Inhibition of pyruvate kinase M2 by reactive oxygen species contributes to the development of pulmonary arterial hypertension

Aims: Pulmonary arterial hypertension [1] is a proliferative disorder associated with enhanced proliferation and suppressed apoptosis of pulmonary artery smooth muscle cells (PASMCs). Reactive oxygen species (ROS) is implicated in the development of PAH and regulates the vascular tone and functions. However, which cellular signaling mechanisms are triggered by ROS in PAH is still unknown. Hence, here we wished to characterize the signaling mechanisms triggered by ROS. Methods and Results: By Western blots, we showed that increased intracellular ROS caused inhibition of the glycolytic pyruvate kinase M2 (PKM2) activity through promoting the phosphorylation of PKM2. Monocrotaline (MCT)-induced rats developed severe PAH and right ventricular hypertrophy, with a significant increase in the P-PKM2 and decrease in pyruvate kinase activity which could be attenuated with the treatments of PKM2 activators, FBP and l-serine. The antioxidant NAC, apocynin and MnTBAP had the similar protective effects in the development of PAH. In vitro assays confirmed that inhibition of PKM2 activity could modulate the flux of glycolytic intermediates in support of cell proliferation through the increased pentose phosphate pathway (PPP). Increased ROS and decreased PKM2 activity also promoted the Cav1.2 expression and intracellular calcium. Conclusion: Our data provide new evidence that PKM2 makes a critical regulatory contribution to the PAHs for the first time. Decreased pyruvate kinase M2 activity confers additional advantages to rat PASMCs by allowing them to sustain anti-oxidant responses and thereby support cell survival in PAH. It may become a novel treatment strategy in PAH by using of PKM2 activators.

Sympathetic innervation of ciliary muscle and oculomotor function in emmetropic and myopic young adults

Purpose: Evidence exists for an additional inhibitory accommodative control system mediated by the sympathetic branch of the autonomic nervous system (ANS). This work aims to show the relative prevalence of sympathetic inhibition in young emmetropic and myopic adults, and to evaluate the effect of sympathetic facility on accommodative and oculomotor function. Methods: Profiling of ciliary muscle innervation was carried out in 58 young adult subjects (30 emmetropes, 14 early onset myopes, 14 late onset myopes) by examining post-task open-loop accommodation responses, recorded continuously by a modified open-view infrared optometer. Measurements of amplitude of accommodation, tonic accommodation, accommodative lag at near, AC/A ratio, and heterophoria at distance and near were made to establish a profile of oculomotor function. Results: Evidence of sympathetic inhibitory facility in ciliary smooth muscle was observed in 27% of emmetropes, 21% of early-onset myopes and 29% of late-onset myopes. Twenty-six percent of all subjects demonstrated access to sympathetic facility. Closed-loop oculomotor function did not differ significantly between subjects with sympathetic facility, and those with sympathetic deficit. Conclusions: Emmetropic and myopic groups cannot be distinguished in terms of the relative proportions having access to sympathetic inhibition. Presence of sympathetic innervation does not have a significant effect on accommodative function under closed-loop viewing conditions. © 2005 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Multiple roles of angiopoietins in atherogenesis

Purpose of review: The roles of angiopoietin-1 (Ang-1) and angiopoietin-2 (Ang-2) during vascular development have been extensively investigated, as has been their role in controlling the responsiveness of the endothelium to exogenous cytokines. However, very little is known about the role of these vascular morphogenic molecules in the pathogenesis of atherosclerosis. Here, we summarize the recent research into angiopoietins in atherosclerosis. Recent findings: Angiopoietin-2 is a context-dependent agonist that protects against the development of arteriosclerosis in rat cardiac allograft. A recent study showed, contrary to expectations, that a single systemic administration of adenoviral Ang-2 to apoE-/- mice, fed a Western diet, reduced atherosclerotic lesion size and LDL oxidation in a nitric oxide synthase dependent manner. In contrast, overexpression of Ang-1 fails to protect from rat cardiac allograft due to smooth muscle cell activation. The potential proatherogenic effect of Ang-1 is further supported by the induction of chemotaxis of monocytes by Ang-1 in a manner that is independent of Tie-2 and integrin binding. These studies highlight the need for extensive research to better understand the role of angiopoietins in the cardiovascular setting. Summary: Ang-2 inhibits atherosclerosis by limiting LDL oxidation via stimulation of nitric oxide production. In contrast, Ang-1 can promote monocyte and neutrophil migration. The angiopoietin–Tie-2 system provides an important new target for modulating vascular function.

Glutaredoxin-1 up-regulation induces soluble vascular endothelial growth factor receptor 1, attenuating post-ischemia limb revascularization

Glutaredoxin-1 (Glrx) is a cytosolic enzyme that regulates diverse cellular function by removal of GSH adducts from S-glutathionylated proteins including signaling molecules and transcription factors. Glrx is up-regulated during inflammation and diabetes. Glrx overexpression inhibits VEGF-induced endothelial cell (EC) migration. The aim was to investigate the role of up-regulated Glrx in EC angiogenic capacities and in vivo revascularization in the setting of hind limb ischemia. Glrx overexpressing EC from Glrx transgenic mice (TG) showed impaired migration and network formation and secreted higher level of soluble VEGF receptor 1 (sFlt), an antagonizing factor to VEGF. After hind limb ischemia surgery Glrx TG mice demonstrated impaired blood flow recovery, associated with lower capillary density and poorer limb motor function compared to wild type littermates. There were also higher levels of anti-angiogenic sFlt expression in the muscle and plasma of Glrx TG mice after surgery. Non-canonical Wnt5a is known to induce sFlt. Wnt5a was highly expressed in ischemic muscles and EC from Glrx TG mice, and exogenous Wnt5a induced sFlt expression and inhibited network formation in human microvascular EC. Adenoviral Glrx-induced sFlt in EC was inhibited by a competitive Wnt5a inhibitor. Furthermore, Glrx overexpression removed GSH adducts on p65 in ischemic muscle and EC, and enhanced nuclear factor kappa B (NF-kB) activity which was responsible for Wnt5a-sFlt induction. Taken together, up-regulated Glrx induces sFlt in EC via NF-kB -dependent Wnt5a, resulting in attenuated revascularization in hind limb ischemia. The Glrx-induced sFlt may be a part of mechanism of redox regulated VEGF signaling.

An experimental and theoretical analysis of nitric oxide availability in the microcirculation

Nitric Oxide (NO) is produced in the vascular endothelium where it then diffuses to the adjacent smooth muscle cells (SMC) activating agents known to regulate vascular tone. The close proximity of the site of NO production to the red blood cells (RBC) and its known fast consumption by hemoglobin, suggests that the blood will scavenge most of the NO produced. Therefore, it is unclear how NO is able to play its role in accomplishing vasodilation. Investigation of NO production and consumption rates will allow insight into this paradox. DAF-FM is a sensitive NO fluorescence probe widely used for qualitative assessment of cellular NO production. With the aid of a mathematical model of NO/DAF-FM reaction kinetics, experimental studies were conducted to calibrate the fluorescence signal showing that the slope of fluorescent intensity is proportional to [NO]2 and exhibits a saturation dependence on [DAF-FM]. In addition, experimental data exhibited a Km dependence on [NO]. This finding was incorporated into the model elucidating NO 2 as the possible activating agent of DAF-FM. A calibration procedure was formed and applied to agonist stimulated cells, providing an estimated NO release rate of 0.418 ± 0.18 pmol/cm2s. To assess NO consumption by RBCs, measurements of the rate of NO consumption in a gas stream flowing on top of an RBC solution of specified Hematocrit (Hct) was performed. The consumption rate constant (kbl)in porcine RBCs at 25°C and 45% Hct was estimated to be 3500 + 700 s-1. kbl is highly dependent on Hct and can reach up to 9900 + 4000 s-1 for 60% Hct. The nonlinear dependence of kbl on Hct suggests a predominant role for extracellular diffusion in limiting NO uptake. Further simulations showed a linear relationship between varying NO production rates and NO availability in the SMCs utilizing the estimated NO consumption rate. The corresponding SMC [NO] level for the average NO production rate estimated was approximately 15.1 nM. With the aid of experimental and theoretical methods we were able to examine the NO paradox and exhibit that endothelial derived NO is able to escape scavenging by RBCs to diffuse to the SMCs.

Theoretical Investigation of Intra- and Inter-cellular Spatiotemporal Calcium Patterns in Microcirculation

Microcirculatory vessels are lined by endothelial cells (ECs) which are surrounded by a single or multiple layer of smooth muscle cells (SMCs). Spontaneous and agonist induced spatiotemporal calcium (Ca2+) events are generated in ECs and SMCs, and regulated by complex bi-directional signaling between the two layers which ultimately determines the vessel tone. The contractile state of microcirculatory vessels is an important factor in the determination of vascular resistance, blood flow and blood pressure. This dissertation presents theoretical insights into some of the important and currently unresolved phenomena in microvascular tone regulation. Compartmental and continuum models of isolated EC and SMC, coupled EC-SMC and a multi-cellular vessel segment with deterministic and stochastic descriptions of the cellular components were developed, and the intra- and inter-cellular spatiotemporal Ca2+ mobilization was examined. Coupled EC-SMC model simulations captured the experimentally observed localized subcellular EC Ca2+ events arising from the opening of EC transient receptor vanilloid 4 (TRPV4) channels and inositol triphosphate receptors (IP3Rs). These localized EC Ca2+ events result in endothelium-derived hyperpolarization (EDH) and Nitric Oxide (NO) production which transmit to the adjacent SMCs to ultimately result in vasodilation. The model examined the effect of heterogeneous distribution of cellular components and channel gating kinetics in determination of the amplitude and spread of the Ca2+ events. The simulations suggested the necessity of co-localization of certain cellular components for modulation of EDH and NO responses. Isolated EC and SMC models captured intracellular Ca2+ wave like activity and predicted the necessity of non-uniform distribution of cellular components for the generation of Ca2+ waves. The simulations also suggested the role of membrane potential dynamics in regulating Ca2+ wave velocity. The multi-cellular vessel segment model examined the underlying mechanisms for the intercellular synchronization of spontaneous oscillatory Ca2+ waves in individual SMC. From local subcellular events to integrated macro-scale behavior at the vessel level, the developed multi-scale models captured basic features of vascular Ca2+ signaling and provide insights for their physiological relevance. The models provide a theoretical framework for assisting investigations on the regulation of vascular tone in health and disease.

Role of Vinculin in Regulating Force-Sensitive Dynamics of Adherens Junctions During Collective Cell Migration

Dynamic processes such as morphogenesis and tissue patterning require the precise control of many cellular processes, especially cell migration. Historically, these processes are thought to be mediated by genetic and biochemical signaling pathways. However, recent advances have unraveled a previously unappreciated role of mechanical forces in regulating these homeostatic processes in of multicellular systems. In multicellular systems cells adhere to both deformable extracellular matrix (ECM) and other cells, which are sources of applied forces and means of mechanical support. Cells detect and respond to these mechanical signals through a poorly understood process called mechanotransduction, which can have profound effects on processes such as cell migration. These effects are largely mediated by the sub cellular structures that link cells to the ECM, called focal adhesions (FAs), or cells to other cells, termed adherens junctions (AJs).

Overall this thesis is comprised of my work on identifying a novel force dependent function of vinculin, a protein which resides in both FAs and AJs - in dynamic process of collective migration. Using a collective migration assay as a model for collective cell behavior and a fluorescence resonance energy transfer (FRET) based molecular tension sensor for vinculin I demonstrated a spatial gradient of tension across vinculin in the direction of migration. To define this novel force-dependent role of vinculin in collective migration I took advantage of previously established shRNA based vinculin knock down Marin-Darby Canine Kidney (MDCK) epithelial cells.

The first part of my thesis comprises of my work demonstrating the mechanosensitive role of vinculin at AJ’s in collectively migrating cells. Using vinculin knockdown cells and vinculin mutants, which specifically disrupt vinculin’s ability to bind actin (VinI997A) or disrupt its ability to localize to AJs without affecting its localization at FAs (VinY822F), I establish a role of force across vinculin in E-cadherin internalization and clipping. Furthermore by measuring E-cadherin dynamics using fluorescence recovery after bleaching (FRAP) analysis I show that vinculin inhibition affects the turnover of E-cadherin at AJs. Together these data reveal a novel mechanosensitive role of vinculin in E-cadherin internalization and turnover in a migrating cell layer, which is contrary to the previously identified role of vinculin in potentiating E-cadherin junctions in a static monolayer.

For the last part of my thesis I designed a novel tension sensor to probe tension across N-cadherin (NTS). N-cadherin plays a critical role in cardiomyocytes, vascular smooth muscle cells, neurons and neural crest cells. Similar to E-cadherin, N-cadherin is also believed to bear tension and play a role in mechanotransduction pathways. To identify the role of tension across N-cadherin I designed a novel FRET-based molecular tension sensor for N-cadherin. I tested the ability of NTS to sense molecular tension in vascular smooth muscle cells, cardiomyocytes and cancer cells. Finally in collaboration with the Horwitz lab we have been able to show a role of tension across N-cadherin in synaptogenesis of neurons.

Assessing the immune phenotype of cardiac syndrome x: a prospective study of biomarkers

Cardiac Syndrome X (CSX), the presence of angina pectoris with objective signs of myocardial ischaemia despite angiographically normal epicardial coronary arteries, appears to be due to coronary microvascular dysfunction and is known to be associated with an elevation of several inflammatory biomarkers, suggesting a possible role for inflammation in its pathogenesis. We aimed to further characterise this relationship by prospectively analysing a wide variety of molecular biomarkers in a cohort of CSX patients thereby charting the changes in biomarkers throughout the natural history of CSX from its initial diagnosis to eventual disease quiescence. We found that CSX patients, when compared to healthy controls, have a persistent low-grade systemic inflammatory response characterised by an elevation of Tumour Necrosis Factor and Interferon-gamma, regardless of the presence of contemporaneous signs or symptoms of disease activity. Interleukin-6 and C-reactive Protein (CRP) are only elevated when patients have clinical evidence of disease activity and may be state markers in CSX. Moreover, CRP levels appear to correlate with signals of disease severity such as the time taken to develop symptoms during exercise stress testing. We have also demonstrated that the enzyme Indoleamine-2,3- dioxygenase is upregulated in active disease thus providing a possible explanation for the increased burden of psychological disease encountered in CSX. Analysis of the microRNA transcriptome showed that miR-143 is significantly under-expressed in CSX patients. This could allow phenotype switching in vascular smooth muscle cells with the resultant vascular remodelling causing reduced vessel responsiveness to local rheological stimuli and reduced luminal diameter with consequent increased microvascular resistance during times of increased myocardial oxygen demand, thereby limiting maximal hyperaemia during exercise. Our findings corroborate many previous hypotheses regarding the role of inflammation in CSX, generate new insights into possible pathogenic mechanisms and offer new therapeutic targets for the future management of this important cardiological condition.

TRPV2 Channels Contribute to Stretch-Activated Cation Currents and Myogenic Constriction in Retinal Arterioles

Purpose: Activation of the transient receptor potential channels, TRPC6, TRPM4, and TRPP1 (PKD2), has been shown to contribute to the myogenic constriction of cerebral arteries. In the present study we sought to determine the potential role of various mechanosensitive TRP channels to myogenic signaling in arterioles of the rat retina.

Methods: Rat retinal arterioles were isolated for RT-PCR, Fura-2 Ca2+ microfluorimetry, patch-clamp electrophysiology, and pressure myography studies. In some experiments, confocal immunolabeling of wholemount preparations was used to examine the localization of specific mechanosensitive TRP channels in retinal vascular smooth muscle cells (VSMCs).

Results: Reverse transcription-polymerase chain reaction analysis demonstrated mRNA expression for TRPC1, M7, V1, V2, V4, and P1, but not TRPC6 or M4, in isolated retinal arterioles. Immunolabeling revealed plasma membrane, cytosolic and nuclear expression of TRPC1, M7, V1, V2, V4, and P1 in retinal VSMCs. Hypoosmotic stretch-induced Ca2+ influx in retinal VSMCs was reversed by the TRPV2 inhibitor tranilast and the nonselective TRPP1/V2 antagonist amiloride. Inhibitors of TRPC1, M7, V1, and V4 had no effect. Hypoosmotic stretch-activated cation currents were similar in Na+ and Cs+ containing solutions suggesting no contribution by TRPP1 channels. Direct plasma membrane stretch triggered cation current activity that was blocked by tranilast and specific TRPV2 pore-blocking antibodies and mimicked by the TRPV2 activator, Δ9-tetrahydrocannabinol. Preincubation of retinal arterioles with TRPV2 blocking antibodies prevented the development of myogenic tone.

Conclusions: Our results suggest that retinal VSMCs express a range of mechanosensitive TRP channels, but only TRPV2 appears to contribute to myogenic signaling in this vascular bed.

Eph kinases and their ligands ephrins act in concert with sex hormones in regulating blood pressure

Les Erythropoietin-producing hepatocyte (EPH) sont la plus grande famille de récepteurs tyrosine kinase. Leurs ligands, les éphrines (EFNs), sont aussi des molécules exprimées à la surface cellulaire. Les EPH/EFNs sont impliqués dans de nombreux processus biologiques. L'hypertension artérielle (PA) est une maladie chronique qui, aujourd'hui, est devenue un problème médical critique dans le monde entier et un enjeu de santé publique. La découverte de nouvelles thérapeutiques de l'hypertension sont d'une grande importance pour la santé publique. Jusqu’à tout récemment, il existe seulement quelques études concernant le rôle de l’axe EPH/EFNs sur la fonction des cellules musculaires lisses vasculaires (CMLV). Dans nos études précédentes, nous avons montré qu'EPHB6 et EFNB1, de concert avec les hormones sexuelles, régulent la PA. Dans la présente étude, nous avons constaté que les différents membres de la famille EPH/EFN peuvent réguler soit positivement, soit négativement, la contractilité des CMLV et la PA: tandis que EPHB4 et EFNB2 appartiennent à la première catégorie, EFNB1, EFNB3 et EPHB6 appartiennent à la deuxième. In vivo, des souris males, mais non pas des femelles, porteuses d’une mutation EPHB4 (KO) spécifique du muscle lisse présentent une PA diminuée, comparée aux souris témoins (WT). Les CMLV de souris EPHB4 KO, en présence de testostérone, ont montré une contractilité réduite lors de la stimulation par la phényléphrine (PE). Au niveau moléculaire, la phosphorylation de la protéine kinase II dépendante de Ca2+/calmoduline et de la kinase de la chaine légère de la myosine (CLM) est augmentée, tandis que la phosphorylation de la kinase de la CLM est réduite dans les CMLV KO lors de la stimulation par PE, par rapport au WT CMLV. Cela fournit une base moléculaire à la réduction de la PA et de la contractilité des CMLV chez les souris EPHB4 KO. EFNB2 est le ligand majeur de l’EPHB4. Comme attendu, les souris EFNB2 KO spécifique du muscle lisse avaient un phénotype de PA semblable, quoique non identique, aux souris EPHB4 KO. Les souris mâles EFNB2 KO, mais pas femelles, sous régime régulier ou riche en sel, présentent une PA réduite, par rapport à leurs homologues WT. Au niveau cellulaire, les CMLV des souris KO ont montré une contractilité réduite lors de la stimulation par PE par rapport aux témoins WT. Une région de l’acide aminé (aa) 313 à l’aa 331 dans la partie intracellulaire d’EFNB2 est essentielle pour la signalisation inverse qui régule la contractilité des CMLV, selon des études de mutation-délétion. Dans une étude de génétique humaine, nous avons identifié, dans le gène EFNB2, six SNP qui étaient associées significativement au risque d'hypertension artérielle, de façon dépendante du sexe, ce qui corrobore nos résultats chez les souris. En revanche, la délétion du gène EFNB3 (KO) chez les souris femelles aboutit à une PA élevée et à une augmentation des résistances des petites artères in vivo, améliore la contractilité des petites artères ex-vivo et augmente la contractilité des CMLV in vitro. Les souris mâles KO ont une PA normale, mais la castration conduit à une augmentation significative de la PA dans les souris KO, mais pas dans les souris WT. Les CMLV des souris KO femelles ont montré une phosphorylation accrue de la CLM et une phosphorylation réduite de la kinase de la CLM, ce qui fournit à nouveau une base moléculaire aux phénotypes de PA et de contractilité des CMLV observés. Ce changement de signalisation est attribuable à une protéine adaptatrice Grip1. En effet, dans une étude d'association pan génomique par le Consortium International pour la Pression Sanguine, un SNP dans le gène GRIP1 a approché le seuil de significativité de la valeur p pour son association avec la pression diastolique. Nos recherches, pour la première fois, ont révélé que EPH/EFNs sont de nouveaux composants dans le système de régulation de la PA. Les membres de la famille EPH/EFN peuvent agir comme des forces Yin et Yang pour régler finement le tonus des vaisseaux pour assurer l'homéostasie de la PA et de sa régulation. Ces effets de EPH/EFNs dépendent du sexe et des niveaux d’hormones sexuelles. À partir de ces nouvelles connaissances, nous pourrions développer une nouvelle thérapie personnalisée pour l’hypertension artérielle, utilisant des antagonistes d'hormones sexuelles ou des thérapies de remplacement d'hormones sexuelles, selon les niveaux d'hormones sexuelles des patients et les mutations dans les gènes de l'EPH/EFN.

Vaisseau sanguin reconstruit par génie tissulaire : Développement d'une nouvelle approche pour la reconstruction de la media et interaction avec les microparticules

La media vasculaire est au coeur des processus physiopathologiques qui entraînent le développement de l’athérosclérose. L’utilisation d’une media reconstruite par génie tissulaire permet d’étudier les cellules musculaires lisses (CML) humaines dans un environnement plus physiologique que les cellules en culture monocouche. Les travaux présentés dans cette thèse sont orientés autour de la media vasculaire reconstruite par génie tissulaire comme modèle d’étude pharmacologique et prothèse vasculaire autologue. La première partie des travaux porte sur l’étude des interactions de cette tunique avec les microparticules (MP) circulantes. D’abord, nous avons montré que la présence de l’adventice modifie la réponse de la media aux MP produites in vitro à partir des lymphocytes T. Ensuite, l’étude de l’effet des MP isolées du sérum de patients en choc septique sur la media humaine a démontré que ces MP sont en mesure d’augmenter la contraction de la media par un mécanisme impliquant une diminution du NO et une augmentation de l’expression de l’ARN messager de l’interleukine-10. L’incubation de la media reconstruite avec cette cytokine anti-inflammatoire bloque l’hyporéactivité induite par les lipopolysaccharides. Le même phénomène a été reproduit in vivo, chez le rongeur. Ces résultats suggèrent que les SMP auraient un effet protecteur sur la fonction vasculaire, en potentialisant la contraction de la media. Ensuite, nous avons optimisé l’approche de reconstruction de prothèses vasculaires par auto-assemblage proposée initialement pour l’adapter au contexte particulier des CML. L’objectif principal était de permettre l’étude physiopathologique de la media à partir de toutes les lignées de CML; indépendamment de leur capacité de synthèse de matrice extracellulaire. Pour ce faire, nous avons développé un échafaudage de matrice extracellulaire produit par auto-assemblage à partir de fibroblastes humains. L’utilisation de cet échafaudage génère une media plus résistante et plus contractile que la technique initiale. Enfin, une anisotropie a été créée dans cet échafaudage pour permettre une orientation physiologique des CML. La media reconstruite devient ainsi plus résistante et plus contractile. Ces améliorations permettent de reconstruire des media à partir des cellules de plus de patients et mèneront à des études pharmacologiques plus représentatives de la population. Cet échafaudage facilitera la translation clinique de ce modèle de media reconstruite par génie tissulaire.

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.

The role of microRNA 21 in the development of in-stent restenosis

Coronary heart disease is a major cause of morbidity and mortality worldwide. Percutaneous coronary intervention (PCI) has become the most widely used method of coronary artery revascularisation. The use of stents to hold open atherosclerosis induced arterial narrowing has significantly reduced elastic recoil and acute vessel occlusion following balloon angioplasty. However, bare metal stents have been associated with in-stent restenosis attributed to vascular smooth muscle cell (VSMC) hyperplasia and excessive neointimal formation. The resultant luminal renarrowing may manifest clinically with the return of symptoms such as chest pain or shortness of breath. The development of drug eluting stents has significantly reduced the incidence of in-stent restenosis (ISR). Unfortunately the antiproliferative medications used not only inhibit VSMC proliferation but also re-endothelialisation of the stented vessel. In addition, the drug impregnated polymer coating has been associated with a chronic inflammatory response within the vessel wall predisposing patients to stent thrombosis. Thus the identification of novel therapies which promote vessel healing without excessive proliferative or inflammatory response may improve long term outcome and reduce the need for repeated revascularisation. MicroRNAs (miRs) are short (18-25 nucleotide) non-coding RNAs acting to regulate gene expression. By binding to the 3’untranslated region of mRNA they act to fine tune gene expression either by mRNA degradation or translational repression. Originally identified in coordinating tissue development microRNAs have also been shown to play important roles coordinating the inflammatory response and in numerous cardiovascular diseases. MiR-21 has been identified in human atherosclerotic plaques, arteriosclerosis obliterans and abdominal aortic aneurysms. In addition, its up regulation has been documented in preclinical models of vascular injury. This study sought to identify the role of miR-21 in the development of ISR. Utilising a small animal model of stenting and in vitro techniques, we sought to investigate its influence upon VSMC and immune cell response following stenting. 19 The refinement of a murine stenting model within the Baker laboratory and the electrochemical dissolution of the metal stent from within harvested vascular tissues significantly improved the ability to perform detailed histological analysis. In addition, identification of miRNAs using in situ hybridisation was achieved for the first time within stented tissue. Neointimal formation and ISR was significantly reduced in mice in which miR-21 had been genetically deleted. In addition, neointimal composition was found to be altered in miR-21 KO mice with reductions in VSMC and elastin content demonstrated. Importantly, no difference in re-endothelialisation was observed. In vitro analysis demonstrated that VSMCs from miR-21 KO mice had both reduced proliferative and migratory capacity following platelet derived growth factor stimulation. Molecular analysis revealed that these differences may, at least in part, be due to de-repression of programmed cell death 4 (PDCD4). PDCD4 is a known miR-21 target within VSMCs implicated in the suppression of proliferation and promotion of apoptosis. Unfortunately, initial attempts at antimiR mediated knockdown of miR-21 in vivo, failed to produce a similar change in the suppression of ISR. Furthermore, a significant alteration in macrophage polarisation state within the neointima of miR-21 WT and KO mice was noted. Immunohistochemical staining revealed a preponderance of anti-inflammatory M2 macrophages in KO mice. Analysis of bone marrow derived macrophages from miR-21 KO mice demonstrated an increased level of the peroxisome proliferation activating receptor-γ (PPARγ) which facilitates M2 polarisation. Importantly, significant alterations in numerous pro-inflammatory cytokines, which also have mitogenic effects, were also found following genetic deletion of miR-21. In Summary, this is the first study to look at miRs in the development of ISR. MiR-21 plays an important role in the development of ISR by influencing the proliferative response of VSMCs and modulating the immune response following stent deployment. Further attempts to modulate miR-21 expression following PCI may reduce ISR and the need for repeat revascularisation while also reducing the risk of stent thrombosis.

Involvement of Beta-arrestin 1 and Beta-arrestin 2 in store operated calcium entry

Résumé : La variation de la [Ca2+] intracellulaire participe à nombreux de processus biologiques. Les cellules eucaryotes expriment à la membrane plasmique une variété de canaux par lesquelles le calcium peut entrer. Dans les cellules non excitables, deux mécanismes principaux permettent l'entrée calcique; l'entrée capacitative de Ca2+ via Orai1 (SOCE) et l'entrée calcique activé par un récepteur (ROCE). Plusieurs protéines clés sont impliquées dans la régulation de ces voies d'entrée calcique, ainsi que dans l'homéostasie calcique. TRPC6 est un canal calcique impliquée dans l'entrée calcique dans les cellules à la suite d’une stimulation d’un récepteur hormonal. TRPC6 transloque à la membrane cellulaire et il y demeure jusqu'à ce que le stimulus soit retiré. Les mécanismes qui régulent le trafic et l'activation de TRPC6 sont cependant encore peu connus. Des découvertes récentes ont démontré qu'il y a un rôle potentiel de Rho kinase dans l'activité de TRPC6. Rho kinase est activée par la petite protéine G RhoA qui peut être activée par les protéines G hétérotrimériques Gα12 et Gα13. En plus de Gα12 et Gα13, les protéines de désensibilisation des GPCR β -arrestin 1 et / ou β-arrestin 2 peuvent aussi activer RhoA. Le but de notre étude est d'examiner la participation des protéines Gα12/13 et β-arrestin 1/ β-arrestin 2 dans l'activation de TRPC6 et de la protéine Orai1. Nous avons utilisé des ARN interférant (siRNA) spécifiques pour induire une réduction de l'expression de Gα12/13 ou β-arrestin 1/β-arrestin 2. La conséquence sur l’entrée de Ca2+ dans les cellules a été ensuite déterminée par imagerie calcique en temps réel suite à une stimulation par la vasopressine (AVP), thapsigargin ou carbachol. Nous avons donc identifié que dans des cellules A7r5, une lignée cellulaire de musculaires lisses vasculaires où le canal TRPC6 exprimé de manière endogène, la diminution de l’expression des protéines Gα12 ou Gα13 ne semble pas modifier l’entrée Ca2+ induit par l’AVP par rapport aux cellules témoins. D'autre part, la diminution de l’expression β-arrestin 1 ou β-arrestin 2 dans des cellules HEK 293 ainsi que des cellules HEK 293 exprimant de façon stable TRPC6 (cellules T6.11) ont augmenté l’entrée de Ca2+ induite par thapsigargin, un activateur pharmacologique de SOCE. Des études de co-immunoprécipitation démontrent une interaction entre la β-arrestin 1 et STIM1, alors qu'aucune interaction n'a été observée entre les β-arrestin 1 et Orai1. Nous avons de plus montré à l'aide d'analyse en microscopie confocale que la diminution de l’expression β-arrestin 1 ou β-arrestin 2 n’influence pas la quantité d’Orai1 à la périphérie cellulaire. Cependant, des résultats préliminaires indiquent que la diminution de l’expression β-arrestin 1 ou β-arrestin 2 augmente la quantité de STIM1-YFP dans l'espace intracellulaire et diminue sa quantité à la périphérie cellulaire. En conclusion, nous avons montré que les β-arrestin 1 ou β-arrestin 2 sont impliquées dans l'entrée capacitative de Ca2+ (SOCE) et contrôlent la quantité de STIM1 dans le réticulum endoplasmique.

L’implication de SHP-1 en condition élevée de glucose inhibe la signalisation de l’insuline et du PDGF-BB dans les cellules musculaires lisses vasculaires hypoxiques

Résumé : Bien que l’hypoxie soit un puissant inducteur de l’angiogenèse, l’activation des facteurs de croissance est perturbée en hyperglycémie au niveau du pied et du cœur. Cette perturbation entraîne la perte de prolifération et de migration chez les cellules endothéliales, musculaires lisses vasculaires et péricytes empêchant la formation de nouveaux vaisseaux qui mènera à l’amputation des membres inférieurs chez les patients diabétiques. Une étude a démontré qu’une augmentation de la protéine tyrosine phosphatase Src homology-2 domain-containing phosphatase-1 (SHP-1) en condition hyperglycémique chez les péricytes entraînait l’inhibition de la signalisation du PDGF-BB, ce qui résultait en le développement d’une rétinopathie diabétique. Nous avons alors soulevé l’hypothèse que l’expression de SHP-1 dans les cellules musculaires lisses vasculaires affecte la prolifération et la migration cellulaire par l’inhibition de la signalisation de l’insuline et du PDGF-BB en condition diabétique. Nos expérimentations ont été effectuées principalement à l’aide d’une culture primaire de cellules musculaires lisses primaires provenant d’aortes bovines. Comparativement aux concentrations normales de glucose (NG : 5,6 mM), l’exposition à des concentrations élevées de glucose (HG : 25 mM) pendant 48 h a résulté en l’inhibition de la prolifération cellulaire par l’insuline et le PDGF-BB autant en normoxie (20% O2) qu’en hypoxie (24 dernières heures à 1% O2). Lors des essais de migration cellulaire, aucun effet de l’insuline n’a été observé alors que la migration par le PDGF-BB fut inhibée en HG autant en normoxie qu’en hypoxie. L’exposition en HG à mener à l’inhibition de la signalisation de la voie PI3K/Akt de l’insuline et du PDGF-BB en hypoxie. Aucune variation de l’expression de SHP-1 n’a été observée mais son activité phosphatase en hypoxie était fortement inhibée en NG contrairement en HG où on observait une augmentation de cette activité. Finalement, une association a été constatée entre SHP-1 et la sous-unité bêta du récepteur au PDGF. En conclusion, nous avons démontré que l’augmentation de l’activité phosphatase de SHP-1 en hypoxie cause l’inhibition des voies de l’insuline et du PDGF-BB réduisant les processus angiogéniques des cellules musculaires lisses vasculaires dans la maladie des artères périphériques.