thin walled blood vessels and numbers of newly formed capillaries at the boundary of the ischemic lesion in rats (n=12) treated with hMSCs compared with numbers in rats (n=12) treated with PBS. ELISA measurements showed that treatment with hMSCs significantly ( P <0.05) raised endogenous rat VEGF levels in the IBZ from 10.5±1.7 ng/mL in the control group to 17.5±1.6 ng/mL in the hMSC-treated group. In addition, treatment with hMSCs increased endogenous VEGFR2 immunoreactivity. In vitro, when MBDECs were incubated with the supernatant obtained from cultured hMSCs, capillary-like tube formation was significantly ( P <0.01) induced. However, hMSC-induced capillary-like tube formation was significantly ( P <0.01) inhibited when the endothelial cells were incubated with the supernatant from hMSCs in the presence of a neutralizing anti-VEGFR2. These data suggest that treatment of stroke with hMSCs enhances angiogenesis in the host brain and hMSC-enhanced angiogenesis is mediated by increases in levels of endogenous rat VEGF and VEGFR2.

The mechanism by which angiogenic factors recruit bone marrow (BM)-derived quiescent endothelial and hematopoietic stem cells (HSCs) is not known. Here, we report that functional vascular endothelial growth factor receptor-1 (VEGFR1) is expressed on human CD34+ and mouse Lin−Sca-1+c-Kit+ BM-repopulating stem cells, conveying signals for recruitment of HSCs and reconstitution of hematopoiesis. Inhibition of VEGFR1, but not VEGFR2, blocked HSC cell cycling, differentiation and hematopoietic recovery after BM suppression, resulting in the demise of the treated mice. Placental growth factor (PlGF), which signals through VEGFR1, restored early and late phases of hematopoiesis following BM suppression. PlGF enhanced early phases of BM recovery directly through rapid chemotaxis of VEGFR1+ BM-repopulating and progenitor cells. The late phase of hematopoietic recovery was driven by PlGF-induced upregulation of matrix metalloproteinase-9, mediating the release of soluble Kit ligand. Thus, PlGF promotes recruitment of VEGFR1+ HSCs from a quiescent to a proliferative BM microenvironment, favoring differentiation, mobilization and reconstitution of hematopoiesis.

The mechanisms through which hematopoietic cytokines accelerate revascularization are unknown. Here, we show that the magnitude of cytokine-mediated release of SDF-1 from platelets and the recruitment of nonendothelial CXCR4+VEGFR1+ hematopoietic progenitors, 'hemangiocytes,' constitute the major determinant of revascularization. Soluble Kit-ligand (sKitL), thrombopoietin (TPO, encoded by Thpo) and, to a lesser extent, erythropoietin (EPO) and granulocyte-macrophage colony-stimulating factor (GM-CSF) induced the release of SDF-1 from platelets, enhancing neovascularization through mobilization of CXCR4+VEGFR1+ hemangiocytes. Although revascularization of ischemic hindlimbs was partially diminished in mice deficient in both GM-CSF and G-CSF (Csf2−/−Csf3−/−), profound impairment in neovascularization was detected in sKitL-deficient Mmp9−/− as well as thrombocytopenic Thpo−/− and TPO receptor–deficient (Mpl−/−) mice. SDF-1–mediated mobilization and incorporation of hemangiocytes into ischemic limbs were impaired in Thpo−/−, Mpl−/− and Mmp9−/− mice. Transplantation of CXCR4+VEGFR1+ hemangiocytes into Mmp9−/− mice restored revascularization, whereas inhibition of CXCR4 abrogated cytokine- and VEGF-A–mediated mobilization of CXCR4+VEGFR1+ cells and suppressed angiogenesis. In conclusion, hematopoietic cytokines, through graded deployment of SDF-1 from platelets, support mobilization and recruitment of CXCR4+VEGFR1+ hemangiocytes, whereas VEGFR1 is essential for their angiogenic competency for augmenting revascularization. Delivery of SDF-1 may be effective in restoring angiogenesis in individuals with vasculopathies.

Myelosuppression damages the bone marrow (BM) vascular niche, but it is unclear how regeneration of bone marrow vessels contributes to engraftment of transplanted hematopoietic stem and progenitor cells (HSPCs) and restoration of hematopoiesis. We found that chemotherapy and sublethal irradiation induced minor regression of BM sinusoidal endothelial cells (SECs), while lethal irradiation induced severe regression of SECs and required BM transplantation (BMT) for regeneration. Within the BM, VEGFR2 expression specifically demarcated a continuous network of arterioles and SECs, with arterioles uniquely expressing Sca1 and SECs uniquely expressing VEGFR3. Conditional deletion of VEGFR2 in adult mice blocked regeneration of SECs in sublethally irradiated animals and prevented hematopoietic reconstitution. Similarly, inhibition of VEGFR2 signaling in lethally irradiated wild-type mice rescued with BMT severely impaired SEC reconstruction and prevented engraftment and reconstitution of HSPCs. Therefore, regeneration of SECs via VEGFR2 signaling is essential for engraftment of HSPCs and restoration of hematopoiesis.

Several hypotheses have been proposed to explain how antiangiogenic drugs enhance the treatment efficacy of cytotoxic chemotherapy, including impairing the ability of chemotherapy-responsive tumors to regrow after therapy. With respect to the latter, we show that certain chemotherapy drugs, e.g., paclitaxel, can rapidly induce proangiogenic bone marrow-derived circulating endothelial progenitor (CEP) mobilization and subsequent tumor homing, whereas others, e.g., gemcitabine, do not. Acute CEP mobilization was mediated, at least in part, by systemic induction of SDF-1α and could be prevented by various procedures such as treatment with anti-VEGFR2 blocking antibodies or paclitaxel treatment in CEP-deficient Id mutant mice, both of which resulted in enhanced antitumor effects mediated by paclitaxel, but not by gemcitabine.