New molecular strategies for prevention of fibroproliferative vascular disease : An experimental approach to restenosis

Vascular intimal hyperplasia is a major complication following angioplasty. The hallmark feature of this disorder is accumulation of dedifferentiated smooth muscle cells (SMCs) to the luminal side of the injured artery, cellular proliferation, migration, and synthesis of extracellular matrix. This finally results in intimal hyperplasia, which is currently considered an untreatable condition. According to current knowledge, a major part of neointimal cells derive from circulating precursor cells. This has outdated the traditional in vitro cell culture methods of studying neointimal cell migration and proliferation using cultured medial SMCs. Somatostatin and some of its analogs with different selectivity for the five somatostatin receptors (sst1 through sst5) have been shown to have vasculoprotective properties in animal studies. However, clinical trials using analogs selective for sst2/sst3/sst5 to prevent restenosis after percutaneous transluminal coronary angioplasty (PTCA) have failed to show any major benefits. Sirolimus is a cell cycle inhibitor that has been suggested to act synergistically with the protein-tyrosine kinase inhibitor imatinib to inhibit intimal hyperplasia in rat already at well-tolerated submaximal oral doses. The mechanisms behind this synergy and its long-term efficacy are not known. The aim of this study was to set up an ex vivo vascular explant culture model to measure neointimal cell activity without excluding the participation of circulating progenitor cells. Furthermore, two novel potential vasculoprotective treatment strategies were evaluated in detail in rat models of intimal hyperplasia and in the ex vivo explant model: sst1/sst4-selective somatostatin receptor analogs and combination treatment with sirolimus and imatinib. This study shows how whole vessel explants can be used to study the kinetics of neointimal cells and their progenitors, and to evaluate the anti-migratory and anti-proliferative properties of potential vasculoprotective compounds. It also shows how the influx of neointimal progenitor cells occurs already during the first days after vascular injury, how the contribution of cell migration is more important in the injury response than cell proliferation, and how the adventitia actively contribute in vascular repair. The vasculoprotective effect of somatostatin is mediated preferentially through sst4, and through inhibition of cell migration rather than of proliferation, which may explain why sst2/sst3/sst5-selective analogs have failed in clinical trials. Furthermore, a brief early oral treatment with the combination of sirolimus and imatinib at submaximal doses results in long-term synergistic suppression of intimal hyperplasia. The synergy is a result of inhibition of post-operative thrombocytosis and leukocytosis, inhibition of neointimal cell migration to the injury-site, and maintenance of cell integrity by inhibition of apoptosis and SMC dedifferentiation. In conclusion, the influx of progenitor cells already during the first days after injury and the high neointimal cell migratory activity underlines the importance of early therapeutic intervention with anti-migratory compounds to prevent neointimal hyperplasia. Sst4-selective analogs and the combination therapy with sirolimus and imatinib represent potential targets for the development of such vasculoprotective therapies.

Verisuoniahtauman pallolaajennuksen jälkeen jopa 30-50% laajennetuista suonista ahtautuu uudelleen 3-6 kuukauden sisällä erilaistumattomien sileälihassolujen kerääntyessä verisuonen sisäpinnalle. Viime aikoina julkaistu tutkimustieto osoittaa näiden solujen olevan ainakin osittain peräisin verenkierron kantasoluista, mikä on luonut uusia haasteita restenoosin tutkimukselle, koska sileälihassolujen käyttäytymistä on perinteisesti tutkittu valtimon keskikerroksesta peräisin olevien sileälihassoluviljelmien avulla. Somatostatiinilla ja somatostatiinireseptoreiden (sst1-sst5) kautta vaikuttavilla lääkeaineilla on myönteisiä verisuonivaikutuksia. Kliinisissä kokeissa sst2/sst3/sst5 -selektiiviset lääkeaineet oktreotidi ja lanreotidi eivät kuitenkaan pystyneet merkittävästi estämään restenoosia sepelvaltimoiden pallolaajennuksen jälkeen. Sirolimuusi on solusyklin estäjä, jonka on ehdotettu estävän restenoosia synergistisesti tyrosiinikinaasi-estäjä imatinibin kanssa jo hyvin siedetyillä matalilla annoksilla. Synergian taustoja tai pitkäaikaistehoa ei kuitenkaan tunneta. Väitöskirjatyössä kehitettiin ex vivo kudosviljelymenetelmä, jolla voitiin tutkia verisuonen uudelleenahtaumaan osallistuvien solujen toimintaa sulkematta pois kantasolujen vaikutusta prosessissa. Työssä havaittiin, että restenoosiin osallistuvat solut hakeutuivat verisuoneen heti ensimmäisinä verisuonivaurion jälkeisinä päivinä, ja että solujen migraatio verisuonen seinämässä oli korjausprosessin kannalta solujen jakautumista tärkeämpää. Väitöskirjatyössä selvitettiin lisäksi somatostatiinipohjaisten lääkeaineiden ja sirolimuus-imatinibi -yhdistelmähoidon verisuonivaikutuksia rottamallin ja kudosviljelymenetelmän avulla. Somatostatiinianalogeista sst1/sst4 -selektiivinen CH275 esti restenoosia merkittävästi sst2/sst3/sst5 -selektiivisiä analogeja tehokkaammin. Reseptoriselektiivisten lääkeaineiden avulla osoitettiin somatostatiinin verisuonia suojaavan vaikutuksen välittyvän erityisesti sst4:n kautta. Tämä tapahtui pääosin estämällä solujen migraatiota, ei niinkään solujen jakautumista. Väitöskirjatyössä osoitettiin myös, että oikein ajoitettu sirolimuusin ja imatinibin yhdistelmähoito säilytti tehonsa myös pitkäaikaisseurannassa. Yhdistelmähoidon vaikutus perustui sileälihassolujen vaeltamisen ja ohjatun solukuoleman estoon, sekä erilaistumisasteen ylläpitämiseen. Väitöskirjatyön tulosten perusteella restenoosia on yritettävä hoitaa solujen vaeltamista estävillä lääkeaineilla välittömästi verisuonivaurion jälkeen. Sekä sst4 selektiiviset lääkeaineet että sirolimuusin ja imatinibin yhdistelmä ovat varteenotettavia vaihtoehtoja tämänkaltaisten verisuoniselektiivisten lääkeaineiden kehittelyssä.