Proprotein convertase subtilisin/kexin type 9 in human disease

Les maladies cardiovasculaires (MCV) demeurent au tournant de ce siècle la principale cause de mortalité dans le monde. Parmi les facteurs de risque, l’hypercholestérolémie et l’obésité abdominale sont directement liées au développement précoce de l’athérosclérose. L’hypercholestérolémie familiale, communément associée à une déficience des récepteurs des lipoprotéines de basse densité (LDLR), est connue comme cause de maladie précoce d’athérosclérose et de calcification aortique chez l’humain. La subtilisine convertase proprotéine/kexine du type 9 (PCSK9), membre de la famille des proprotéines convertases, est trouvée indirectement associée aux MCV par son implication dans la dégradation du LDLR. Chez l'humain, des mutations du gène PCSK9 conduisent soit à une hypercholestérolémie familiale, soit à une hypocholestérolémie, selon que la mutation entraîne un gain ou une perte de fonction, respectivement. Il demeure incertain si les individus porteurs de mutations causant un gain de fonction de la PCSK9 développeront une calcification aortique ou si des mutations entraînant une perte de fonction provoqueront une obésité abdominale. Dans cette étude, nous avons examiné : 1) l’effet d’une surexpression de PCSK9 dans le foie de souris sur la calcification aortique ; 2) les conséquences d’une déficience en PCSK9 (Pcsk9 KO), mimant une inhibition pharmacologique, sur le tissu graisseux. Nous avons utilisé un modèle de souris transgénique (Tg) surexprimant le cDNA de PCSK9 de souris dans les hépatocytes de souris et démontrons par tomographie calculée qu’une calcification survient de façon moins étendue chez les souris PCSK9 Tg que chez les souris déficientes en LDLR. Alors que le PCSK9 Tg et la déficience en LDLR causaient tous deux une hypercholestérolémie familiale, les niveaux seuls de cholestérol circulant ne parvenaient pas à prédire le degré de calcification aortique. Dans une seconde étude, nous utilisions des souris génétiquement manipulées dépourvues de PSCK9 et démontrons que l’accumulation de graisses viscérales (adipogenèse) apparaît régulée par la PCSK9 circulante. Ainsi, en l’absence de PCSK9, l’adipogenèse viscérale augmente vraisemblablement par régulation post-traductionnelle des récepteurs à lipoprotéines de très basse densité (VLDLR) dans le tissu adipeux. Ces deux modèles mettent en évidence un équilibre dynamique de la PCSK9 dans des voies métaboliques différentes, réalisant un élément clé dans la santé cardiovasculaire. Par conséquent, les essais d’investigations et d’altérations biologiques de la PCSK9 devraient être pris en compte dans un modèle animal valide utilisant une méthode sensible et en portant une attention prudente aux effets secondaires de toute intervention.

L'accélération de la rigidité vasculaire associée au diabète de type 1 : implication de la protéine Gla de la matrice

L'hypertension systolique isolée (HSI), amenée par une augmentation de la rigidité vasculaire, est la forme d'hypertension la plus fréquente chez les personnes âgées de plus de 60 ans. L'augmentation de la rigidité vasculaire, causée en partie par la calcification aortique médiale, est accélérée de 15 ans chez les diabétiques. Il est suggéré que la calcification aortique serait responsable de la résistance aux agents antihypertenseurs chez les patients souffrant d'HSI, d'où la nécessité de développer de nouvelles stratégies thérapeutiques ciblant la calcification artérielle. La protéine Gla de la matrice (MGP) est une protéine anti-calcifiante dépendante de la vitamine K, qui doit être γ-carboxylée pour être active. Deux enzymes sont responsables de la γ-carboxylation, soit la γ-glutamyl-carboxylase et la vitamine K époxyde réductase (VKOR). Plusieurs études récentes ont indiqué que la calcification vasculaire semblait être associée à une réduction de la γ-carboxylation de la MGP, et à un déficit en vitamine K. La modulation de l'expression et/ou de l'activité de la γ-carboxylase et de la VKOR et l'impact de cette modulation sur la γ-carboxylation de la MGP en présence de diabète n'est pas connue. L'objectif principal de cette thèse était de déterminer les mécanismes impliqués dans l'accélération de la rigidité artérielle causée par la calcification des gros troncs artériels dans le diabète. Nous avons ainsi confirmé, dans un modèle animal de rigidité artérielle en présence de diabète de type 1, que la γ-carboxylation de la MGP était bel et bien altérée au niveau aortique. En fait, nous avons démontré que la quantité de MGP active (i.e. MGP γ-carboxylée, cMGP) au sein de la paroi vasculaire est diminuée significativement. Parallèlement, l'expression de la γ-carboxylase était diminuée de façon importante, alors que ni l'expression ni l'activité de la VKOR n'étaient modifiées. La diminution de l'expression de la γ-carboxylase a pu être reproduite dans un modèle ex vivo d'hyperglycémie. À l'aide de ce modèle, nous avons démontré que la supplémentation en vitamine K dans le milieu de culture prévenait la diminution de l'expression de la γ-carboxylase, alors que les animaux diabétiques de notre modèle in vivo avaient des concentrations plasmatiques de vitamine K pratiquement triplées. D'autre part, l'étude des voies de signalisation impliquées a révélé que la voie PKCβ pourrait être responsable de l'altération de la γ-carboxylase. Ces résultats génèrent de nouvelles pistes de réflexion et de nouvelles idées de recherche. Par exemple, il serait important de vérifier l'effet de la supplémentation en vitamine K dans le modèle animal de rigidité artérielle en présence de diabète pour évaluer l'effet sur la γ-carboxylation de la MGP et par le fait même, sur la calcification vasculaire. De plus, l'évaluation de l'effet de l'administration de molécules ciblant la voie PKC chez ce même modèle animal permettrait de déterminer leur impact sur le développement de la calcification vasculaire et d'évaluer leur potentiel thérapeutique. Selon les résultats de ces études, de nouvelles options pourraient alors être à notre disposition pour prévenir ou traiter la calcification artérielle médiale associée au diabète, ce qui aurait pour effet de ralentir le développement de la rigidité artérielle et d'ainsi diminuer le risque cardiovasculaire associé à l'HSI.

Impact du phénotype de la valve aortique et de l’âge sur la relation entre la calcification valvulaire aortique et la sévérité hémodynamique de la sténose aortique - Étude PROGRESSA

L’évaluation de la sténose aortique (SA) par échocardiographie Doppler aboutit à une classification discordante de la sévérité chez environ 30 % des patients. La tomodensitométrie qui mesure la calcification valvulaire aortique, un indice de sévérité anatomique, peut alors être utile pour corroborer la sévérité de la SA. De précédentes études ont montré une bonne corrélation entre la sévérité hémodynamique mesurée par échocardiographie Doppler et la sévérité anatomique définie par la calcification valvulaire aortique mesurée par tomodensitométrie. Cependant, l’impact du phénotype de la valve aortique (bicuspide versus tricuspide) et de l’âge sur cette relation entre sévérité hémodynamique et sévérité anatomique reste inconnu. Or, ces deux facteurs sont hautement impliqués dans le développement de la SA. En effet, les patients ayant une valve aortique bicuspide ont une prédisposition à développer une SA, et ce, généralement plus tôt que les patients avec une valve aortique tricuspide. L’hypothèse principale de l’étude est que le phénotype de la valve aortique et l’âge influencent la relation entre la sévérité hémodynamique et la calcification valvulaire aortique de la SA. L’objectif principal de l’étude est d’évaluer l’impact du phénotype de la valve aortique et de l’âge sur la relation entre la sévérité hémodynamique et la calcification valvulaire aortique de la SA.

Bases génétiques de la sténose valvulaire aortique calcifiée

La sténose valvulaire aortique (SVA) est une valvulopathie résultant en l'ouverture incomplète de la valve aortique. La calcification des feuillets associée au vieillissement est la cause la plus importante de la SVA. Sa pathogénèse implique des dépôts de lipoprotéines, de l'inflammation et de la calcification des feuillets. Notre étude vise à identifier les gènes associés à une prédisposition à la SVA afin de mieux comprendre les mécanismes sous-jacents à cette maladie et potentiellement identifier de nouvelles cibles thérapeutiques. Pour ce faire, nous avons recruté 190 patients avec SVA dégénérative et 192 témoins, appariés pour l'âge et le sexe, puis effectué une étude d’association par gènes candidats en utilisant des marqueurs génétiques polymorphiques (SNP). Les gènes candidats choisis incluent (1) ceux dont les polymorphismes ont été présumés associés à la SVA dans des études antérieures (APOB, APOE, ESR1, PTH et VDR) (2) des gènes dont les polymorphismes ont été significativement associés et validés pour quelques maladies inflammatoires (IL-10, TNFAIP3) ou pour le métabolisme lipidique (PCSK9, LDLR) dans des études d’association pangénomiques, et (3) des gènes impliqués dans la pathogénie de la SVA à partir d’études faites sur des modèles animaux en lien avec la calcification (BMP2, CCR5, CTGF, LRP5, MSX2, WNT3), le remodelage tissulaire (CTSS, MMP9) ou le métabolisme lipidique (SMPD1). Pour les gènes des groupes (1) et (2), nous avons utilisé les SNPs rapportés dans la littérature comme étant significativement associés. Pour le groupe (3), nous avons effectué une approche par «tagSNP» qui consiste à sélectionner un groupe de SNP capturant la variabilité génétique dans la région ciblée. Au total, 81 SNPs dans 18 gènes ont été testés. Nous avons trouvé une association nominale avec les gènes BMP2 (OR = 1.55, IC95%: 1.14-2.10, p = 0.004) et LRP5 (OR = 1.47, IC95%: 1.06-2.03, p = 0.023) après ajustement pour la maladie coronarienne. Les gènes BMP2 et LRP5, impliqués dans la calcification selon certains modèles expérimentaux, sont donc associés à la SVA. Ce travail devrait être validé dans une cohorte indépendante plus large dans un avenir rapproché et il pourrait être étendu à d’autres gènes.

Sélection in vivo par phage display dans un modèle de sténose valvulaire aortique chez la souris pour la découverte de nouveaux peptides ciblant la valve aortique

La sténose valvulaire aortique (SVA) est la maladie des valves cardiaques la plus répandue dans les pays développés qui touche les personnes âgées. La SVA est un processus actif caractérisé par des dépôts de lipides, de l’inflammation, de la fibrose et une calcification active des feuillets qui progresse vers un épaississement et durcissement de la valve aortique et une diminution de l’aire de la valve aortique. Nous avons émis l’hypothèse que la pathogénèse de la SVA modifie progressivement l’endothélium de la valve aortique, ce qui engendre l’expression de biomarqueurs spécifiques aux tissus et à la maladie. On rapporte dans cet étude, l’utilisation de la technique de sélection in vivo par phage display d’une librairie de peptides aléatoires afin de trouver de nouveaux peptides candidats qui se lieraient à des biomarqueurs spécifiques à la valve aortique malade d’une souris. Des souris ATX (LDLr-/-;Tg(hApoB+/+)) âgées atteintes de la SVA ont été utilisées pour la sélection in vivo d’une librairie de peptides aléatoires de 7 acides aminés contraints ou linéaires. Après 4 tours de criblage, on a caractérisé 14 phages différents qui ont été séparés en 5 motifs consensus pour la librairie linéaire et 11 phages différents qui représentent 5 différents motifs consensus pour la libraire de peptides contraints. La spécificité de 4 phages candidats de la librairie linéaire et de 5 phages de la librairie contrainte a été étudiée par l’immunomarquage des peptides d’intérêt exprimés par les phages sur les coupes de tissus de la valve aortique malade par rapport aux tissus contrôles du foie, du rein, de la rate, du ventricule et du poumon. Parmi eux, 6 phages représentent des peptides candidats intéressants qui ont besoin d’être testés davantage pour évaluer leur spécificité in vivo à la valve. Bien qu’il reste encore de la validation à effectuer, les peptides candidats spécifiques trouvés peuvent représenter des agents moléculaires d’imagerie utiles ou des transporteurs dans la livraison de drogue qui ciblent la valve aortique malade.

N-ethyl-N-nitrosourea (ENU) induced mutations within the Klotho gene lead to ectopic calcification and reduced lifespan in mouse models

Ectopic calcification (EC), which is the pathological deposition of calcium and phosphate in extra-skeletal tissues, may be associated with hypercalcaemic and hyperphosphataemic disorders, or it may occur in the absence of metabolic abnormalities. In addition, EC may be inherited as part of several monogenic disorders and studies of these have provided valuable insights into the metabolic pathways regulating mineral metabolism. For example, studies of tumoural calcinosis, a disorder characterised by hyperphosphataemia and progressive EC, have revealed mutations of fibroblast growth factor 23 (FGF23), polypeptide N-acetyl galactosaminyltransferase 3 (GALNT3) and klotho (KL), which are all part of a phosphate-regulating pathway. However, such studies in humans are limited by the lack of available large families with EC, and to facilitate such studies we assessed the progeny of mice treated with the chemical mutagen N-ethyl-N-nitrosourea (ENU) for EC. This identified two mutants with autosomal recessive forms of EC, and reduced lifespan, designated Ecalc1 and Ecalc2. Genetic mapping localized the Ecalc1 and Ecalc2 loci to a 11.0 Mb region on chromosome 5 that contained the klotho gene (Kl), and DNA sequence analysis identified nonsense (Gln203Stop) and missense (Ile604Asn) Kl mutations in Ecalc1 and Ecalc2 mice, respectively. The Gln203Stop mutation, located in KL1 domain, was severely hypomorphic and led to a 17-fold reduction of renal Kl expression. The Ile604Asn mutation, located in KL2 domain, was predicted to impair klotho protein stability and in vitro expression studies in COS-7 cells revealed endoplasmic reticulum retention of the Ile604Asn mutant. Further phenotype studies undertaken in Ecalc1 (kl203X/203X) mice demonstrated elevations in plasma concentrations of phosphate, FGF23 and 1,25-dihydroxyvitamin D. Thus, two allelic variants of Kl that develop EC and represent mouse models for tumoural calcinosis have been established. © 2015 Esapa et al.

Ectopic calcification among families in the Azores: Clinical and radiologic manifestations in families with diffuse idiopathic skeletal hyperostosis and chondrocalcinosis

Objective. Twelve families that were multiply affected with diffuse idiopathic skeletal hyperostosis (DISH) and/or chondrocalcinosis, were identified on the island of Terceira, The Azores, potentially supporting the hypothesis that the 2 disorders share common etiopathogenic factors. The present study was undertaken to investigate this hypothesis. Methods. One hundred three individuals from 12 unrelated families were assessed. Probands were identified from patients attending the Rheumatic Diseases Clinic, Hospital de Santo Espirito, in The Azores. Family members were assessed by rheumatologists and radiologists. Radiographs of all family members were obtained, including radiographs of the dorsolumbar spine, pelvis, knees, elbows, and wrists, and all cases were screened for known features of chondrocalcinosis. Results. Ectopic calcifications were identified in 70 patients. The most frequent symptoms or findings were as follows: axial pain, elbow, knee and metacarpophalangeal (MCP) joint pain, swelling, and/or deformity, and radiographic enthesopathic changes. Elbow and MCP joint periarticular calcifications were observed in 35 and 5 patients, respectively, and chondrocalcinosis was identified in 12 patients. Fifteen patients had sacroiliac disease (ankylosis or sclerosis) on computed tomography scans. Fifty-two patients could be classified as having definite (17%), probable (26%), or possible (31%) DISH. Concomitant DISH and chondrocalcinosis was diagnosed in 12 patients. Pyrophosphate crystals were identified from knee effusions in 13 patients. The pattern of disease transmission was compatible with an autosomal-dominant monogenic disease. The mean age at which symptoms developed was 38 years. Conclusion. These families may represent a familial type of pyrophosphate arthropathy with a phenotype that includes peripheral and axial enthesopathic calcifications. The concurrence of DISH and chondrocalcinosis suggests a shared pathogenic mechanism in the 2 conditions.

How does calcification influence plaque vulnerability? Insights from fatigue analysis

Background Calcification is commonly believed to be associated with cardiovascular disease burden. But whether or not the calcifications have a negative effect on plaque vulnerability is still under debate. Methods and Results Fatigue rupture analysis and the fatigue life were used to evaluate the rupture risk. An idealized baseline model containing no calcification was first built. Based on the baseline model, we investigated the influence of calcification on rupture path and fatigue life by adding a circular calcification and changing its location within the fibrous cap area. Results show that 84.0% of calcified cases increase the fatigue life up to 11.4%. For rupture paths 10D far from the calcification, the life change is negligible. Calcifications close to lumen increase more fatigue life than those close to the lipid pool. Also, calcifications in the middle area of fibrous cap increase more fatigue life than those in the shoulder area. Conclusion Calcifications may play a positive role in the plaque stability. The influence of the calcification only exists in a local area. Calcifications close to lumen may be influenced more than those close to lipid pool. And calcifications in the middle area of fibrous cap are seemly influenced more than those in the shoulder area.

Impact of calcification and intraluminal thrombus on the computed wall stresses of abdominal aortic aneurysm

Background: Increased biomechanical stresses within the abdominal aortic aneurysm (AAA) wall contribute to its rupture. Calcification and intraluminal thrombus can be commonly found in AAAs, but the relationship between calcification/intraluminal thrombus and AAA wall stress is not completely described. Methods: Patient-specific three-dimensional AAA geometries were reconstructed from computed tomographic images of 20 patients. Structural analysis was performed to calculate the wall stresses of the 20 AAA models and their altered models when calcification or intraluminal thrombus was not considered. A nonlinear large-strain finite element method was used to compute the wall stress distribution. The relationships between wall stresses and volumes of calcification and intraluminal thrombus were sought. Results: Maximum stress was not correlated with the percentage of calcification, and was negatively correlated with the percentage of intraluminal thrombus (r = -0.56; P = .011). Exclusion of calcification from analysis led to a significant decrease in maximum stress by a median of 14% (range, 2%-27%; P < .01). When intraluminal thrombus was eliminated, maximum stress increased significantly by a median of 24% (range, 5%-43%; P < .01). Conclusion: The presence of calcification increases AAA peak wall stress, suggesting that calcification decrease the biomechanical stability of AAA. In contrast, intraluminal thrombus reduces the maximum stress in AAA. Calcification and intraluminal thrombus should both be considered in the evaluation of wall stress for risk assessment of AAA rupture.

Correlation of Calcification on Excised Aortic Valves by Micro-Computed Tomography with Severity of Aortic Stenosis

Background and aim of the study: The quantification of incidentally found aortic valve calcification on computed tomography (CT) is not performed routinely, as data relating to the accuracy of aortic valve calcium for estimating the severity of aortic stenosis (AS) is neither consistent nor validated. As aortic valve calcium quantification by CT is confounded by wall and coronary ostial calcification, as well as motion artifact, the ex-vivo micro-computed tomography (micro-CT) of stenotic aortic valves allows a precise measurement of the amounts of calcium present. The study aim, using excised aortic valves from patients with confirmed AS, was to determine if the amount of calcium on micro-CT correlated with the severity of AS. Methods: Each of 35 aortic valves that had been excised from patients during surgical valve replacement were examined using micro-CT imaging. The amount of calcium present was determined by absolute and proportional values of calcium volume in the specimen. Subsequently, the correlation between calcium volume and preoperative mean aortic valve gradient (MAVG), peak transaortic velocity (V-max), and aortic valve area (AVA) on echocardiography, was evaluated. Results: The mean calcium volume across all valves was 603.2 +/- 398.5 mm(3), and the mean ratio of calcium volume to total valve volume was 0.36 +/- 0.16. The mean aortic valve gradient correlated positively with both calcium volume and ratio (r = 0.72, p <0.001). V-max also correlated positively with the calcium volume and ratio (r = 0.69 and 0.76 respectively; p <0.001). A logarithmic curvilinear model proved to be the best fit to the correlation. A calcium volume of 480 mm(3) showed sensitivity and specificity of 0.76 and 0.83, respectively, for a diagnosis of severe AS, while a calcium ratio of 0.37 yielded sensitivity and specificity of 0.82 and 0.94, respectively. Conclusion: A radiological estimation of calcium amount by volume, and its proportion to the total valve volume, were shown to serve as good predictive parameters for severe AS. An estimation of the calcium volume may serve as a complementary measure for determining the severity of AS when aortic valve calcification is identified on CT imaging. The Journal of Heart Valve Disease 2012;21:320-327

A Comparison of the SNP Variation in the Calcification PMCA Gene of Lottia gigantea between a Santa Barbara Population and a More Acidic Monterey Bay Population

As the atmospheric levels of CO2 rise from human activity, the carbonic acid levels of the ocean increase, causing ocean acidification. This increase in acidity breaks down the calcified bodies that many marine organisms depend upon. Upwelling regions such as Monterey Bay in California have pH levels that are not expected to reach the open ocean for a few decades. This study reviews one of the common intertidal animals of the California coast, the Owl Limpet Lottia gigantea, and its genetic variation of the plasma membrane Ca2+ ATPase (PMCA) in relation to the acidity of its environment. The PMCA protein functions in the calcification process of many organisms. Specifically in limpets, this gene functions to form its protective shell. Single-nucleotide polymorphisms (SNPs) were found among five sections of the gene to determine variation between the acidic environment population in Monterey, California and the non-acidic environment population in Santa Barbara, California. While some variation was determined, the Monterey Bay and Santa Barbara Lottia gigantea populations are not significantly distinct at the PMCA gene. Sections B, C, and D were found to be linked. Only one location in Section B was found to have an amino acid change within an exon. Section A has the strongest connection to the sampling location. Monterey individuals were seen to be more genetically recognizable, while Santa Barbara individuals showed slightly more variation. Understanding the trends of ocean acidification, upwelling region activities, and population genetics will assist in determining how the ocean environment will behave in the future.

Vascular calcification and mineral bone disorder in chronic kidney disease

Chronic Kidney Disease (CKD), osteoporosis and mild hyponatremia are all prevalent chronic conditions that may coexist and are often under-recognized. Mineral-Bone Disorder begins early in the natural history of CKD and results in complex abnormalities of bone which ultimately confers a well-established increased risk of fragility fractures in End Stage Kidney Disease. Hyponatremia is a novel, usually renal mediated metabolic perturbation, that most commonly occurs independently of the stage of renal dysfunction but which may also predispose to increased fracture risk. The extent -if any- to which either early stages of renal dysfunction or the presence of hyponatremia contribute to fracture occurrence in the general population, independently of osteoporosis, is unclear. Renal transplantation is the treatment of choice for ESKD and although it restores endogenous renal function it typically fails to normalize either the long term cardiovascular or fracture risk. One potential mechanism contributing to these elevated long-term risks and to diminished Health Related Quality of Life is persistent, post-transplant hyperparathyroidism. In this study we retrospectively examine the association of renal function and serum sodium with Bone Mineral Density and fracture occurrence in a retrospective cohort of 1930 female members of the general population who underwent routine DXA scan. We then prospectively recruited a cohort of 90 renal transplant recipients in order to examine the association of post transplant parathyroid hormone (PTH) level with measures of CKD Mineral Bone Disorder, including, DXA Bone Mineral Density, Vascular Calcification (assessed using both abdominal radiography and CT techniques, as well as indirectly by carotid-femoral Pulse Wave Velocity) and Quality of Life (using the Short Form-12 and a PTH specific symptom score). In the retrospective DXA cohort, moderate CKD (eGFR 30-59ml/min/1.73m2) and hyponatremia (<135mmol/L) were associated with fracture occurrence, independently of BMD, with an adjusted Odds Ratio (95% Confidence Interval), of 1.37 (1.0, 1.89) and 2.25 (1.24, 4.09) respectively. In the renal transplant study, PTH was independently associated with the presence of osteoporosis, adjusted Odds Ratio (95% Confidence Interval), 1.15 (per 10ng/ml increment), (1.04, 1.26). The presence of osteoporosis but not PTH was independently associated with measures of vascular calcification, adjusted ß (95% Confidence Interval), 12.45, (1.16, 23.75). Of the eight quality-of-life domains examined, post-transplant PTH (per 10ng/ml increment), was only significantly and independently associated with reduced Physical Functioning, (95% Confidence Interval), 1.12 (1.01, 1.23). CKD and hyponatremia are both common health problems that may contribute to fracture occurrence in the general population, a major on-going public health concern. PTH and decreased Bone Mineral Density may signal sub-optimal long-term outcomes post renal transplantation, influencing bone and vascular health and to a limited extent long term Health Related Quality of Life