Molecular mediators linking stroke and carotid artery disease

Carotid artery disease is the most prevalent etiologic precursor of ischemic stroke, which is a major health hazard and the second most common cause of death in the world. If a patient presents with a symptomatic high-grade (>70%) stenosis in the internal carotid artery, the treatment of choice is carotid endarterectomy. However, the natural course of radiologically equivalent carotid lesions may be clinically quite diverse, and the reason for that is unknown. It would be of utmost importance to develop molecular markers that predict the symptomatic phenotype of an atherosclerotic carotid plaque (CP) and help to differentiate vulnerable lesions from stable ones. The aim of this study was to investigate the morphologic and molecular factors that associate with stroke-prone CPs. In addition to immunohistochemistry, DNA microarrays were utilized to identify molecular markers that would differentiate between symptomatic and asymptomatic CPs. Endothelial adhesion molecule expression (ICAM-1, VCAM-1, P-selectin, and E-selectin) did not differ between symptomatic and asymptomatic patients. Denudation of endothelial cells was associated with symptom-generating carotid lesions, but in studies on the mechanism of decay of endothelial cells, markers of apoptosis (TUNEL, activated caspase 3) were found to be decreased in the endothelium of symptomatic lesions. Furthermore, markers of endothelial apoptosis were directly associated with those of cell proliferation (Ki-67) in all plaques. FasL expression was significantly increased on the endothelium of symptomatic CPs. DNA microarray analysis revealed prominent induction of specific genes in symptomatic CPs, including those subserving iron and heme metabolism, namely HO-1, and hemoglobin scavenger receptor CD163. HO-1 and CD163 proteins were also increased in symptomatic CPs and associated with intraplaque iron deposits, which, however, did not correlate with symptom status itself. ADRP, the gene for adipophilin, was also overexpressed in symptomatic CPs. Adipophilin expression was markedly increased in ulcerated CPs and colocalized with extravasated red blood cells and cholesterol crystals. Taken together, the phenotypic characteristics and the numerous possible molecular mediators of the destabilization of carotid plaques provide potential platforms for future research. The denudation of the endothelial lining observed in symptomatic CPs may lead to direct thromboembolism and maintain harmful oxidative and inflammatory processes, predispose to plaque microhemorrhages, and contribute to lipid accumulation into the plaque, thereby making it vulnerable to rupture.

Valtimonkovetustaudin aiheuttama ahtauma kaulavaltimossa, on yksi tärkeimmistä aivoverenkiertohäiriön aiheuttajista. Aivojen paikallisesta hapenpuutteesta johtuva halvausoire, aivoverenkiertohäiriö (AH), on toiseksi yleisin kuolinsyy maailmassa. Paras ennaltaehkäisevä hoito on kirurginen ahtauman poistaminen kaulavaltimosta, jos potilaalla todetaan vahva-asteinen (>70%) oireinen ahtauma kaulavaltimossaan. Röntgentutkimuksissa havaitut samanasteiset kaulavaltimoahtaumat (KVA) eivät kuitenkaan käyttädy samalla tavoin; toiset aiheuttavat AH:tä ja toiset eivät, ja syytä tälle ei tiedetä. Olisi tärkeää pystyä kehittämään molekulaarisia markkereita, jotka voisivat ennakoida KVA:n mahdollista oireilua, ja näinollen pystyä erottamaan rauhalliset ahtaumat niistä, jotka todennäköisesti aiheuttavat AH:n. Tämän tutkimuksen tarkoitus oli tutkia niitä ahtauman rakenteellisia ja molekulaarisia tekijöitä, jotka liittyvät oireiden ilmenemiseen. Sen lisäksi, että pyrimme tunnistamaan näitä tekijöitä immunohistokemiallisilla menetelmillä, käytimme myös DNA mikrosiruja, pystyäksemme löytämään eroja oireisten ja oireettomien KVA:n välillä. Adheesiomolekyylien (ICAM-1, VCAM-1, P-selektiini ja E-selektiini) ilmeneminen oli samanlaista sekä oireisissa että oireettomissa ahtaumissa. Havaitsimme, että oireisissa KVA:issa oli enemmän endoteelisolukerroksen irtoamista. Tutkittaessa endoteelisolujen ohjelmoitua solukuolemaa (apoptoosia), havaitsimme sitä olevan vähemmän oireisissa KVA:issa. Lisäksi apoptoosimarkkerien ilmenemisellä oli suora yhteys solun lisääntymisestä kertoviin markkereihin. Fas ligandin (yksi tärkeimmistä solun apoptoosia laukaisevista tekijöistä) ilmeneminen oli lisääntynyt oireisten KVA:n endoteelilla. DNA mikrosiruanalyysit paljastivat oireisissa KVA:issa merkittävän geeni-induktion mm. raudan ja hemin aineenvaihduntaan liittyvien geenien (HO-1 ja CD163) kohdalla. Myös HO-1 ja CD163 geenien proteiinituotteet olivat lisääntyneet oireisissa KVA:ssa, ja assosioituivat vapaan raudan määrään. ADRP, adipofiliinin geeni, oli yli-ilmentynyt oireisissa KVA:issa. Adipofiliinin ilmeneminen oli suurempaa oireissa KVA:issa, ja adipofiliinia oli havaittavissa samoilla alueilla kolesterolikiteiden ja suonen seinämään purkautuneiden punasolujen kanssa. Tämä tutkimus paljasti, että AH:tä aiheuttavien ja hiljaisten, oireita aiheuttamattomien KVA:ien välillä on eroja mm. ahtauman pinnan endoteelisolukerroksen eheydessä, ja raudan ja hemin aineenvaihduntaan, sekä rasva-aineenvaihduntaan liittyvissä tekijöissä. Endoteelin puuttuminen voi johtaa suoraan hyytymän syntymiseen valtimon pinnalla ja sen kulkeutumiseen aivoihin, tai toisaalta rasva-aineiden pääsyyn valtimon seinämän sisälle kasvattaen ahtauman sisäistä rasvaydintä ja aiheuttaen haitallisia hapettumisprosesseja altistaen edelleen KVA:aa sisäisille mikroverenvuodoille. Viimeksimainitut tapahtumasarjat tekevät KVA:sta repeytymisherkän johtaen potilaan oirehtimiseen. Lisätutkimuksia vaaditaan vielä, jotta em. tekijöiden tarkempi osuus KVA:n muuntumisessa epävakaaksi saadaan selvitettyä, ja mahdollisesti KVA:n vakauttamiseen johtavia hoitoja tulevaisuudessa kehitettyä.