Multimeric tyrosine sulfate acts as an endothelial cell protectant and prevents complement activation in xenotransplantation models

BACKGROUND: Activation of endothelial cells (EC) in xenotransplantation is mostly induced through binding of antibodies (Ab) and activation of the complement system. Activated EC lose their heparan sulfate proteoglycan (HSPG) layer and exhibit a procoagulant and pro-inflammatory cell surface. We have recently shown that the semi-synthetic proteoglycan analog dextran sulfate (DXS, MW 5000) blocks activation of the complement cascade and acts as an EC-protectant both in vitro and in vivo. However, DXS is a strong anticoagulant and systemic use of this substance in a clinical setting might therefore be compromised. It was the aim of this study to investigate a novel, fully synthetic EC-protectant with reduced inhibition of the coagulation system. METHOD: By screening with standard complement (CH50) and coagulation assays (activated partial thromboplastin time, aPTT), a conjugate of tyrosine sulfate to a polymer-backbone (sTyr-PAA) was identified as a candidate EC-protectant. The pathway-specificity of complement inhibition by sTyr-PAA was tested in hemolytic assays. To further characterize the substance, the effects of sTyr-PAA and DXS on complement deposition on pig cells were compared by flow cytometry and cytotoxicity assays. Using fluorescein-labeled sTyr-PAA (sTyr-PAA-Fluo), the binding of sTyr-PAA to cell surfaces was also investigated. RESULTS: Of all tested compounds, sTyr-PAA was the most effective substance in inhibiting all three pathways of complement activation. Its capacity to inhibit the coagulation cascade was significantly reduced as compared with DXS. sTyr-PAA also dose-dependently inhibited deposition of human complement on pig cells and this inhibition correlated with the binding of sTyr-PAA to the cells. Moreover, we were able to demonstrate that sTyr-PAA binds preferentially and dose-dependently to damaged EC. CONCLUSIONS: We could show that sTyr-PAA acts as an EC-protectant by binding to the cells and protecting them from complement-mediated damage. It has less effect on the coagulation system than DXS and may therefore have potential for in vivo application.

Dextran sulfate modulates MAP kinase signaling and reduces endothelial injury in a rat aortic clamping model

OBJECTIVE: Mitogen-activated protein kinases (MAPKs), including JNK, p38, and ERK1/2, noticeably influence ischemia/reperfusion injury (IRI). The complement inhibitor dextran sulfate (DXS) associates with damaged endothelium denudated of its heparan sulfate proteoglycan (HSPG) layer. Other glycosaminoglycan analogs are known to influence MAPK signaling. Hypothetically therefore, targeted intravascular cytoprotection by DXS may function in part through influencing MAPK activation to reduce IRI-induced damage of the vasculature. METHODS: IRI of the infrarenal aorta of male Wistar rats was induced by 90 minutes clamping followed by 120 minutes reperfusion. DXS (5 mg/mL) or physiologic saline (NaCl controls) was infused locally into the ischemic aortic segment immediately prior to reperfusion. Ninety minutes ischemia-only and heparinase infusion (maximal damage) experiments, as well as native rat aorta, served as controls. Aortas were excised following termination of the experiments for further analysis. RESULTS: DXS significantly inhibited IRI-induced JNK and ERK1/2 activation (P = .043; P =.005) without influencing the p38 pathway (P =.110). Reduced aortic injury, with significant inhibition of apoptosis (P = .032 for DXS vs NaCl), correlated with decreased nuclear factor kappaB translocation within the aortic wall. DXS treatment clearly reduced C1q, C4b/c, C3b/c, and C9 complement deposition, whilst preserving endothelial cell integrity and reducing reperfusion-induced HSPG shedding. Protection was associated with binding of fluorescein labeled DXS to ischemically damaged tissue. CONCLUSIONS: Local application of DXS into ischemic vasculature immediately prior to reperfusion reduces complement deposition and preserves endothelial integrity, partially through modulating activation of MAPKs and may offer a new approach to tackle IRI in vascular surgical procedures. CLINICAL RELEVANCE: The purpose of the present study was to determine the role of dextran sulfate (DXS), a glycosaminoglycan analog and complement inhibitor, in modulating intracellular MAPK signaling pathways, reducing complement activation and ultimately attenuating ischemia/reperfusion injury (IRI) in a rat aortic-clamping model, in part a surrogate model to study the microvasculature. The study shows a role for DXS in ameliorating endothelial injury by reducing IRI-mediated damage and intravascular, local inflammation in the affected aortic segment. DXS may be envisaged as an endothelial protectant in vascular injury, such as occurs during vascular surgical procedures.

Involvement of heparin-like glycosaminoglycans and expression of a novel heparan sulfate binding protein (p24) during human placentation and in a model for human implantation

Previous studies in our laboratory have indicated that heparan sulfate proteoglycans (HSPGs) play an important role in murine embryo implantation. To investigate the potential function of HSPGs in human implantation, two human cell lines (RL95 and JAR) were selected to model uterine epithelium and embryonal trophectoderm, respectively. A heterologous cell-cell adhesion assay showed that initial binding between JAR and RL95 cells is mediated by cell surface glycosaminoglycans (GAG) with heparin-like properties, i.e., heparan sulfate and dermatan sulfate. Furthermore, a single class of highly specific, protease-sensitive heparin/heparan sulfate binding sites exist on the surface of RL95 cells. Three heparin binding, tryptic peptide fragments were isolated from RL95 cell surfaces and their amino termini partially sequenced. Reverse transcription-polymerase chain reaction (RT-PCR) generated 1 to 4 PCR products per tryptic peptide. Northern blot analysis of RNA from RL95 cells using one of these RT-PCR products identified a 1.2 Kb mRNA species (p24). The amino acid sequence predicted from the cDNA sequence contains a putative heparin-binding domain. A synthetic peptide representing this putative heparin binding domain was used to generate a rabbit polyclonal antibody (anti-p24). Indirect immunofluorescence studies on RL95 and JAR cells as well as binding studies of anti-p24 to intact RL95 cells demonstrate that p24 is distributed on the cell surface. Western blots of RL95 membrane preparations identify a 24 kDa protein (p24) highly enriched in the 100,000 g pellet plasma membrane-enriched fraction. p24 eluted from membranes with 0.8 M NaCl, but not 0.6 M NaCl, suggesting that it is a peripheral membrane component. Solubilized p24 binds heparin by heparin affinity chromatography and $\sp{125}$I-heparin binding assays. Furthermore, indirect immunofluorescence studies indicate that cytotrophoblast of floating and attached villi of the human fetal-maternal interface are recognized by anti-p24. The study also indicates that the HSPG, perlecan, accumulates where chorionic villi are attached to uterine stroma and where p24-expressing cytotrophoblast penetrate the stroma. Collectively, these data indicate that p24 is a cell surface membrane-associated heparin/heparan sulfate binding protein found in cytotrophoblast, but not many other cell types of the fetal-maternal interface. Furthermore, p24 colocalizes with HSPGs in regions of cytotrophoblast invasion. These observations are consistent with a role for HSPGs and HSPG binding proteins in human trophoblast-uterine cell interactions. ^

Defining the domains of type I collagen involved in heparin- binding and endothelial tube formation

Cell surface heparan sulfate proteoglycan (HSPG) interactions with type I collagen may be a ubiquitous cell adhesion mechanism. However, the HSPG binding sites on type I collagen are unknown. Previously we mapped heparin binding to the vicinity of the type I collagen N terminus by electron microscopy. The present study has identified type I collagen sequences used for heparin binding and endothelial cell–collagen interactions. Using affinity coelectrophoresis, we found heparin to bind as follows: to type I collagen with high affinity (Kd ≈ 150 nM); triple-helical peptides (THPs) including the basic N-terminal sequence α1(I)87–92, KGHRGF, with intermediate affinities (Kd ≈ 2 μM); and THPs including other collagenous sequences, or single-stranded sequences, negligibly (Kd ≫ 10 μM). Thus, heparin–type I collagen binding likely relies on an N-terminal basic triple-helical domain represented once within each monomer, and at multiple sites within fibrils. We next defined the features of type I collagen necessary for angiogenesis in a system in which type I collagen and heparin rapidly induce endothelial tube formation in vitro. When peptides, denatured or monomeric type I collagen, or type V collagen was substituted for type I collagen, no tubes formed. However, when peptides and type I collagen were tested together, only the most heparin-avid THPs inhibited tube formation, likely by influencing cell interactions with collagen–heparin complexes. Thus, induction of endothelial tube morphogenesis by type I collagen may depend upon its triple-helical and fibrillar conformations and on the N-terminal heparin-binding site identified here.

Rôle des protéoglycanes à héparane sulfate dans le transfert de gène des cellules CHO et HEK293

La possibilité de programmer une cellule dans le but de produire une protéine d’intérêt est apparue au début des années 1970 avec l’essor du génie génétique. Environ dix années plus tard, l’insuline issue de la plateforme de production microbienne Escherichia coli, fut la première protéine recombinante (r-protéine) humaine commercialisée. Les défis associés à la production de r-protéines plus complexes et glycosylées ont amené l’industrie biopharmaceutique à développer des systèmes d’expression en cellules de mammifères. Ces derniers permettent d’obtenir des protéines humaines correctement repliées et de ce fait, biologiquement actives. Afin de transférer le gène d’intérêt dans les cellules de mammifères, le polyéthylènimine (PEI) est certainement un des vecteurs synthétiques le plus utilisé en raison de son efficacité, mais aussi sa simplicité d’élaboration, son faible coût et sa stabilité en solution qui facilite son utilisation. Il est donc largement employé dans le contexte de la production de r-protéines à grande échelle et fait l’objet d’intenses recherches dans le domaine de la thérapie génique non virale. Le PEI est capable de condenser efficacement l’ADN plasmidique (vecteur d’expression contenant le gène d’intérêt) pour former des complexes de petites tailles appelés polyplexes. Ces derniers doivent contourner plusieurs étapes limitantes afin de délivrer le gène d’intérêt au noyau de la cellule hôte. Dans les conditions optimales du transfert de gène par le PEI, les polyplexes arborent une charge positive nette interagissant de manière électrostatique avec les protéoglycanes à héparane sulfate (HSPG) qui décorent la surface cellulaire. On observe deux familles d’HSPG exprimés en abondance à la surface des cellules de mammifères : les syndécanes (4 membres, SDC1-4) et les glypicanes (6 membres, GPC1-6). Si l’implication des HSPG dans l’attachement cellulaire des polyplexes est aujourd’hui largement acceptée, leur rôle individuel vis-à-vis de cet attachement et des étapes subséquentes du transfert de gène reste à confirmer. Après avoir optimisées les conditions de transfection des cellules de mammifères CHO et HEK293 dans le but de produire des r-protéines secrétées, nous avons entrepris des cinétiques de capture, d’internalisation des polyplexes et aussi d’expression du transgène afin de mieux comprendre le processus de transfert de gène. Nous avons pu observer des différences au niveau de ces paramètres de transfection dépendamment du système d’expression et des caractéristiques structurelles du PEI utilisé. Ces résultats présentés sous forme d’articles scientifiques constituent une base solide de l’enchaînement dans le temps des évènements essentiels à une transfection efficace des cellules CHO et HEK293 par le PEI. Chaque type cellulaire possède un profil d’expression des HSPG qui lui est propre, ces derniers étant plus ou moins permissifs au transfert de gène. En effet, une étude menée dans notre laboratoire montre que les SDC1 et SDC2 ont des rôles opposés vis-à-vis du transfert de gène. Alors que tous deux sont capables de lier les polyplexes, l’expression de SDC1 permet leur internalisation contrairement à l’expression de SDC2 qui l’inhibe. De plus, lorsque le SDC1 est exprimé à la surface des cellules HEK293, l’efficacité de transfection est augmentée de douze pourcents. En utilisant la capacité de SDC1 à induire l’internalisation des polyplexes, nous avons étudié le trafic intracellulaire des complexes SDC1 / polyplexes dans les cellules HEK293. De plus, nos observations suggèrent une nouvelle voie par laquelle les polyplexes pourraient atteindre efficacement le noyau cellulaire. Dans le contexte du transfert de gène, les HSPG sont essentiellement étudiés dans leur globalité. S’il est vrai que le rôle des syndécanes dans ce contexte est le sujet de quelques études, celui des glypicanes est inexploré. Grâce à une série de traitements chimiques et enzymatiques visant une approche « perte de fonction », l’importance de la sulfatation comme modification post-traductionnelle, l’effet des chaînes d’héparanes sulfates mais aussi des glypicanes sur l’attachement, l’internalisation des polyplexes, et l’expression du transgène ont été étudiés dans les cellules CHO et HEK293. L’ensemble de nos observations indique clairement que le rôle des HSPG dans le transfert de gène devrait être investigué individuellement plutôt que collectivement. En effet, le rôle spécifique de chaque membre des HSPG sur la capture des polyplexes et leur permissivité à l’expression génique demeure encore inconnu. En exprimant de manière transitoire chaque membre des syndécanes et glypicanes à la surface des cellules CHO, nous avons déterminé leur effet inhibiteur ou activateur sur la capture des polyplexes sans pouvoir conclure quant à l’effet de cette surexpression sur l’efficacité de transfection. Par contre, lorsqu’ils sont présents dans le milieu de culture, le domaine extracellulaire des HSPG réduit l’efficacité de transfection des cellules CHO sans induire la dissociation des polyplexes. Curieusement, lorsque chaque HSPG est exprimé de manière stable dans les cellules CHO, seulement une légère modulation de l’expression du transgène a pu être observée. Ces travaux ont contribué à la compréhension des mécanismes d'action du vecteur polycationique polyéthylènimine et à préciser le rôle des protéoglycanes à héparane sulfate dans le transfert de gène des cellules CHO et HEK293.

Rôle des protéoglycanes à héparane sulfate dans le transfert de gène des cellules CHO et HEK293

La possibilité de programmer une cellule dans le but de produire une protéine d’intérêt est apparue au début des années 1970 avec l’essor du génie génétique. Environ dix années plus tard, l’insuline issue de la plateforme de production microbienne Escherichia coli, fut la première protéine recombinante (r-protéine) humaine commercialisée. Les défis associés à la production de r-protéines plus complexes et glycosylées ont amené l’industrie biopharmaceutique à développer des systèmes d’expression en cellules de mammifères. Ces derniers permettent d’obtenir des protéines humaines correctement repliées et de ce fait, biologiquement actives. Afin de transférer le gène d’intérêt dans les cellules de mammifères, le polyéthylènimine (PEI) est certainement un des vecteurs synthétiques le plus utilisé en raison de son efficacité, mais aussi sa simplicité d’élaboration, son faible coût et sa stabilité en solution qui facilite son utilisation. Il est donc largement employé dans le contexte de la production de r-protéines à grande échelle et fait l’objet d’intenses recherches dans le domaine de la thérapie génique non virale. Le PEI est capable de condenser efficacement l’ADN plasmidique (vecteur d’expression contenant le gène d’intérêt) pour former des complexes de petites tailles appelés polyplexes. Ces derniers doivent contourner plusieurs étapes limitantes afin de délivrer le gène d’intérêt au noyau de la cellule hôte. Dans les conditions optimales du transfert de gène par le PEI, les polyplexes arborent une charge positive nette interagissant de manière électrostatique avec les protéoglycanes à héparane sulfate (HSPG) qui décorent la surface cellulaire. On observe deux familles d’HSPG exprimés en abondance à la surface des cellules de mammifères : les syndécanes (4 membres, SDC1-4) et les glypicanes (6 membres, GPC1-6). Si l’implication des HSPG dans l’attachement cellulaire des polyplexes est aujourd’hui largement acceptée, leur rôle individuel vis-à-vis de cet attachement et des étapes subséquentes du transfert de gène reste à confirmer. Après avoir optimisées les conditions de transfection des cellules de mammifères CHO et HEK293 dans le but de produire des r-protéines secrétées, nous avons entrepris des cinétiques de capture, d’internalisation des polyplexes et aussi d’expression du transgène afin de mieux comprendre le processus de transfert de gène. Nous avons pu observer des différences au niveau de ces paramètres de transfection dépendamment du système d’expression et des caractéristiques structurelles du PEI utilisé. Ces résultats présentés sous forme d’articles scientifiques constituent une base solide de l’enchaînement dans le temps des évènements essentiels à une transfection efficace des cellules CHO et HEK293 par le PEI. Chaque type cellulaire possède un profil d’expression des HSPG qui lui est propre, ces derniers étant plus ou moins permissifs au transfert de gène. En effet, une étude menée dans notre laboratoire montre que les SDC1 et SDC2 ont des rôles opposés vis-à-vis du transfert de gène. Alors que tous deux sont capables de lier les polyplexes, l’expression de SDC1 permet leur internalisation contrairement à l’expression de SDC2 qui l’inhibe. De plus, lorsque le SDC1 est exprimé à la surface des cellules HEK293, l’efficacité de transfection est augmentée de douze pourcents. En utilisant la capacité de SDC1 à induire l’internalisation des polyplexes, nous avons étudié le trafic intracellulaire des complexes SDC1 / polyplexes dans les cellules HEK293. De plus, nos observations suggèrent une nouvelle voie par laquelle les polyplexes pourraient atteindre efficacement le noyau cellulaire. Dans le contexte du transfert de gène, les HSPG sont essentiellement étudiés dans leur globalité. S’il est vrai que le rôle des syndécanes dans ce contexte est le sujet de quelques études, celui des glypicanes est inexploré. Grâce à une série de traitements chimiques et enzymatiques visant une approche « perte de fonction », l’importance de la sulfatation comme modification post-traductionnelle, l’effet des chaînes d’héparanes sulfates mais aussi des glypicanes sur l’attachement, l’internalisation des polyplexes, et l’expression du transgène ont été étudiés dans les cellules CHO et HEK293. L’ensemble de nos observations indique clairement que le rôle des HSPG dans le transfert de gène devrait être investigué individuellement plutôt que collectivement. En effet, le rôle spécifique de chaque membre des HSPG sur la capture des polyplexes et leur permissivité à l’expression génique demeure encore inconnu. En exprimant de manière transitoire chaque membre des syndécanes et glypicanes à la surface des cellules CHO, nous avons déterminé leur effet inhibiteur ou activateur sur la capture des polyplexes sans pouvoir conclure quant à l’effet de cette surexpression sur l’efficacité de transfection. Par contre, lorsqu’ils sont présents dans le milieu de culture, le domaine extracellulaire des HSPG réduit l’efficacité de transfection des cellules CHO sans induire la dissociation des polyplexes. Curieusement, lorsque chaque HSPG est exprimé de manière stable dans les cellules CHO, seulement une légère modulation de l’expression du transgène a pu être observée. Ces travaux ont contribué à la compréhension des mécanismes d'action du vecteur polycationique polyéthylènimine et à préciser le rôle des protéoglycanes à héparane sulfate dans le transfert de gène des cellules CHO et HEK293.