Normal adults have a small number of circulating endothelial cells (CEC) in peripheral blood, and endothelial outgrowth has been observed from cultures of blood. In this study we seek insight into the origins of CEC and endothelial outgrowth from cultures of blood. Fluorescence in situ hybridization analysis of blood samples from bone marrow transplant recipients who had received gender-mismatched transplants 5–20 months earlier showed that most CEC in fresh blood had recipient genotype. Endothelial outgrowth from the same blood samples after 9 days in culture (5-fold expansion) was still predominantly of the recipient genotype. In contrast, endothelial outgrowth after ∼1 month (102-fold expansion) was mostly of donor genotype. Thus, recipient-genotype endothelial cells expanded only ∼20-fold over this period, whereas donor-genotype endothelial cells expanded ∼1000-fold. These data suggest that most CEC in fresh blood originate from vessel walls and have limited growth capability. Conversely, the data indicate that outgrowth of endothelial cells from cultures of blood is mostly derived from transplantable marrow-derived cells. Because these cells have more delayed outgrowth but a greater proliferative rate, our data suggest that they are derived from circulating angioblasts.

The vascular wall participates in the pathogenesis of sickle cell disease. To determine whether the endothelium is activated in this disease, we studied the number, origin, and surface phenotype of circulating endothelial cells in patients with sickle cell anemia.

Key Points Heme, released from hemoglobin, elicits vaso-occlusion in transgenic sickle mice via endothelial TLR4 signaling. Heme/TLR4 signaling activates NF-κB and triggers vaso-occlusion through Weibel-Palade body degranulation and adhesion molecule expression.

We studied 33 patients with sickle-cell anemia to examine the possible relation between the severity of their disease (frequency of microvascular occlusions) and the abnormal adherence of sickle erythrocytes to cultured human endothelium. Neither clinical severity nor erythrocyte adherence correlates significantly with red-cell indexes, hemoglobin concentration, percentage of irreversibly sickled red cells, level of fetal hemoglobin, or reticulocyte count. However, clinical severity and erythrocyte adherence are strongly correlated (rank correlation coefficient = +0.666; P less than 0.001). These findings are consistent with the hypothesis that abnormal interactions between erythrocytes and endothelium may be the initiating factor in the development of microvascular occlusions in sickle-cell anemia.

Abstract Blood microparticles (MPs) in sickle cell disease (SCD) are reportedly derived only from erythrocytes and platelets. Yet in SCD, endothelial cells and monocytes are activated and abnormally express tissue factor (TF). Thus, sickle blood might contain TF-positive MPs derived from these cells. With the use of flow cytometry to enumerate and characterize MPs, we found total MPs to be elevated in crisis (P = .0001) and steady state (P = .02) in subjects with sickle cell disease versus control subjects. These MPs were derived from erythrocytes, platelets, monocytes, and endothelial cells. Erythrocyte-derived MPs were elevated in sickle crisis (P = .0001) and steady state (P = .02) versus control subjects, as were monocyte-derived MPs (P = .0004 and P = .009, respectively). Endothelial and platelet-derived MPs were elevated in sickle crisis versus control subjects. Total TF-positive MPs were elevated in sickle crisis versus steady state (P = .004) and control subjects (P < .0001) and were derived from both monocytes and endothelial cells. Sickle MPs shortened plasma-clotting time compared with control MPs, and a TF antibody partially inhibited this procoagulant activity. Markers of coagulation were elevated in patients with sickle cell disease versus control subjects and correlated with total MPs and TF-positive MPs (P < .01 for both). These data support the concept that SCD is an inflammatory state with monocyte and endothelial activation and abnormal TF activity. (Blood. 2003;102:2678-2683)

Since the various membrane abnormalities of sickle erythrocytes might result from excessive accumulation of oxidant damage, we have measured the generation of superoxide, peroxide, and hydroxyl radical by normal and sickle erythrocytes using assays involving reduction of cytochrome c, aminotriazole inhibition of catalase, and methane evolution from dimethyl sulfoxide, respectively. Compared with normal erythrocytes, sickle erythrocytes spontaneously generate approximately twice as much superoxide, peroxide, and hydroxyl radical. One possible source of hydroxyl radical generation was identified as hemichrome, excessive amounts of which are bound to sickle erythrocyte membranes. Hemichrome did not generate hydroxyl radical when exposed to superoxide alone or peroxide alone. However, in the presence of both superoxide and peroxide, hemichrome greatly facilitated hydroxyl radical generation. Supporting this, normal erythrocyte membranes induced to acquire sickle hemichrome concomitantly acquired an enhanced ability to mediate hydroxyl radical generation. Finally, sickle erythrocyte membranes greatly enhanced superoxide/peroxide-driven hydroxyl radical generation as compared with normal erythrocyte membranes. These data suggest that an excessive accumulation of oxidant damage in sickle erythrocyte membranes might contribute to the accelerated membrane senescence of these cells. They further indicate that accumulation of oxidant damage could be a determinant of normal erythrocyte membrane senescence.

The abnormal shape and poor deformability of the sickled erythrocyte (RBC) have generally been held responsible for the microvascular occlusions of sickle cell disease. However, there is no correlation between the clinical severity of this disease and the presence of sickled RBC. In searching for additional factors that might contribute to the pathophysiology of sickle cell disease, we have investigated the possibility that sickle RBC might be less than normally repulsive of the vascular endothelium. After RBC suspensions are allowed to settle onto plates of cultured human endothelial cells, normal RBC are completely removed by as few as six washes. In contrast, sickle RBC remain adherent despite multiple washes. On subconfluent culture plates, normal RBC are distributed randomly, whereas sickle RBC cluster around endothelial cells. Sickle RBC adherence is not enhanced by deoxygenation but does increase with increasing RBC density. The enzymatic removal of membrane sialic acid greatly diminishes the adherence of sickle RBC to endothelial cells, suggesting that sialic acid participates in this abnormal cell-cell interaction. Although net negative charge appears normal, sickle RBC mainfest an abnormal clumping of negative surface charge as demonstrated by localization of cationized ferritin. These abnormalities are reproduced in normal RBC loaded with nonechinocytogenic amounts of calcium. We conclude that sickle RBC adhere to vascular endothelial cells in vitro, perhaps caused by a calcium-induced aberration of membrane topography. This adherence may be a pathogenetic factor in the microvascular occlusions characteristic of sickle cell disease.

In sickle cell anemia, the initiation, progression, and resolution of a vasoocclusive episode may present features of ischemia-reperfusion injury, with recurrent episodes of ischemia/hypoxia and reoxygenation promoting inflammation. Here, we have tested the hypothesis that hypoxia/reoxygenation triggers inflammation in the transgenic sickle mouse. In these mice, even at ambient air, peripheral leukocyte counts are elevated by 1.7-fold and neutrophil counts by almost 3-fold. Two hours of hypoxia, followed by reoxygenation, induced a greater than normal rolling flux and adhesion of leukocytes in these mice, but no leukocyte extravasation. When 3 hours of hypoxia was followed by reoxygenation, sickle mice, but not normal mice, showed a distinct inflammatory response characterized by an increased number of adherent and emigrated leukocytes. Because these events, which are exaggerated in sickle mice, are not seen in response to hypoxia alone, we conclude that they represent a form of reperfusion injury. Studies using an H2O2-sensitive probe revealed clear evidence of oxidant production in vascular endothelial cells after hypoxia/reoxygenation in sickle mice. Infusion of an anti–P-selectin antibody, but not an anti–E-selectin antibody, completely inhibited this inflammatory response and significantly increased wall shear rates. These findings suggest that leukocyte-endothelium interaction contribute to vasoocclusive events in the sickle mice and perhaps in human sickle disease.

Cell-derived microparticles (MPs) are receiving increasing attention in recent years, both as a diagnostic aid and investigative tool [1-4]. Because they carry markers of the parent cell, including those induced by activation or apoptosis, endothelial MPs (EMPs) can provide valuable information on the status of the parent cell, obtainable in no other way. In addition, there is a growing belief that MPs can function as important diffusible vectors of specific adhesins and cytokines promoting cellular interactions and signal transmission [2]. Thus MP analysis constitutes a new avenue for investigation of pathologies in various diseases. Although still considered investigational [1-4], recent results from several laboratories suggest that MP analysis may be poised to enter the mainstream of clinical testing. However, a major impediment to that end is the wide variety of methodologies used by different laboratories in this field, few of which can be directly compared to the others, and results from which are sometimes inconsistent or conflicting. As a first step in addressing that problem, the Editor has organized this Forum article, consisting of a brief description of the preferred methods and rationality from each of six active laboratories in the field, including our own [5-10]. Table 1 lists some key features of the six methodological approaches. It is seen that major differences exist in the preparation of the MP samples (such as centrifugation), whether or not they are first sedimented and resuspended, means of generic MP detection (4 of 6 use annexin V), and cell lineage-specific antigenic markers. These differences probably account for some of the different findings among the groups.

A single amino acid substitution in hemoglobin comprises the molecular basis for sickle cell anemia, but evolution of the corresponding clinical disease is extraordinarily complicated and likely involves multiple pathogenic factors. Sickle disease is fundamentally an inflammatory state, with activation of the endothelium, probably through proximate effects of reperfusion injury physiology and chronic molestation by adherent red cells and white cells. The disease also involves enhanced angiogenic propensity, activation of coagulation, disordered vasoregulation, and a component of chronic vasculopathy. Sickle cell anemia is truly an endothelial disease, and it is likely that genetic differences in endothelial function help govern its astonishing phenotypic diversity.