Stem cells, vascular smooth muscle cells and atherosclerosis

Stem cells have the ability to differentiate into a variety of cells to replace dead cells or to repair tissue. Recently, accumulating evidence indicates that mechanical forces, cytokines and other factors can influence stem cell differentiation into vascular smooth muscle cells (SMCs). In developmental process, SMCs originate from several sources, which show a great heterogenicity in different vessel walls. In adult vessels, SMCs display a less proliferative nature, but are altered in response to risk factors for atherosclerosis. Traditional view on SMC origins in atherosclerotic lesions is challenged by the recent findings that stem cells and smooth muscle progenitors contribute to the development of atherosclerotic lesions. Vascular progenitor cells circulating in human blood and the presence of adventitia in animals are recent discoveries, but the source of these cells is still unknown. The present review gives an update on the progress of stem cell and SMC research in atherosclerosis, and discusses possible mechanisms of stem/progenitor cell differentiation that contribute to the disease process.

Activation of MAPK by modified low-density lipoproteins in vascular smooth muscle cells

A high concentration of circulating low-density lipoproteins (LDL) is a major risk factor for atherosclerosis. Native LDL and LDL modified by glycation and/or oxidation are increased in diabetic individuals. LDL directly stimulate vascular smooth muscle cell (VSMC) proliferation; however, the mechanisms remain undefined. The extracellular signal-regulated kinase (ERK) pathway mediates changes in cell function and growth. Therefore, we examined the cellular effects of native and modified LDL on ERK phosphorylation in VSMC. Addition of native, mildly modified (oxidized, glycated, glycoxidized) and highly modified (highly oxidized, highly glycoxidized) LDL at 25 microg/ml to rat VSMC for 5 min induced a fivefold increase in ERK phosphorylation. To elucidate the signal transduction pathway by which LDL phosphorylate ERK, we examined the roles of the Ca(2+)/calmodulin pathway, protein kinase C (PKC), src kinase, and mitogen-activated protein kinase kinase (MEK). Treatment of VSMC with the intracellular Ca(2+) chelator EGTA-AM (50 micromol/l) significantly increased ERK phosphorylation induced by native and mildly modified LDL, whereas chelation of extracellular Ca(2+) by EGTA (3 mmol/l) significantly reduced LDL-induced ERK phosphorylation. The calmodulin inhibitor N-(6-aminohexyl)-1-naphthalenesulfonamide (40 micromol/l) significantly decreased ERK phosphorylation induced by all types of LDL. Downregulation of PKC with phorbol myristate acetate (5 micromol/l) markedly reduced LDL-induced ERK phosphorylation. Pretreatment of VSMC with a cell-permeable MEK inhibitor (PD-98059, 40 micromol/l) significantly decreased ERK phosphorylation in response to native and modified LDL. These findings indicate that native and mildly and highly modified LDL utilize similar signaling pathways to phosphorylate ERK and implicate a role for Ca(2+)/calmodulin, PKC, and MEK. These results suggest a potential link between modified LDL, vascular function, and the development of atherosclerosis in diabetes.

Selective loss of vascular smooth muscle cells in the retinal microcirculation of diabetic dogs

This study was undertaken to further characterise the fine structural changes occurring in the retinal circulation in early diabetes. The eyes of eight alloxan/streptozotocin and three spontaneously diabetic dogs were examined by trypsin digest and electron microscopy after durations of diabetes of between 1 and 7 years. Basement membrane (BM) thickening in the retinal capillaries was the only obvious fine structural change identified during the first 3 years of diabetes and was established within 1 year of induction. Widespread pericyte loss was noted after 4 years of diabetes and was paralleled by loss of smooth muscle (SM) cells, in the retinal arterioles. SM cell loss was most obvious in the smaller arterioles of the central retina. No microaneurysms were noted in the experimental diabetic dogs with up to 5 years' duration of diabetes but were widespread in a spontaneously diabetic animal at 7 years. This study has shown that SM cell loss, a hitherto unrecognised feature of diabetic microangiopathy, accompanies pericyte loss in the retinal circulation of diabetic dogs.

Endogenous cannabinoid receptor CB1 activation promotes vascular smooth-muscle cell proliferation and neointima formation.

Percutaneous transluminal angioplasty is frequently used in patients with severe arterial narrowing due to atherosclerosis. However, it induces severe arterial injury and an inflammatory response leading to restenosis. Here, we studied a potential activation of the endocannabinoid system and the effect of FA amide hydrolase (FAAH) deficiency, the major enzyme responsible for endocannabinoid anandamide degradation, in arterial injury. We performed carotid balloon injury in atherosclerosis-prone apoE knockout (apoE(-/-)) and apoE(-/-)FAAH(-/-) mice. Anandamide levels were systemically elevated in apoE(-/-) mice after balloon injury. ApoE(-/-)FAAH(-/-) mice had significantly higher baseline anandamide levels and enhanced neointima formation compared with apoE(-/-) controls. The latter effect was inhibited by treatment with CB1 antagonist AM281. Similarly, apoE(-/-) mice treated with AM281 had reduced neointimal areas, reduced lesional vascular smooth-muscle cell (SMC) content, and proliferating cell counts. The lesional macrophage content was unchanged. In vitro proliferation rates were significantly reduced in CB1(-/-) SMCs or when treating apoE(-/-) or apoE(-/-)FAAH(-/-) SMCs with AM281. Macrophage in vitro adhesion and migration were marginally affected by CB1 deficiency. Reendothelialization was not inhibited by treatment with AM281. In conclusion, endogenous CB1 activation contributes to vascular SMC proliferation and neointima formation in response to arterial injury.

Endothelin-1 and H2O2-induced signaling in vascular smooth muscle cells : modulation by CaMKII and Nitric oxide

L’endothéline-1 (ET-1) est un peptide vasoactif extrêmement puissant qui possède une forte activité mitogénique dans les cellules du muscle lisse vasculaire (VSMCs). Il a été démontré que l’ET-1 est impliquée dans plusieurs maladies cardio-vasculaires, comme l’athérosclérose, l'hypertension, la resténose après l'angioplastie, l’insuffisance cardiaque et l'arythmie. L’ET-1 exerce ses effets via plusieurs voies de signalisation qui incluent le Ca2+, les protéines kinases activées par les mitogènes (MAPKs) y compris les kinases régulées par les signaux extracellulaires (ERK1/2) et la voie de la phosphatidylinositol 3-kinase (PI-3K)/protein kinase B (PKB). Plusieurs études ont démontré que les dérivés réactifs de l'oxygène (ROS) peuvent jouer un rôle important dans la signalisation d’ERK1/2 et de PKB induite par plusieurs facteurs de croissance et hormones. Nous avons précédemment montré que l'ET-1 produit des ROS qui agissent comme médiateur de la signalisation cellulaire induite par l’ET-1. Le peroxyde d’hydrogène (H2O2), une molécule qui appartient à la famille des ROS, peut activer les voies de la MAPK et de la PKB dans les VSMCs. Par ailleurs, nos résultats suggèrent également que le Ca2+ et la calmoduline (CaM) sont essentiels pour la phosphorylation d’ERK1/2, de p38 et de PKB induite par le H2O2 dans les VSMCs. La Ca2+/CaM-dependent protein kinases II (CaMKII) est une sérine/thréonine protéine kinase multifonctionnelle activée par le Ca2+/CaM. Il a été montré que la CaMKII est impliquée dans les voies de signalisation induite par le H2O2 dans les cellules endothéliales. Cependant, le rôle de la CaMKII dans la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et de la proline-rich tyrosine kinase 2 (Pyk2) induite par l’ET-1 et le H2O2, de même que son rôle dans l’effet hypertrophique et prolifératif de l’ET-1 dans les VSMCs demeure inexploré. Le monoxyde d’azote (NO) est une molécule vasoactive impliquée dans la régulation de plusieurs réponses hormonales. Le NO peut moduler la signalisation contrôlant la croissance cellulaire induite par plusieurs agonistes d’où son rôle protecteur dans le système vasculaire. Des études ont montré que le NO peut inhiber la voie de Ras/Raf/ERK1/2 et la voie de PKB induite par le facteur de croissance endothélial (EGF) et l’angiotensine II (Ang II). Beaucoup d’autres travaux ont mis en évidence un cross-talk entre les voies de signalisation activées par l’ET-1 et le NO. La capacité du NO à inhiber la signalisation intracellulaire induite par l’ET-1 dans les VSMCs demeure inconnue. Le travail présenté dans cette thèse vise à déterminer le rôle du système Ca2+-CaM-CaMKII dans la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et de Pyk2 induite par l’ET-1 et le H2O2 ainsi que son rôle dans la croissance et la prolifération cellulaire induites par l’ET-1 dans les VSMCs. Nous avons également testé le rôle du NO dans la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et de Pyk2 ainsi que la synthèse protéique induite par l’ET-1. Dans la première partie de notre étude, nous avons examiné le rôle de la CaMKII dans la phosphorylation d’ERK1/2 et de PKB induite par l’ET-1 dans les VSMCs en utilisant trois approches différentes i.e. l'usage d'inhibiteurs pharmacologiques, un peptide auto-inhibiteur de la CaMKII (CaMKII AIP) et la technique de siRNA. Nous avons démontré que la CaMKII est impliquée dans la phosphorylation d’ERK1/2 et de PKB induite par l’ET-1 dans les VSMCs. Des études précédentes ont montré à l’aide d’inhibiteurs pharmacologiques comme le KN-93 que l'Ang II et les agents induisant une augmentation de la concentration en Ca2+ intracellulaire comme l’ionomycine, provoquent la phosphorylation d’ERK1/2 via la CaM dans les VSMCs. Cependant, en utilisant différentes approches, nos études ont montré pour la première fois une implication de la CaMKII dans la phosphorylation d’ERK1/2 et de PKB induite par l’ET-1 dans les VSMCs. Nous avons également rapporté pour la première fois, un rôle crucial de la CaMKII dans la pathophysiologie vasculaire associée à l’ET-1 puisque l’activation de la CaMKII joue un rôle important dans l’hypertrophie et la croissance cellulaire. Dans la deuxième partie, à la lumière des études précédentes qui montraient que les ROS agissent comme médiateurs de la signalisation induite par l’ET-1 dans les VSMCs, nous avons examiné si la CaMKII est également impliquée dans l’activation des voies d’ERK1/2 et de PKB induite par le H2O2. En utilisant des approches pharmacologiques et moléculaires, nous avons montré, comme pour l’ET-1, que la CaMKII joue un rôle critique en amont de la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et de Pyk2 induite par le H2O2. Nous avons précédemment montré que la transactivation du récepteur de type I de l’insulin-like growth factor (IGF-1R) est nécessaire à l’activation de PKB induite par le H2O2. Pour cette raison, nous avons examiné l'effet de l'inhibition de la CaMKII par l’inhibiteur pharmacologique ou par le knock-down de la CaMKII sur la phosphorylation d’IGF-1R induite par le H2O2. Les résultats démontrent que la CaMKII joue un rôle critique en amont de la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et d’IGF-1R induite par le H2O2. Dans la troisième partie de notre étude, nous avons également examiné le mécanisme moléculaire par lequel le NO exerce ses effets anti-mitogéniques et anti-hypertrophiques dans la signalisation induite par l’ET-1. En testant l'effet de deux différents donneurs de NO (S-nitroso-N-acetylpenicillamine (SNAP), sodium nitroprusside (SNP)) et un inhibiteur de NO synthase, le N (G)-nitro-L-arginine methyl ester (L-NAME) dans la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et de Pyk2 induite par l’ET-1, nous avons observé que le NO a un effet inhibiteur sur la signalisation induite par l’ET-1 dans les VSMCs. Par ailleurs, le 8-Br-GMPc, un analogue du GMPc, a un effet similaire à celui des deux donneurs du NO, tandis que l’oxadiazole quinoxaline (ODQ), un inhibiteur de la guanylate cyclase soluble, inverse l'effet inhibiteur du NO. Nous concluons que le NO diminue la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et de Pyk2 induite par l’ET-1 d’une manière dépendante du GMPc. Le NO inhibe aussi les effets hypertrophiques de l’ET-1 puisque le traitement avec le SNAP diminue la synthèse des protéines induite par l’ET-1. En résumé, les études présentées dans cette thèse démontrent que l’ET-1 et le H2O2 sont des activateurs de la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et de Pyk2 dans les VSMCs et que la CaMKII s’avère nécessaire pour ce processus, en agissant en amont de l’activation de IGF-1R induite par le H2O2 dans les VSMCs. Elles montrent également que le NO inhibe la phosphorylation d’ERK1/2, de PKB et de Pyk2 induite par l’ET-1. Enfin, nos travaux suggèrent aussi que l’activation de la CaMKII stimule la synthèse des protéines et de l’ADN induites par l’ET-1 alors que le NO inhibe la synthèse des protéines induite par ET-1. Mots clés: Endothéline ; Peroxyde d'hydrogène ; CaMKII ; Monoxyde d’azote ; Système vasculaire ; PKB; ERK1/2; IGF-1R; Hypertrophie.