The role of EphB6 and ephrinbs in blood pressure regulation

L’hypertension artérielle est le facteur de risque le plus important dans les maladies cardiovasculaires (MCV) et les accidents vasculaires cérébraux (AVC). L’hypertension artérielle essentielle est une maladie complexe, multifactorielle et polygénique. Même si on a identifié de nombreux facteurs de risque de l’hypertension artérielle, on ne comprend pas encore clairement les mécanismes qui la régissent. Les kinases hépatocytes produisant l’érythropoïétine (Eph) constituent la plus grande famille des récepteurs tyrosine kinase qui se lient à des ligands de surface cellulaire appelés éphrines sur les cellules avoisinantes. On sait que les interactions de Eph et des éphrines sont essentielles aussi bien dans les processus de développement que dans le fonctionnement des organes et des tissus adultes. Cependant on n’a pas encore étudié la relation entre Eph/éphrines et l’hypertension artérielle. Nous avons créé des modèles de souris knockout (K.O.) Ephb6-/-, Efnb1-/- et Efnb3-/- pour cette étude. Dans le modèle EphB6-/-, nous avons observé que les souris K.O. Ephb6 castrées, mais pas les femelles, ainsi que les souris mâles non castrées présentaient une tension artérielle élevée (TA) par rapport à leurs homologues de type sauvage (TS). Ceci suggère que Ephb6 doit agir de concert avec l’hormone sexuelle mâle pour réguler la TA. Les petites artères des mâles castrés Ephb6-/- présentaient une augmentation de la contractilité, une activation de RhoA et une phosphorylation constitutive de la chaîne légère de la myosine (CLM) lorsque comparées à celles de leurs homologues TS. Ces deux derniers résultats indiquent que la phosphorylation de CLM et de RhoA passe par la voie de signalisation de Ephb6 dans les cellules du muscle lisse de la paroi vasculaire (CMLV). Nous avons démontré que la réticulation de Efnbs mais non celle de Ephb6 aboutit à une réduction de la contractilité des CMLV. Ceci montre que l’effet de Ephb6 passe par la signalisation inversée à travers Efnb. Dans le modèle Efnb1-/- conditionnel spécifique au muscle lisse, nous n’avons observé aucune différence entre Efnb1-/- et les souris de TS concernant la mesure de la TA dans des conditions normales. Cependant, la TA des souris K.O. Efnb1 lors d’un stress d’immobilisation est supérieure à celle des souris de TS. Dans les petites artères des souris K.O. Efnb1, le rétrécissement et la phosphorylation de CLM étaient élevés. In vitro, la contractilité et l’activation RhoA de la CMLV des souris TS étaient augmentées quand leur Efnb1 était réticulé. Ces résultats corroborent ceux des souris KO Ephb6 et prouvent que l’effet de Ephb6 dans le contrôle de la TA se produit au moins par l’intermédiaire d’un de ses ligands Efnb1 dans les CMLV. Dans le modèle Efnb3-/-, on a observé une augmentation de la TA et du rétrécissement des vaisseaux chez les femelles Efnb3-/-, mais non chez les mâles; l’échographie a aussi révélé une résistance accrue au débit sanguin des souris K.O. femelles. Cependant la mutation de Efnb3 ne modifie pas la phosphorylation de la CLM ou l’activation de RhoA in vivo. Dans l’expérience in vitro, les CMLV des souris femelles Efnb3-/- ont présenté une augmentation de la contractilité mais pas celle des souris mâles Efnb3-/-. La réticulation des CMLV chez les mâles ou les femelles de TS avec solide anti-Efnb3 Ab peut réduire leur contractilité. Notre étude est la première à évaluer le rôle de Eph/éphrines dans la régulation de la TA. Elle montre que les signalisations Eph/éphrines sont impliquées dans le contrôle de la TA. La signalisation inverse est principalement responsable du phénotype élevé de la TA. Bien que les Efnb1, Efnb3 appartiennent à la même famille, leur fonction et leur efficacité dans la régulation de la TA pourraient être différentes. La découverte de Eph/Efnb nous permet d’explorer plus avant les mécanismes qui gouvernent la TA.

Étude de la perfusion cérébrale régionale dans le trouble comportemental en sommeil paradoxal

Le trouble comportemental en sommeil paradoxal (TCSP) se caractérise par une perte de l’atonie musculaire en sommeil paradoxal et par des manifestations motrices élaborées souvent associées au contenu onirique. Le TCSP peut apparaître sous une forme idiopathique (TCSPi), mais il est fréquemment lié à certains désordres neurodégénératifs, dont les synucléinopathies. Des marqueurs biologiques des synucléinopathies, tels que la présence d’anomalies au plan de la motricité, de la détection des odeurs ainsi que de la discrimination des couleurs, ont été retrouvés dans le TCSPi. De plus, des perturbations de l’activité cérébrale en neuroimagerie ainsi que du fonctionnement cognitif ont été observées chez ces patients. Des études ont démontré que le TCSPi pouvait précéder l’apparition d’une maladie de Parkinson (MP) ou d’une démence à corps de Lewy (DCL). Ceci suggère que le TCSPi représenterait un facteur de risque des synucléinopathies. L’objectif principal du présent projet est d’étudier les anomalies du débit sanguin cérébral régional (DSCr) de repos avec la tomographie par émission monophotonique (TEM) dans le TCSPi. Deux études ont été réalisées. La première visait à comparer le DSCr entre des patients avec un TCSPi et des sujets sains, puis d’explorer la relation entre l’activité cérébrale et la présence de marqueurs biologiques des synucléinopathies. Les résultats ont montré une diminution de la perfusion cérébrale dans les régions frontales et pariétales ainsi qu’une augmentation de la perfusion au niveau du pont, du putamen et des hippocampes chez les patients avec un TCSPi. Une relation significative entre la performance des sujets avec un TCSPi à une épreuve de discrimination des couleurs et la perfusion cérébrale au niveau des régions frontales et occipitales a été mise en évidence. Dans l’ensemble, ces résultats ont démontré des anomalies du DSCr chez les patients avec un TCSPi qui sont similaires à celles observées par d’autres études en neuroimagerie dans la MP. Ceci suggère des atteintes neuroanatomiques semblables entre ces pathologies. La seconde étude en TEM a été effectuée dans le but d’examiner les modifications du DSCr associées aux perturbations du fonctionnement cognitif dans le TCSPi. Pour ce faire, le DSCr a été comparé entre un sous-groupe de patients avec un TCSPi et un trouble cognitif léger (TCL), un sous-groupe de patients avec un TCSPi sans TCL et un groupe de sujets sains. Les résultats ont montré que seuls les patients avec un TCSPi et un TCL présentaient une diminution de la perfusion cérébrale dans les aires corticales postérieures (occipitales et temporo-pariétales). Ces observations sont similaires à celles rapportées dans la MP avec démence et la DCL dans les études en neuroimagerie. En conclusion, les résultats de ces deux études ont montré des perturbations du DSCr dans le TCSPi, similaires à celles observées dans les synucléinopathies. Par ailleurs, nos résultats ont mis en évidence que les patients avec un TCSPi et un TCL présentaient les mêmes anomalies de la perfusion cérébrale que les patients avec une MP avec démence et/ou une DCL. La présence de tels marqueurs des synucléinopathies dans le TCSPi suggère que ces patients pourraient être plus à risque d’évoluer vers ce type de maladie neurodégénérative.

Vector flow mapping using plane wave ultrasound imaging

Les diagnostics cliniques des maladies cardio-vasculaires sont principalement effectués à l’aide d’échographies Doppler-couleur malgré ses restrictions : mesures de vélocité dépendantes de l’angle ainsi qu’une fréquence d’images plus faible à cause de focalisation traditionnelle. Deux études, utilisant des approches différentes, adressent ces restrictions en utilisant l’imagerie à onde-plane, post-traitée avec des méthodes de délai et sommation et d’autocorrélation. L’objectif de la présente étude est de ré-implémenté ces méthodes pour analyser certains paramètres qui affecte la précision des estimations de la vélocité du flux sanguin en utilisant le Doppler vectoriel 2D. À l’aide d’expériences in vitro sur des flux paraboliques stationnaires effectuées avec un système Verasonics, l’impact de quatre paramètres sur la précision de la cartographie a été évalué : le nombre d’inclinaisons par orientation, la longueur d’ensemble pour les images à orientation unique, le nombre de cycles par pulsation, ainsi que l’angle de l’orientation pour différents flux. Les valeurs optimales sont de 7 inclinaisons par orientation, une orientation de ±15° avec 6 cycles par pulsation. La précision de la reconstruction est comparable à l’échographie Doppler conventionnelle, tout en ayant une fréquence d’image 10 à 20 fois supérieure, permettant une meilleure caractérisation des transitions rapides qui requiert une résolution temporelle élevée.

A dynamic model of neurovascular coupling: Implications for blood vessel dilation and constriction

Neurovascular coupling in response to stimulation of the rat barrel cortex was investigated using concurrent multichannel electrophysiology and laser Doppler flowmetry. The data were used to build a linear dynamic model relating neural activity to blood flow. Local field potential time series were subject to current source density analysis, and the time series of a layer IV sink of the barrel cortex was used as the input to the model. The model output was the time series of the changes in regional cerebral blood flow (CBF). We show that this model can provide excellent fit of the CBF responses for stimulus durations of up to 16 s. The structure of the model consisted of two coupled components representing vascular dilation and constriction. The complex temporal characteristics of the CBF time series were reproduced by the relatively simple balance of these two components. We show that the impulse response obtained under the 16-s duration stimulation condition generalised to provide a good prediction to the data from the shorter duration stimulation conditions. Furthermore, by optimising three out of the total of nine model parameters, the variability in the data can be well accounted for over a wide range of stimulus conditions. By establishing linearity, classic system analysis methods can be used to generate and explore a range of equivalent model structures (e.g., feed-forward or feedback) to guide the experimental investigation of the control of vascular dilation and constriction following stimulation.

A dynamic causal model of the coupling between pulse stimulation and neural activity

We present a dynamic causal model that can explain context-dependent changes in neural responses, in the rat barrel cortex, to an electrical whisker stimulation at different frequencies. Neural responses were measured in terms of local field potentials. These were converted into current source density (CSD) data, and the time series of the CSD sink was extracted to provide a time series response train. The model structure consists of three layers (approximating the responses from the brain stem to the thalamus and then the barrel cortex), and the latter two layers contain nonlinearly coupled modules of linear second-order dynamic systems. The interaction of these modules forms a nonlinear regulatory system that determines the temporal structure of the neural response amplitude for the thalamic and cortical layers. The model is based on the measured population dynamics of neurons rather than the dynamics of a single neuron and was evaluated against CSD data from experiments with varying stimulation frequency (1–40 Hz), random pulse trains, and awake and anesthetized animals. The model parameters obtained by optimization for different physiological conditions (anesthetized or awake) were significantly different. Following Friston, Mechelli, Turner, and Price (2000), this work is part of a formal mathematical system currently being developed (Zheng et al., 2005) that links stimulation to the blood oxygen level dependent (BOLD) functional magnetic resonance imaging (fMRI) signal through neural activity and hemodynamic variables. The importance of the model described here is that it can be used to invert the hemodynamic measurements of changes in blood flow to estimate the underlying neural activity.

Platelet adhesion to podoplanin under flow is mediated by the receptor CLEC-2 and stabilised by Src/Syk-dependent platelet signalling

Platelet-specific deletion of CLEC-2, which signals through Src and Syk kinases, or global deletion of its ligand podoplanin results in blood-filled lymphatics during mouse development. Platelet-specific Syk deficiency phenocopies this defect, indicating that platelet activation is required for lymphatic development. In the present study, we investigated whether CLEC-2-podoplanin interactions could support platelet arrest from blood flow and whether platelet signalling is required for stable platelet adhesion to lymphatic endothelial cells (LECs) and recombinant podoplanin under flow. Perfusion of human or mouse blood over human LEC monolayers led to platelet adhesion and aggregation. Following αIIbβ3 blockade, individual platelets still adhered. Platelet binding occurred at venous but not arterial shear rates. There was no adhesion using CLEC-2-deficient blood or to vascular endothelial cells (which lack podoplanin). Perfusion of human blood over human Fc-podoplanin (hFcPDPN) in the presence of monoclonal antibody IV.3 to block FcγRIIA receptors led to platelet arrest at similar shear rates to those used on LECs. Src and Syk inhibitors significantly reduced global adhesion of human or mouse platelets to LECs and hFcPDPN. A similar result was seen using Syk-deficient mouse platelets. Reduced platelet adhesion was due to a decrease in the stability of binding. In conclusion, our data reveal that CLEC-2 is an adhesive receptor that supports platelet arrest to podoplanin under venous shear. Src/Syk-dependent signalling stabilises platelet adhesion to podoplanin, providing a possible molecular mechanism contributing to the lymphatic defects of Syk-deficient mice.

Fractal structures in stenoses and aneurysms in blood vessels

Recent advances in the field of chaotic advection provide the impetus to revisit the dynamics of particles transported by blood flow in the presence of vessel wall irregularities. The irregularity, being either a narrowing or expansion of the vessel, mimicking stenoses or aneurysms, generates abnormal flow patterns that lead to a peculiar filamentary distribution of advected particles, which, in the blood, would include platelets. Using a simple model, we show how the filamentary distribution depends on the size of the vessel wall irregularity, and how it varies under resting or exercise conditions. The particles transported by blood flow that spend a long time around a disturbance either stick to the vessel wall or reside on fractal filaments. We show that the faster flow associated with exercise creates widespread filaments where particles can get trapped for a longer time, thus allowing for the possible activation of such particles. We argue, based on previous results in the field of active processes in flows, that the non-trivial long-time distribution of transported particles has the potential to have major effects on biochemical processes occurring in blood flow, including the activation and deposition of platelets. One aspect of the generality of our approach is that it also applies to other relevant biological processes, an example being the coexistence of plankton species investigated previously.

Evidence that OGG1 glycosylase protects neurons against oxidative DNA damage and cell death under ischemic conditions

7,8-Dihydro-8-oxoguanine DNA glycosylase (OGG1) is a major DNA glycosylase involved in base-excision repair (BER) of oxidative DNA damage to nuclear and mitochondrial DNA (mtDNA). We used OGG1-deficient (OGG1(-/-)) mice to examine the possible roles of OGG1 in the vulnerability of neurons to ischemic and oxidative stress. After exposure of cultured neurons to oxidative and metabolic stress levels of OGG1 in the nucleus were elevated and mitochondria exhibited fragmentation and increased levels of the mitochondrial fission protein dynamin-related protein 1 (Drp1) and reduced membrane potential. Cortical neurons isolated from OGG1(-/-) mice were more vulnerable to oxidative insults than were OGG1(+/+) neurons, and OGG1(-/-) mice developed larger cortical infarcts and behavioral deficits after permanent middle cerebral artery occlusion compared with OGG1(+/+) mice. Accumulations of oxidative DNA base lesions (8-oxoG, FapyAde, and FapyGua) were elevated in response to ischemia in both the ipsilateral and contralateral hemispheres, and to a greater extent in the contralateral cortex of OGG1(-/-) mice compared with OGG1(+/+) mice. Ischemia-induced elevation of 8-oxoG incision activity involved increased levels of a nuclear isoform OGG1, suggesting an adaptive response to oxidative nuclear DNA damage. Thus, OGG1 has a pivotal role in repairing oxidative damage to nuclear DNA under ischemic conditions, thereby reducing brain damage and improving functional outcome. Journal of Cerebral Blood Flow & Metabolism (2011) 31, 680-692; doi:10.1038/jcbfm.2010.147; published online 25 August 2010

The Heart of the South American Rattlesnake, Crotalus durissus

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

A mathematical model for wave propagation in elastic tubes with inhomogeneities: Application to blood waves propagation

We study the propagation of waves in an elastic tube filled with an inviscid fluid. We consider the case of inhomogeneity whose mechanical and geometrical properties vary in space. We deduce a system of equations of the Boussinesq type as describing the wave propagation in the tube. Numerical simulations of these equations show that inhomogeneities prevent separation of right-going from left-going waves. Then reflected and transmitted coefficients are obtained in the case of localized constriction and localized rigidity. Next we focus on wavetrains incident on various types of anomalous regions. We show that the existence of anomalous regions modifies the wavetrain patterns. (c) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Hypoxic pulmonary vasoconstriction in reptiles: a comparative study of four species with different lung structures and pulmonary blood pressures

Low O-2 levels in the lungs of birds and mammals cause constriction of the pulmonary vasculature that elevates resistance to pulmonary blood flow and increases pulmonary blood pressure. This hypoxic pulmonary vasoconstriction (HPV) diverts pulmonary blood flow from poorly ventilated and hypoxic areas of the lung to more well-ventilated parts and is considered important for the local matching of ventilation to blood perfusion. In the present study, the effects of acute hypoxia on pulmonary and systemic blood flows and pressures were measured in four species of anesthetized reptiles with diverse lung structures and heart morphologies: varanid lizards (Varanus exanthematicus), caimans (Caiman latirostris), rattlesnakes (Crotalus durissus), and tegu lizards (Tupinambis merianae). As previously shown in turtles, hypoxia causes a reversible constriction of the pulmonary vasculature in varanids and caimans, decreasing pulmonary vascular conductance by 37 and 31%, respectively. These three species possess complex multicameral lungs, and it is likely that HPV would aid to secure ventilation-perfusion homogeneity. There was no HPV in rattlesnakes, which have structurally simple lungs where local ventilation-perfusion inhomogeneities are less likely to occur. However, tegu lizards, which also have simple unicameral lungs, did exhibit HPV, decreasing pulmonary vascular conductance by 32%, albeit at a lower threshold than varanids and caimans (6.2 kPa oxygen in inspired air vs. 8.2 and 13.9 kPa, respectively). Although these observations suggest that HPV is more pronounced in species with complex lungs and functionally divided hearts, it is also clear that other components are involved.

Avaliação das alterações funcionais e histológicas na isquemia renal, comparando-se duas técnicas de hipotermia: estudo experimental em suínos

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Involvement of the median preoptic nucleus in blood pressure control

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Neurogenic neuroprotection: Future perspectives

Neurogenic neuroprotection elicited by deep brain stimulation is emerging as a promising approach for treating patients with ischemic brain lesions. In rats, stimulation of the fastigial nucleus, but not dentate nucleus, has been shown to reduce the volume of focal infarction. Protection of neural tissue is a rapid intervention that has a relatively long-lasting effect, rendering fastigial nucleus stimulation (FNS) a potentially valuable method for clinical application. We review some of the main findings of animal experimental research from a clinical perspective. Results: Although the complete mechanisms of neuroprotection induced by FNS remain unclear, important data has been presented in the last two decades. The acute effect of electrical stimulation of the fastigial nucleus is likely mediated by a prolonged opening of potassium channels, and the sustained effect appears to be linked to inhibition of the apoptotic cascade. A better understanding of the cellular and molecular mechanisms underlying neurogenic neuroprotection by stimulation of deep brain nuclei, with special attention to the fastigial nucleus, can contribute toward improving neurological outcomes in ischemic brain insults.

Chronic hypoxia increases blood pressure and noradrenaline spillover in healthy humans

[EN] Chronic hypoxia is associated with elevated sympathetic activity and hypertension in patients with chronic pulmonary obstructive disease. However, the effect of chronic hypoxia on systemic and regional sympathetic activity in healthy humans remains unknown. To determine if chronic hypoxia in healthy humans is associated with hyperactivity of the sympathetic system, we measured intra-arterial blood pressure, arterial blood gases, systemic and skeletal muscle noradrenaline (norepinephrine) spillover and vascular conductances in nine Danish lowlanders at sea level and after 9 weeks of exposure at 5260 m. Mean blood pressure was 28 % higher at altitude (P < 0.01) due to increases in both systolic (18 % higher, P < 0.05) and diastolic (41 % higher, P < 0.001) blood pressures. Cardiac output and leg blood flow were not altered by chronic hypoxia, but systemic vascular conductance was reduced by 30 % (P < 0.05). Plasma arterial noradrenaline (NA) and adrenaline concentrations were 3.7- and 2.4-fold higher at altitude, respectively (P < 0.05). The elevation of plasma arterial NA concentration was caused by a 3.8-fold higher whole-body NA release (P < 0.001) since whole-body noradrenaline clearance was similar in both conditions. Leg NA spillover was increased similarly (x 3.2, P < 0.05). These changes occurred despite the fact that systemic O2 delivery was greater after altitude acclimatisation than at sea level, due to 37 % higher blood haemoglobin concentration. In summary, this study shows that chronic hypoxia causes marked activation of the sympathetic nervous system in healthy humans and increased systemic arterial pressure, despite normalisation of the arterial O2 content with acclimatisation.