Stickstoffmonoxid (NO) spielt eine wichtige Rolle bei Gefäßremodelling-Prozessen wie Angiogenese und Arteriogenese. Die NO-Synthese im Gefäßsystem wird hauptsächlich durch die endotheliale NO-Synthase (eNOS) gewährleistet. Sie kann durch verschiedene Faktoren wie Scherkräfte und Zytokine wie der vaskuläre endotheliale Wachstumsfaktor (VEGF) reguliert werden. VEGF ist ein wichtiger Stimulator der Angiogenese und wird während dieses Prozesses hochreguliert. Die meisten physiologischen Effekte von NO werden durch die NO-sensitive Guanylyl-Cyclase (NO-GC) vermittelt. Als Hauptrezeptor für NO produziert die NO-GC den sekundären Botenstoff cyklisches Guanosinmonophosphat (cGMP) und führt dadurch zur Stimulation der verschiedenen Effektoren wie z.B. der PKG. Ob die Wirkung von NO in Angiogenese und Arteriogenese ebenfalls durch NO-GC vermittelt wird, war bis zum Beginn dieser Arbeit noch unklar. Die NO-GC besteht aus zwei Untereinheiten (α und ß). Die Deletion der ß1-Untereinheit in Mäusen resultiert in einer vollständigen Knockout Maus (GCKO). Mithilfe des Cre-LoxP-Systems wurden zusätzlich zellspezifische Knockout-Mäuse für glatte Muskelzellen (SMC-GCKO) und Endothelzellen (EC-GCKO) generiert. Um die Rolle der NO-GC in der Angiogenese und Arteriogenese zu untersuchen, wurden drei gut etablierte Methoden benutzt. Im ersten Teil des Projekts sollte die Expression der NO-GC in Endothelzellen untersucht werden. Zu diesem Zweck wurde die reverse Transkriptase-Polymerase-Kettenreaktion (RT-PCR) benutzt. Die Ergebnisse zeigen, dass die NO-GC in Endothelzellen der Lunge nur äußerst gering wenig exprimiert ist. Durch den Aortenring-Assay wurde eine Rolle der NO-GC bei der VEGF-vermittelten Angiogenese festgestellt. Dabei zeigte sich eine stärkere Angiogeneserate bei globaler Abwesenheit der NO-GC. Bei Fehlen der NO-GC ausschließlich in Endothelzellen zeigte sich kein Unterschied in den aussprossenden Aorten im Vergleich zu den Kontroll-Tieren. Dies zeigt, dass die NO-GC in Endothelzellen sehr wahrscheinlich keine Rolle bei der VEGF-vermittelten Angiogenese spielt. Im zweiten Teil wurde die Rolle der NO-GC bei der Angiogenese in einem in vivo-Modell untersucht. In dem Modell der Sauerstoff-induzierten-Retinopathie zeigten die GCKO-Mäuse eine verringerte Vaso-Obliteration, eine verlangsamte Angiogenese und eine erhöhte Tuft-Bildung. Ähnliche Ergebnisse wurden bei den SMC-GCKO-Tieren beobachtet. EC-GCKO-Mäuse zeigten eine gegenüber den Kontroll-Tieren unveränderte Vaso-Obliteration, Angiogeneserate und Tuft-Bildung. Diese Ergebnisse lassen darauf schließen, dass die NO-GC in Endothelzellen keine Rolle spielt. Immunfluoreszenz-Aufnahmen zeigten die Expression von NO-GC in Perizyten der Gefäßkapillaren der Mausretina. Daher könnte die NO-GC in diesem Zelltyp letztendlich für die Effekte bei den GCKO- und SMC-GCKO-Tieren verantwortlich sein. Im letzten Teil dieser Arbeit wurde eine Versuchsreihe unter Anwendung des Hinterlauf-Ischämie-Modells durchgeführt. Hierbei entwickelten die Pfoten aller GCKO- und teilweise der SMC-GCKO-Tiere nach der Ligation der Femoralarterie eine Nekrose. Die Regeneration der Hinterläufe der EC-GCKO-Tiere nach der Operation verlief normal. Diese Ergebnisse schließen eine bedeutende Rolle der NO-GC in Endothelzellen aus, zeigen allerdings, dass die NO-GC in den glatten Muskelzellen essentiell für den Arteriogenese-Prozess ist. Zusammengefasst führt die Deletion der NO-GC in glatten Muskelzellen und wahrscheinlich auch in Perizyten zur einer verlangsamten Angiogenese und Inhibierung der Arteriogenese. / Nitric oxide (NO) plays an important role in vascular remodelling processes such as angiogenesis and arteriogenesis. The synthesis of NO in the vascular system is ensured mainly by endothelial NO synthase (eNOS). It can be regulated by a number of factors, such as shear stress and cytokines like the vascular endothelial growth factor (VEGF). VEGF is an important stimulator of angiogenesis and is upregulated during this process. Most of the physiological effects of NO are mediated by the NO-sensitive guanylyl cyclase (NO-GC). As the main receptor for NO, NO-GC produces the second messenger cyclic guanosine monophosphate (cGMP) and thereby leads to a variety of physiological effects. However, whether the effects of NO in angiogenesis and arteriogenesis are also mediated by NO-GC is still unclear. NO-GC consists of two subunits (α and ß). The deletion of the ß1 subunit in mice results in a global knockout mouse (GCKO). Using the Cre-LoxP system we also generated smooth muscle cell-specific (SMC GCKO) and endothelial cell-specific knockout mice (EC GCKO). To investigate the role of NO-GC in angiogenesis and arteriogenesis, three well-established methods have been used. In the first part of the project, the expression of the NO-GC in endothelial cells should be investigated. By using the reverse transcription polymerase chain reaction method (RT-PCR), the results show a very weak expression of the NO-GC in endothelial cells of the lung. A role for NO-GC in the VEGF-mediated angiogenesis was ascertained by the aortic ring assay. The results show an increased angiogenesis in the global absence of NO-GC. However, the EC-GCKO shows no difference compared to control mice. This indicates that NO-GC in endothelial cells is unlikely to play a major role in VEGF-mediated angiogenesis. In the second part of the project, the role of NO-GC in angiogenesis was investigated in an in vivo model. In the oxygen induced-retinopathy model (OIR), GCKO mice showed reduced vaso-obliteration, slowed angiogenesis and increased tuft formation. Similar results were observed in the SMC-GCKO animals. In contrast, EC-GCKO mice showed vaso-obliteration as well as angiogenesis rate and tuft formation similar to those seen in control animals. The results of this experiment suggest that NO-GC in endothelial cells is not involved in vaso-obliteration, physiological angiogenesis and tuft formation. Immunhistochemical analyses showed the expression of NO-GC in pericytes of the vascular capillaries of the mouse retina. Therefore, NO-GC in this cell type could be responsible for the effects in GCKO- and SMC-GCKO animals. In the last part of this thesis, hindlimb-ischemia experiments were performed. For this purpose, the paws of all GCKO- and some SMC-GCKO animals showed necrosis after ligation of the femoral artery. The regeneration of legs from EC-GCKO animals after the operation was normal. These results exclude a major role of NO-GC in endothelial cells, but show that NO-GC in smooth muscle cells is essential in the arteriogenesis process. In summary, the deletion of NO-GC in smooth muscle cells and probably also in pericytes leads to a slowed angiogenesis and inhibits arteriogenesis.

Arteriogenese bezeichnet das adaptive Wachstum von präexistenten kollateralen Arterien. Im Falle eines Arterienverschlusses ist Arteriogenese der endogen effizienteste Kompensationsmechanismus, um das Hypoperfusionsgebiet mit ausreichend Blut zu versorgen (Biologischer Bypasses). In dieser Arbeit wurde das frühe Wachstum von Kollateralgefäßen im Gehirn im ersten Modell für zerebrale Arteriogenese, dem 3-VO Modell (3-vessel occlusion), in der Ratte charakterisiert. (I) Die Untersuchung am nicht-ischämischen 3-VO Hypoperfusionsmodell zeigten, dass 7 Tage nach 3-VO die Arteria cerebri posterior (PCA) signifikant im Diameter anwächst. Histologische Untersuchungen konnten ein vermehrtes Zellwachstum in der PCA und das Einwandern von Makrophagen in den perivaskulären Bereich (24 Stunden und 3 Tage post 3-VO) darstellen und eine Aktivierung des Endothels 3 Tage nach 3-VO wurde mittels Rasterelektronenmikroskopie identifizieren. (II) Für eine genaue Anaylse des globalen Genexpressionsprofils der zerebralen Arteriogense wurde die wachsende PCA selektiv aus dem Gehirn entnommen und ein Genexpressionsprofil für die frühe zerebrale Arteriogenese erstellt (164 Gene dereguliert). Eine Unteruschung von biologischen und molekularen Prozessen zeigte, dass eine Vielzahl der deregulierten Gene in Zellproliferation und Inflammation involviert sind. Die Expression der Protease-Inhibitoren Kininogen und TIMP-1 wurde als “Marker” der frühen Arteriogenese in der PCA lokalisiert werden. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit erstmals eine Übersicht der biologischen Prozesse in der zerebralen Arteriogenese und eröffnet neue Ideen für eine mögliche therapeutische Strategie. / Arteriogenesis, the adaptive outward growth of pre-existing collateral arteries, is the most efficient endogenous rescue mechanisms in vertebrates against the occlusion of a major artery (biological bypass). Here, collateral growth was induced using the first model for cerebral arteriogenesis, the 3-vessel occlusion (3-VO) rat model. (I) 3-VO resulted in a significant diameter increase within 7 days in the posterior cerebral artery (PCA) and posterior communicating artery (Pcom), classifying the region of interest. Immunhistological staining demonstrated proliferative activation and macrophage invasion, already 24h post 3-VO within the PCA, confirming the arteriogenic phenotype. Furthermore, activation of the PCA endothelium was detected within 3 days post 3-VO by scanning electron microscopy. (II) For analysing the molecular mechanism of cerebral arteriogenesis, collateral tissue from the growing PCA was selectively isolated. Here, 24h post 3-VO 164 genes were detected to be significantly deregulated. Analysis of molecular annotations and networks associated with differentially expressed genes revealed that expression patterns contain gene transcripts predominantly involved in proliferation, inflammation, and migration. Early-phase cerebral arteriogenesis is characterized by protease inhibitor expression and showed that protease inhibitors TIMP-1 and kininogen are molecular markers of early-phase cerebral arteriogenesis. In summary, this work characterizes morphological features and genomic profiles of growing collaterals in the brain and develops novel ideas for a therapeutic stimulation of arteriogenesis.