Role of epithelial Na+ channels in endothelial function

An increasing number of mechano-sensitive ion channels in endothelial cells have been identified in response to blood flow and hydrostatic pressure. However, how these channels respond to flow under different physiological and pathological conditions remains unknown. Our results show that epithelial Na+ channels (ENaCs) colocalize with hemeoxygenase-1 (HO-1) and hemeoxygenase-2 (HO-2) within the caveolae on the apical membrane of endothelial cells and are sensitive to stretch pressure and shear stress. ENaCs exhibited low levels of activity until their physiological environment was changed; in this case, the upregulation of HO-1, which in turn facilitated heme degradation and hence increased the carbon monoxide (CO) generation. CO potently increased the bioactivity of ENaCs, releasing the channel from inhibition. Endothelial cells responded to shear stress by increasing the Na+ influx rate. Elevation of intracellular Na+ concentration hampered the transportation of l-arginine, resulting in impaired nitric oxide (NO) generation. Our data suggest that ENaCs that are endogenous to human endothelial cells are mechano-sensitive. Persistent activation of ENaCs could inevitably lead to endothelium dysfunction and even vascular diseases such as atherosclerosis.

Endothelial cell redox regulation of ischemic angiogenesis

The endothelium produces and responds to reactive oxygen and nitrogen species (RONS), providing important redox regulation to the cardiovascular system in physiology and disease. In no other situation are RONS more critical than in the response to tissue ischemia. Here, tissue healing requires growth factor-mediated angiogenesis that is in part dependent on low levels of RONS, which paradoxically must overcome the damaging effects of high levels of RONS generated as a result of ischemia. While generation of endothelial cell RONS in hypoxia/reoxygenation is acknowledged, the mechanism for their role in angiogenesis is still poorly understood. During ischemia, the major low molecular weight thiol glutathione (GSH) reacts with RONS and protein cysteines, producing GSH-protein adducts. Recent data indicate that GSH adducts on certain proteins are essential to growth factor responses in endothelial cells. Genetic deletion of the enzyme glutaredoxin-1, which selectively removes GSH protein adducts, improves, while its overexpression impairs, revascularization of the ischemic hindlimb of mice. Ischemia-induced GSH adducts on specific cysteine residues of several proteins, including p65 NFkB and the sarcoplasmic reticulum calcium ATPase-2 (SERCA2), appear to promote ischemic angiogenesis. Identifying the specific proteins in the redox response to ischemia has provided therapeutic opportunities to improve clinical outcomes of ischemia.

Responsiveness of voltage-gated calcium channels in SH-SY5Y human neuroblastoma cells on quasi-three-dimensional micropatterns formed with poly (l-lactic acid)

Introduction: In this study, quasi-three-dimensional (3D) microwell patterns were fabricated with poly (l-lactic acid) for the development of cell-based assays, targeting voltage-gated calcium channels (VGCCs). Methods and materials: SH-SY5Y human neuroblastoma cells were interfaced with the microwell patterns and found to grow as two dimensional (2D), 3D, and near two dimensional (N2D), categorized on the basis of the cells’ location in the pattern. The capability of the microwell patterns to support 3D cell growth was evaluated in terms of the percentage of the cells in each growth category. Cell spreading was analyzed in terms of projection areas under light microscopy. SH-SY5Y cells’ VGCC responsiveness was evaluated with confocal microscopy and a calcium fluorescent indicator, Calcium GreenTM-1. The expression of L-type calcium channels was evaluated using immunofluorescence staining with DM-BODIPY. Results: It was found that cells within the microwells, either N2D or 3D, showed more rounded shapes and less projection areas than 2D cells on flat poly (l-lactic acid) substrates. Also, cells in microwells showed a significantly lower VGCC responsiveness than cells on flat substrates, in terms of both response magnitudes and percentages of responsive cells, upon depolarization with 50 mM K+. This lower VGCC responsiveness could not be explained by the difference in L-type calcium channel expression. For the two patterns addressed in this study, N2D cells consistently exhibited an intermediate value of either projection areas or VGCC responsiveness between those for 2D and 3D cells, suggesting a correlative relation between cell morphology and VGCC responsiveness. Conclusion: These results suggest that the pattern structure and therefore the cell growth characteristics were critical factors in determining cell VGCC responsiveness and thus provide an approach for engineering cell functionality in cell-based assay systems and tissue engineering scaffolds.

Novel surface-tethered estrogen polymeric platforms in cardiovascular regenerative medicine

L’estradiol (E2) est une hormone femelle qui joue un rôle essentiel, à la fois dans la régulation et dans la détermination de certaines conditions physiologiques in vivo, telle que la différenciation et la prolifération cellulaire. Lorsque l’E2 est donné en supplément, par exemple dans le cas de thérapie hormonale, deux effets sont observés, un effet génomique et un effet non-génomique, de par son interaction avec les récepteurs à œstrogène du noyau ou de la membrane cellulaire, respectivement. L’effet non-génomique est plus difficile à étudier biologiquement parce que l’effet se produit sur une échelle de temps extrêmement courte et à cause de la nature hydrophobe de l’E2 qui réduit sa biodisponibilité et donc son accessibilité aux cellules cibles. C’est pourquoi il est nécessaire de développer des systèmes d’administration de l’E2 qui permettent de n’étudier que l’effet non-génomique de l’œstrogène. Une des stratégies employée consiste à greffer l’E2 à des macromolécules hydrophiles, comme de l’albumine de sérum bovin (BSA) ou des dendrimères de type poly(amido)amine, permettant de maintenir l’interaction de l’E2 avec les récepteurs d’œstrogène de la membrane cellulaire et d’éviter la pénétration de l’E2 dans le noyau des cellules. Toutefois, ces systèmes macromolécules-E2 sont critiquables car ils sont peu stables et l’E2 peut se retrouver sous forme libre, ce qui affecte sa localisation cellulaire. L’objectif de cette thèse est donc de développer de nouvelles plateformes fonctionnalisées avec de l’E2 en utilisant les approches de synthèses ascendantes et descendantes. Le but de ces plateformes est de permettre d’étudier le mécanisme de l’effet non-génomique de l’E2, ainsi que d’explorer des applications potentielles dans le domaine biomédical. L’approche ascendante est basée sur un ligand d’E2 activé, l’acide 17,α-éthinylestradiol-benzoïque, attaché de façon covalente à un polymère de chitosan avec des substitutions de phosphorylcholine (CH-PC-E2). L’estradiol est sous forme de pro-drogue attachée au polymère qui s’auto-assembler pour former un film. L’effet biologique de la composition chimique du film de chitosan-phosphorylcholine a été étudié sur des cellules endothéliales. Les films de compositions chimiques différentes ont préalablement été caractérisés de façon physicochimique. La topographie de la surface, la charge de surface, ainsi que la rhéologie des différents films contenant 15, 25, ou 40% molaires de phosphorylcholine, ont été étudiés par microscopie à force atomique (AFM), potentiel zêta, résonance plasmonique de surface et par microbalance à cristal de quartz avec dissipation (QCM-D). Les résultats de QCM-D ont montré que plus la part molaire en phosphorylcholine est grande moins il y a de fibrinogène qui s’adsorbe sur le film de CH-PC. Des cellules humaines de veine ombilicale (HUVECs) cultivées sur des films de CH-PC25 et de CH-PC40 forment des amas cellulaire appelés sphéroïdes au bout de 4 jours, alors que ce n’est pas le cas lorsque ces cellules sont cultivées sur des films de CH-PC15. L’attachement de l’estradiol au polymère a été caractérisé par plusieurs techniques, telles que la résonance magnétique nucléaire de proton (1H NMR), la spectroscopie infrarouge avec transformée de Fourier à réfraction totale atténuée (FTIR-ATR) et la spectroscopie UV-visible. La nature hydrogel des films (sa capacité à retenir l’eau) ainsi que l’interaction des films avec des récepteurs à E2, ont été étudiés par la QCM-D. Des études d’imagerie cellulaires utilisant du diacétate de diaminofluoresceine-FM ont révélé que les films hydrogels de CH-PC-E2 stimulent la production d’oxyde nitrique par les cellules endothéliales, qui joue un rôle protecteur pour le système cardiovasculaire. L’ensemble de ces études met en valeur les rôles différents et les applications potentielles qu’ont les films de type CH-PC-E2 et CH-PC dans le cadre de la médecine cardiovasculaire régénérative. L’approche descendante est basée sur l’attachement de façon covalente d’E2 sur des ilots d’or de 2 μm disposés en rangées et espacés par 12 μm sur un substrat en verre. Les ilots ont été préparés par photolithographie. La surface du verre a quant à elle été modifiée à l’aide d’un tripeptide cyclique, le cRGD, favorisant l’adhésion cellulaire. L’attachement d’E2 sur les surfaces d’or a été suivi et confirmé par les techniques de SPR et de QCM-D. Des études d’ELISA ont montré une augmentation significative du niveau de phosphorylation de la kinase ERK (marqueur important de l’effet non-génomique) après 1 heure d’exposition des cellules endothéliales aux motifs alternant l’E2 et le cRGD. Par contre lorsque des cellules cancéreuses sont déposées sur les surfaces présentant des motifs d’E2, ces cellules ne croissent pas, ce qui suggère que l’E2 n’exerce pas d’effet génomique. Les résultats de l’approche descendante montrent le potentiel des surfaces présentant des motifs d’E2 pour l’étude des effets non-génomiques de l’E2 dans un modèle in vitro.

Diametrically opposed actions of the heme oxygenase-1 and endothelial nitric oxide synthase pathways in angiogenesis via p21WAF1

INTRODUCTION: Vascular endothelial growth factor (VEGF)-induced angiogenesis requires endothelial nitric oxide synthase (eNOS) activation, however, the mechanism is largely unknown. As nitric oxide(NO) inhibits endothelial proliferation to promote capillary formation (Am J Path,159:993-1008,2001) and p21WAF1 is an important cell cycle inhibitor, we hypothesised that eNOS-induced angiogenesis requires up regulation of p21WAF1. METHODS: Human and porcine endothelial cells were cultured on growth factor reduced Materigel for in vitro tube formation and in vivo angiogenesis was assessed by hind limb ligation ischemia model.Conversely, we propose that the cytoprotective enzyme, heme oxygenase-1(HO-1), may suppress p21WAF1 to limit angiogenesis. RESULTS: The expression of p21WAF1 was up regulated in porcine aorticenothelial cells stablely transfected with a constitutively activated form of eNOS (eNOSS1177D) as well as in HUVEC infected by adenovirus encoding eNOSS1177D. When these cells were plated on growth-factor reduced Matrigel (compaired to empty vector), they enhanced in vitro angiogenesis, which was inhibited following knockdown of p21WAF1. Furthermore, over expression of p21WAF1 led to increased tube formation while p21WAF1 knockdown abrogated vascular endothelial growth factor(VEGF) and fibroblast growth factor (FGF-2) mediated angiogenesis.Conversely, the cytoprotective enzyme, heme oxygenase-1 (HO-1) when over expressed decreased p21WAF1 expression and reduced VEGF, FGF-2 and eNOSS1177D-induced angiogenesis. CONCLUSIONS: These results demonstrate that eNOS-induced angiogenesis requires up regulation of p21WAF1/CIP1 wherease, induction of HO-1 will decrease the expression of p21WAF1/CIP1 to limit angiogenesisindicating that eNOS and HO-1 regulate angiogenesis via p21WAF1/CIP1 in adiametrically opposed manner and that p21WAF1/CIP1 appears to be a central regulator of angiogenesis that offers a new therapeutic target.

Angiotensin receptors and β-catenin regulate brain endothelial integrity in malaria

Cerebral malaria is characterized by cytoadhesion of Plasmodium falciparum–infected red blood cells (Pf-iRBCs) to endothelial cells in the brain, disruption of the blood-brain barrier, and cerebral microhemorrhages. No available antimalarial drugs specifically target the endothelial disruptions underlying this complication, which is responsible for the majority of malaria-associated deaths. Here, we have demonstrated that ruptured Pf-iRBCs induce activation of β-catenin, leading to disruption of inter–endothelial cell junctions in human brain microvascular endothelial cells (HBMECs). Inhibition of β-catenin–induced TCF/LEF transcription in the nucleus of HBMECs prevented the disruption of endothelial junctions, confirming that β-catenin is a key mediator of P. falciparum adverse effects on endothelial integrity. Blockade of the angiotensin II type 1 receptor (AT1) or stimulation of the type 2 receptor (AT2) abrogated Pf-iRBC–induced activation of β-catenin and prevented the disruption of HBMEC monolayers. In a mouse model of cerebral malaria, modulation of angiotensin II receptors produced similar effects, leading to protection against cerebral malaria, reduced cerebral hemorrhages, and increased survival. In contrast, AT2-deficient mice were more susceptible to cerebral malaria. The interrelation of the β-catenin and the angiotensin II signaling pathways opens immediate host-targeted therapeutic possibilities for cerebral malaria and other diseases in which brain endothelial integrity is compromised.

Therapeutically targeting mitochondrial redox signalling alleviates endothelial dysfunction in preeclampsia

Aberrant placentation generating placental oxidative stress is proposed to play a critical role in the pathophysiology of preeclampsia. Unfortunately, therapeutic trials of antioxidants have been uniformly disappointing. There is provisional evidence implicating mitochondrial dysfunction as a source of oxidative stress in preeclampsia. Here we provide evidence that mitochondrial reactive oxygen species mediates endothelial dysfunction and establish that directly targeting mitochondrial scavenging may provide a protective role. Human umbilical vein endothelial cells exposed to 3% plasma from women with pregnancies complicated by preeclampsia resulted in a significant decrease in mitochondrial function with a subsequent significant increase in mitochondrial superoxide generation compared to cells exposed to plasma from women with uncomplicated pregnancies. Real-time PCR analysis showed increased expression of inflammatory markers TNF-α, TLR-9 and ICAM-1 respectively in endothelial cells treated with preeclampsia plasma. MitoTempo is a mitochondrial-targeted antioxidant, pre-treatment of cells with MitoTempo protected against hydrogen peroxide-induced cell death. Furthermore MitoTempo significantly reduced mitochondrial superoxide production in cells exposed to preeclampsia plasma by normalising mitochondrial metabolism. MitoTempo significantly altered the inflammatory profile of plasma treated cells. These novel data support a functional role for mitochondrial redox signaling in modulating the pathogenesis of preeclampsia and identifies mitochondrial-targeted antioxidants as potential therapeutic candidates.

Novel surface-tethered estrogen polymeric platforms in cardiovascular regenerative medicine

L’estradiol (E2) est une hormone femelle qui joue un rôle essentiel, à la fois dans la régulation et dans la détermination de certaines conditions physiologiques in vivo, telle que la différenciation et la prolifération cellulaire. Lorsque l’E2 est donné en supplément, par exemple dans le cas de thérapie hormonale, deux effets sont observés, un effet génomique et un effet non-génomique, de par son interaction avec les récepteurs à œstrogène du noyau ou de la membrane cellulaire, respectivement. L’effet non-génomique est plus difficile à étudier biologiquement parce que l’effet se produit sur une échelle de temps extrêmement courte et à cause de la nature hydrophobe de l’E2 qui réduit sa biodisponibilité et donc son accessibilité aux cellules cibles. C’est pourquoi il est nécessaire de développer des systèmes d’administration de l’E2 qui permettent de n’étudier que l’effet non-génomique de l’œstrogène. Une des stratégies employée consiste à greffer l’E2 à des macromolécules hydrophiles, comme de l’albumine de sérum bovin (BSA) ou des dendrimères de type poly(amido)amine, permettant de maintenir l’interaction de l’E2 avec les récepteurs d’œstrogène de la membrane cellulaire et d’éviter la pénétration de l’E2 dans le noyau des cellules. Toutefois, ces systèmes macromolécules-E2 sont critiquables car ils sont peu stables et l’E2 peut se retrouver sous forme libre, ce qui affecte sa localisation cellulaire. L’objectif de cette thèse est donc de développer de nouvelles plateformes fonctionnalisées avec de l’E2 en utilisant les approches de synthèses ascendantes et descendantes. Le but de ces plateformes est de permettre d’étudier le mécanisme de l’effet non-génomique de l’E2, ainsi que d’explorer des applications potentielles dans le domaine biomédical. L’approche ascendante est basée sur un ligand d’E2 activé, l’acide 17,α-éthinylestradiol-benzoïque, attaché de façon covalente à un polymère de chitosan avec des substitutions de phosphorylcholine (CH-PC-E2). L’estradiol est sous forme de pro-drogue attachée au polymère qui s’auto-assembler pour former un film. L’effet biologique de la composition chimique du film de chitosan-phosphorylcholine a été étudié sur des cellules endothéliales. Les films de compositions chimiques différentes ont préalablement été caractérisés de façon physicochimique. La topographie de la surface, la charge de surface, ainsi que la rhéologie des différents films contenant 15, 25, ou 40% molaires de phosphorylcholine, ont été étudiés par microscopie à force atomique (AFM), potentiel zêta, résonance plasmonique de surface et par microbalance à cristal de quartz avec dissipation (QCM-D). Les résultats de QCM-D ont montré que plus la part molaire en phosphorylcholine est grande moins il y a de fibrinogène qui s’adsorbe sur le film de CH-PC. Des cellules humaines de veine ombilicale (HUVECs) cultivées sur des films de CH-PC25 et de CH-PC40 forment des amas cellulaire appelés sphéroïdes au bout de 4 jours, alors que ce n’est pas le cas lorsque ces cellules sont cultivées sur des films de CH-PC15. L’attachement de l’estradiol au polymère a été caractérisé par plusieurs techniques, telles que la résonance magnétique nucléaire de proton (1H NMR), la spectroscopie infrarouge avec transformée de Fourier à réfraction totale atténuée (FTIR-ATR) et la spectroscopie UV-visible. La nature hydrogel des films (sa capacité à retenir l’eau) ainsi que l’interaction des films avec des récepteurs à E2, ont été étudiés par la QCM-D. Des études d’imagerie cellulaires utilisant du diacétate de diaminofluoresceine-FM ont révélé que les films hydrogels de CH-PC-E2 stimulent la production d’oxyde nitrique par les cellules endothéliales, qui joue un rôle protecteur pour le système cardiovasculaire. L’ensemble de ces études met en valeur les rôles différents et les applications potentielles qu’ont les films de type CH-PC-E2 et CH-PC dans le cadre de la médecine cardiovasculaire régénérative. L’approche descendante est basée sur l’attachement de façon covalente d’E2 sur des ilots d’or de 2 μm disposés en rangées et espacés par 12 μm sur un substrat en verre. Les ilots ont été préparés par photolithographie. La surface du verre a quant à elle été modifiée à l’aide d’un tripeptide cyclique, le cRGD, favorisant l’adhésion cellulaire. L’attachement d’E2 sur les surfaces d’or a été suivi et confirmé par les techniques de SPR et de QCM-D. Des études d’ELISA ont montré une augmentation significative du niveau de phosphorylation de la kinase ERK (marqueur important de l’effet non-génomique) après 1 heure d’exposition des cellules endothéliales aux motifs alternant l’E2 et le cRGD. Par contre lorsque des cellules cancéreuses sont déposées sur les surfaces présentant des motifs d’E2, ces cellules ne croissent pas, ce qui suggère que l’E2 n’exerce pas d’effet génomique. Les résultats de l’approche descendante montrent le potentiel des surfaces présentant des motifs d’E2 pour l’étude des effets non-génomiques de l’E2 dans un modèle in vitro.

CRISPR/Cas9-Mediated Gene Editing of ARG1 in Cell Lines and Primary Cells

Arginase 1 deficiency, a urea cycle disorder resulting from an inability of the body to convert arginine into urea, results in hyperargininemia and sporadic episodes of hyperammonemia. Arginase 1 deficiency can lead to a range of developmental disorders and progressive spastic diplegia in children, and current therapeutic options are limited. Clustered regularly interspaced short palindromic repeat (CRISPR) /CRISPR associated protein (Cas) 9 gene editing systems serve as a novel means of treating genetic disorders such as Arginase 1 (ARG1) deficiency, and must be thoroughly examined to determine their curative capabilities. In these experiments numerous guide RNAs and CRISPR/Cas9 systems targeting the ARG1 gene were designed and observed by heteroduplex assay for their targeting capabilities and cleavage efficiencies in multiple cell lines. The CRISPR/Cas9 system utilized in these experiments, along with a panel of guide RNAs targeting various locations in the arginase 1 gene, successfully produced targeted cleavage in HEK293, MCF7, A549, K562, HeLa, and HepG2 cells; however, targeted cleavage in human dermal fibroblasts, blood outgrowth endothelial cells, and induced pluripotent stem cells was not observed. Additionally, a CRISPR/Cas system involving partially inactivated Cas9 was capable of producing targeted DNA cleavage in intron 1 of ARG1, while a Cas protein termed Cpf1 was incapable of producing targeted cleavage. These results indicate a complex set of variables determining the CRISPR/Cas9 systems’ capabilities in the cell lines and primary cells tested. By examining epigenetic factors and alternative CRISPR/Cas9 gene targeting systems, the CRISPR/Cas9 system can be more thoroughly considered in its ability to act as a means towards editing the genome of arginase 1-deficient individuals.

Recouvrements à base de dextrane pour applications médicales

L’ingénierie des biomatériaux a connu un essor prodigieux ces dernières décennies passant de matériaux simples à des structures plus complexes, particulièrement dans le domaine cardiovasculaire. Cette évolution découle de la nécessité des biomatériaux de permettre la synergie de différentes propriétés, dépendantes de leurs fonctions, qui ne sont pas forcément toutes compatibles. Historiquement, les premiers matériaux utilisés dans la conception de dispositifs médicaux étaient ceux présentant le meilleur compromis entre les propriétés physico-chimiques, mécaniques et biologiques que nécessitait leur application. Cependant, il se peut qu’un tel dispositif possède les bonnes propriétés physico-chimiques ou mécaniques, mais que sa biocompatibilité soit insuffisante induisant ainsi des complications cliniques. Afin d’améliorer ces propriétés biologiques tout en conservant les propriétés de volume du matériau, une solution est d’en modifier la surface. L’utilisation d’un revêtement permet alors de moduler la réponse biologique à l’interface biomatériau-hôte et de diminuer les effets indésirables. Ces revêtements sont optimisés selon deux critères principaux : la réponse biologique et la réponse mécanique. Pour la réponse biologique, les deux approches principales sont de mettre au point des revêtements proactifs qui engendrent l’adhérence, la prolifération ou la migration cellulaire, ou passifs, qui, principalement, sont inertes et empêchent l’adhérence de composés biologiques. Dans certains cas, il est intéressant de pouvoir favoriser certaines cellules et d’en limiter d’autres, par exemple pour lutter contre la resténose, principalement due à la prolifération incontrôlée de cellules musculaires lisses qui conduit à une nouvelle obstruction de l’artère, suite à la pose d’un stent. La recherche sur les revêtements de stents vise, alors, à limiter la prolifération de ces cellules tout en facilitant la ré-endothélialisation, c’est-à-dire en permettant l’adhérence et la prolifération de cellules endothéliales. Dans d’autres cas, il est intéressant d’obtenir des surfaces limitant toute adhérence cellulaire, comme pour l’utilisation de cathéter. Selon leur fonction, les cathéters doivent empêcher l’adhérence cellulaire, en particulier celle des bactéries provoquant des infections, et être hémocompatibles, principalement dans le domaine vasculaire. Il a été démontré lors d’études précédentes qu’un copolymère à base de dextrane et de poly(méthacrylate de butyle) (PBMA) répondait aux problématiques liées à la resténose et qu’il possédait, de plus, une bonne élasticité, propriété mécanique importante due à la déformation que subit le stent lors de son déploiement. L’approche de ce projet était d’utiliser ce copolymère comme revêtement de stents et d’en améliorer l’adhérence à la surface en formant des liens covalents avec la surface. Pour ce faire, cela nécessitait l’activation de la partie dextrane du copolymère afin de pouvoir le greffer à la surface aminée. Il était important de vérifier pour chaque étape l’influence des modifications effectuées sur les propriétés biologiques et mécaniques des matériaux obtenus, mais aussi d’un point de vue de la chimie, l’influence que cette modification pouvait induire sur la réaction de copolymérisation. Dans un premier temps, seul le dextrane est considéré et est modifié par oxydation et carboxyméthylation puis greffé à des surfaces fluorocarbonées aminées. L’analyse physico-chimique des polymères de dextrane modifiés et de leur greffage permet de choisir une voie de modification préférentielle qui n’empêchera pas ultérieurement la copolymérisation. La carboxyméthylation permet ainsi d’obtenir un meilleur recouvrement de la surface tout en conservant la structure polysaccharidique du dextrane. Le greffage du dextrane carboxyméthylé (CMD) est ensuite optimisé selon différents degrés de modification, tenant compte aussi de l’influence que ces modifications peuvent induire sur les propriétés biologiques. Finalement, les CMD précédemment étudiés, avec des propriétés biologiques définies, sont copolymérisés avec des monomères de méthacrylate de butyle (BMA). Les copolymères ainsi obtenus ont été ensuite caractérisés par des analyses physico-chimiques, biologiques et mécaniques. Des essais préliminaires ont montrés que les films de copolymères étaient anti-adhérents vis-à-vis des cellules, ce qui a permis de trouver de nouvelles applications au projet. Les propriétés élastiques et anti-adhérentes présentées par les films de copolymères CMD-co-PBMA, les rendent particulièrement intéressants pour des applications comme revêtements de cathéters.

Métabolisme des glucocorticoïdes dans le poumon murin en développement : la voie surrénalienne

Lorsqu’une femme est à risque d’accoucher prématurément, des glucocorticoïdes lui seront administrés afin d’accélérer la maturation pulmonaire du bébé. Après la naissance, différents protocoles peuvent être mis en place pour aider l’enfant à respirer dont l’administration du surfactant et la ventilation. Les glucocorticoïdes ont un effet positif sur la maturation pulmonaire. Par contre, ils nuisent au processus de la septation après la naissance. Les glucocorticoïdes retrouvés dans le poumon en développement peuvent provenir de deux sources, soit de la voie classique de la synthèse des glucocorticoïdes par les surrénales, soit des gènes exprimés dans le poumon. Les sites d’expression des gènes codant pour les enzymes de la synthèse des glucocorticoïdes dans le poumon sont inconnus ainsi que le gène de la 20α-hydroxystéroïde déshydrogénase (20α-HSD). Cette dernière inactive le substrat et le produit de la 21-hydroxylase. Des poumons de fœtus de souris au jour de gestation 15,5, 17,5 et 19,5 ainsi que de souriceaux âgés de 0, 5 et 15 jours ont été utilisés pour des hybridations in situ. Cette étude a montré qu’avant la naissance, l’ARNm de la 21-hydroxylase est situé au niveau des cellules épithéliales distales alors que l’ARNm de la 20α-HSD se retrouve plutôt au niveau des capillaires. Les gènes de la 21-hydroxylase et de la 20α-HSD sont exprimés dans les cellules épithéliales proximales ainsi que dans les cellules endothéliales de veines dans la période entourant la naissance. À la fin du stade sacculaire et pendant le stade alvéolaire, le gène de la 21-hydroxylase est exprimé seulement dans les septa et les parois minces tout comme le gène de la 20α-HSD sauf dans le stade alvéolaire où il n’y avait pas de signal significatif. Ainsi, ces résultats suggèrent que la 20α-HSD pourrait participer au contrôle du niveau d’activité de la 21-hydroxylase en modulant la disponibilité de son substrat.

Concussion: Examining the Effect of Neuronal Oxidative Stress on the Pathophysiology of Brain and Blood Brain Barrier Cells

Neuronal stretching during concussion alters glucose transport and reduces neuronal viability, also affecting other cells in the brain and the Blood Brain Barrier (BBB). Our hypothesis is that oxidative stress (OS) generated in neurons during concussions contributes to this outcome. To validate this, we investigated: (1) whether OS independently causes alterations in brain and BBB cells, namely human neuron-like, neuroblastoma cells (NCs), astrocyte cells (ACs) and brain microvascular endothelial cells (ECs), and (2) whether OS originated in NCs (as in concussion) is responsible for causing the subsequent alterations observed in ACs and ECs. We used H2O2 treatment to mimic OS, validated by examining the resulting reactive oxygen species, and evaluated alterations in cell morphology, expression and localization of the glucose transporter GLUT1, and the overall cell viability. Our results showed that OS, either directly affecting each cell type or originally affecting NCs, caused changes in several morphological parameters (surface area, Feret diameter, circularity, inter-cellular distance), slightly varied GLUT1 expression and lowered the overall cell viability of all NCs, ACs, and ECs. Therefore, we can conclude that oxidative stress, which is known to be generated during concussion, caused alterations in NCs, ACs, and ECs whether independently originated in each cell or when originated in the NCs and could further propagate the ACs and ECs.

The regulation of AMP-activated protein kinase by vascular endothelial growth factor

The function of the vascular endothelium is to maintain vascular homeostasis, by providing an anti-thrombotic, anti-inflammatory and vasodilatory interface between circulating blood and the vessel wall, meanwhile facilitating the selective passage of blood components such as signaling molecules and immune cells. Dysfunction of the vascular endothelium is implicated in a number of pathological states including atherosclerosis and hypertension, and is thought to precede atherogenesis by a number of years. Vascular endothelial growth factor A (VEGF) is a crucial mitogenic signaling molecule, not only essential for embryonic development, but also in the adult for regulating both physiological and pathological angiogenesis. Previous studies by our laboratory have demonstrated that VEGF-A activates AMP-activated protein kinase (AMPK), the downstream component of a signaling cascade important in the regulation of whole body and cellular energy status. Furthermore, studies in our laboratory have indicated that AMPK is essential for VEGF-A-stimulated vascular endothelial cell proliferation. AMPK activation typically stimulates anabolic processes and inhibits catabolic processes including cell proliferation, with the ultimate aim of redressing energy imbalance, and as such is an attractive therapeutic target for the treatment of obesity, metabolic syndromes, and type 2 diabetes. Metabolic diseases are associated with adverse cardiovascular outcomes and AMPK activation is reported to have beneficial effects on the vascular endothelium. The mechanism by which VEGF-A stimulates AMPK, and the functional consequences of VEGF-A-stimulated AMPK activation remain uncertain. The present study therefore aimed to identify the specific mechanism(s) by which VEGF-A regulates the activity of AMPK in endothelial cells, and how this might differ from the activation of AMPK by other agents. Furthermore, the role of AMPK in the pro-proliferative actions of VEGF-A was further examined. Human aortic and umbilical vein endothelial cells were therefore used as a model system to characterise the specific effect(s) of VEGF-A stimulation on AMPK activation. The present study reports that AMPK α1 containing AMPK complexes account for the vast majority of both basal and VEGF-A-stimulated AMPK activity. Furthermore, AMPK α1 is localized to the endoplasmic reticulum when sub-confluent, but translocated to the Golgi apparatus when cells are cultured to confluence. AMPK α2 appears to be associated with a structural cellular component, but neither α1 nor α2 complexes appear to translocate in response to VEGF-A stimulation. The present study confirms previous reports that when measured using the MTS cell proliferation assay, AMPK is required for VEGF-A-stimulated endothelial cell proliferation. However, parallel experiments measuring cell proliferation using the Real-Time Cell Analyzer xCELLigence system, do not agree with these previous reports, suggesting that AMPK may in fact be required for an aspect of mitochondrial metabolism which is enhanced by VEGF-A. Studies into the mitochondrial activity of endothelial cells have proved inconclusive at this time, but further studies into this are warranted. During previous studies in our laboratory, it was suggested that VEGF-A-stimulated AMPK activation may be mediated via the diacylglycerol (DAG)-sensitive transient receptor potential cation channel (TRPCs -3, -6 or -7) family of ion channels. The present study can neither confirm, nor exclude the expression of TRPCs in vascular endothelial cells, nor rule out their involvement in VEGF-A-stimulated AMPK activation; more specific investigative tools are required in order to characterise their involvement. Furthermore, nicotinic acid adenine dinucleotide phosphate (NAADP)-stimulated Ca2+ release from acidic intracellular organelles is not required for AMPK activation by VEGF-A. Despite what is known about the mechanisms by which AMPK is activated, far less is known concerning the downregulation of AMPK activity, as observed in human and animal models of metabolic disease. Phosphorylation of AMPK α1 Ser485 (α2 Ser491) has recently been characterised as a mechanism by which the activity of AMPK is negatively regulated. We report here for the first time that VEGF-A stimulates AMPK α1 Ser485 phosphorylation independently of the previously reported AMPK α1 Ser485 kinases Akt (protein kinase B) and ERK1/2 (extracellular signal-regulated kinase 1/2). Furthermore, inhibition of protein kinase C (PKC), the activity of which is reported to be elevated in metabolic disease, attenuates VEGF-A- and phorbol 12-myristate 13-acetate (PMA)-stimulated AMPK α1 Ser485 phosphorylation, and increases basal AMPK activity. In contrast to this, PKC activation reduces AMPK activity in human vascular endothelial cells. Attempts to identify the PKC isoform responsible for inhibiting AMPK activity suggest that it is one (or more) of the Ca2+-regulated DAG-sensitive isoforms of PKC, however cross regulation of PKC isoform expression has limited the present study. Furthermore, AMPK α1 Ser485 phosphorylation was inversely correlated with human muscle insulin sensitivity. As such, enhanced AMPK α1 Ser485 phosphorylation, potentially mediated by increased PKC activation may help explain some of the reduced AMPK activity observed in metabolic disease.

Low-Molecular-Weight Fucoidan Induces Endothelial Cell Migration via the PI3K/AKT Pathway and Modulates the Transcription of Genes Involved in Angiogenesis

Low-molecular-weight fucoidan (LMWF) is a sulfated polysaccharide extracted from brown seaweed that presents antithrombotic and pro-angiogenic properties. However, its mechanism of action is not well-characterized. Here, we studied the effects of LMWF on cell signaling and whole genome expression in human umbilical vein endothelial cells and endothelial colony forming cells. We observed that LMWF and vascular endothelial growth factor had synergistic effects on cell signaling, and more interestingly that LMWF by itself, in the absence of other growth factors, was able to trigger the activation of the PI3K/AKT pathway, which plays a crucial role in angiogenesis and vasculogenesis. We also observed that the effects of LMWF on cell migration were PI3K/AKT-dependent and that LMWF modulated the expression of genes involved at different levels of the neovessel formation process, such as cell migration and cytoskeleton organization, cell mobilization and homing. This provides a better understanding of LMWF's mechanism of action and confirms that it could be an interesting therapeutic approach for vascular repair.

Molecular mechanisms involved in cell response to mechanical forces

New devices were designed to generate a localized mechanical vibration of flexible gels where human umbilical vein endothelial cells (HUVECs) were cultured. The stimulation setups were able to apply relatively large strains (30%~50%) at high temporal frequencies (140~207 Hz) in a localized subcellular region. One of the advantages of this technique was to be less invasive to the innate cellular functions because there was no direct contact between the stimulating probe and the cell body. A mechanical vibration induced by the device in the substrate gel where cells were seeded could mainly cause global calcium responses of the cells. This global response was initiated by the influx of calcium across the stretch-activated channels in the plasma membrane. The subsequent production of inositol triphosphate (IP3) via phospholipase C (PLC) activation triggered the calcium release from the endoplasmic reticulum (ER) to cause a global intracellular calcium fluctuation over the whole cell body. This global calcium response was also shown to depend on actomyosin contractility and F-actin integrity, probably controlling the membrane stretch-activated channels. The localized nature of the stimulation is one of the most important features of these new designs as it allowed the observation of the calcium signaling propagation by ER calcium release. The next step was to focus on the calcium influx, more specifically the TRPM7 channels. As TRPM7 expression may modulate cell adhesion, an adhesion assay was developed and tested on HUVECs seeded on gel substrates with different treatments: normal treatment on gels showed highest attachment rate, followed by the partially treated gels (only 5% of usual fibronectin amount) and untreated gels, with the lowest attachment rate. The trend of the attachment rates correlated to the magnitude of the calcium signaling observed after mechanical stimulation. TRPM7 expression inhibition by siRNA caused an increased attachment rate when compared to both control and non-targeting siRNA-treated cells, but resulted in an actual weaker response in terms of calcium signaling. It suggests that TRPM7 channels are indeed important for the calcium signaling in response to mechanical stimulation. A complementary study was also conducted consisting in the mechanical stimulation of a dissected Drosophila embryo. Although ionomycin treatment showed calcium influx in the tissue, the mechanical stimulation delivered as a vertical vibration did not elicited calcium signaling in response. One possible reason is the dissection procedure causing desensitization of the tissue due to the scrapings and manipulations to open the embryo.