Detecting the Vulnerable Plaque

Abstract

Myocardial infarction and stroke, mainly caused by a rupture of an atherosclerotic plaque, are two of the most

common causes of mortality and morbidity in the world. Previous studies have pointed out inflammation, driven

by inflammatory lipids, as the keystone in the formation of the rupture prone vulnerable plaque. The risk for a

plaque rupture is greatly enhanced in the diabetic population and increased inflammation has been suggested as the

contributing factor. However, the mechanism remains unknown. One of the current greatest challenges in the

atherosclerotic field is to identify subjects with plaques that are vulnerable before the occurrence of a plaque

rupture.

In this thesis we provide evidence that the enzyme lipoprotein associated phospholipase A2 (LpPLA2) and the

lipids lysophosphatidylcholines and sphingolipids (ceramides, lactosylceramides, glucosylceramides) contribute to

the inflammatory process and that they are associated with the vulnerable plaque. This suggests that the synthesis

of these lipids may be possible therapeutic targets. We also show that the inflammatory process in the plaque is

reflected in the peripheral blood, as measured by cytokines, whereas no association was found for soluble

urokinase-type plasminogen activator receptor. The inflammatory cytokines MIP-1β, TNF-α and fractalkine

predict the inflammatory plaque with high sensitivity and specificity, proposing that these inflammatory cytokines

could be used as plasma markers for plaque inflammation. Finally, we provide novel data regarding the biology of

the diabetic plaque. According to our data the inflammatory activity is not increased in the diabetic plaque tissue.

Diabetic plaques contained less stabilizing extracellular matrix proteins (collagen and elastin). Additionally the

plaque levels of the inflammation regulating cytokine IL-10 and the growth factor platelet derived growth factor

as well as the smooth muscle cell stimulating matrix metalloproteinase 2 were significantly decreased in diabetic

plaque tissue. These findings were independent of the presence of symptoms.

In summary, this thesis shows that lipids as LysoPCs and glycosphingolipids are important inducers of plaque

inflammation and may be possible therapeutic targets. In the general population the inflammatory activity is an

important factor for the formation of a vulnerable plaque and this inflammatory process is reflected in blood,

hinting a role for fractalkine, MIP-1β and TNF-α as future biomarkers. In the diabetic population, however, an

impaired tissue repair mechanism seems to be the keystone of plaque vulnerability, rather than inflammation,

emphasizing the need for new therapeutic approaches for diabetics.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Åderförkalkning, den i folkmun använda benämningen för ateroskleros, är en sjukdom som de flesta lider av. Vi vet bara inte om det. Ateroskleros ger nämligen sällan symptom innan ett aterosklerotiskt plack (en lokal aterosklerosansamling i kärlväggen) brister och det bildas en blodpropp. Om placket som brister sitter i kärlen som förser hjärtat eller hjärnan med blod kan man drabbas av en hjärtinfarkt eller stroke. Två av de vanligaste dödsorsakerna i världen. Under de senaste decennierna har vi lärt oss mycket om hur sjukdomen initieras och vad som bidrar till dess vidare progress. Ökad kunskap och nya behandlingsmetoder för akut hjärtinfarkt och stroke har gjort att mortaliteten i den akuta fasen minskat.

Dessvärre ökar morbiditeten. Många som drabbats lider av och dör slutligen av komplikationer såsom hjärtsvikt och arytmier. För att vi ska lyckas minska morbiditeten måste vi identifiera de individer som har hög risk att drabbas av hjärt-kärlsjukdom. Om vi kan finna dessa individer i tid kan vi istället påbörja en intensiv preventiv behandling och förebygga plackrupturen innan de drabbas av hjärtinfarkt eller stroke. Trots att vi idag vet hur vi genom livsstilsförändring kan minska risken för insjuknande i hjärt-kärlsjukdom finns det fortfarande faktorer som inte går att eliminera. En av dessa faktorer är diabetes typ 1 men även till viss del diabetes typ 2. Diabetes är en av de viktigaste riskfaktorerna för att insjukna i kardiovaskulär sjukdom och trots intensiv forskning vet vi än idag inte varför. Gällande hypotes idag är att åderförkalkning utvecklas till följd av att cirkulerande blodlipider, främst låg densitet lipoproteiner (LDL, det onda kolesterolet), fastnar i kärlväggen och med tiden startar en inflammatorisk reaktion. Den inflammatoriska processen bryter ner stabiliserande komponenter i kärlväggen vilket leder till försvagning av kärlväggen som slutligen brister. När detta sker kommer blodet som strömmar genom kärlet i kontakt med det underliggande placket och det bildas en propp av koagulerat blod. Och en akut kärlkomplikation är ett faktum.

I denna avhandling har vi studerat blod och humana aterosklerotiska plack från artärerna i halspulsådern (arteria carotis). Fokus har riktats mot inflammationens betydelse i utvecklingen av vulnerabla plack (plack som tenderar att brista). Därutöver har vi undersökt hur olika lipider påverkar den inflammatoriska processen i kärlväggen och slutligen hur plackbiologin skiljer mellan diabetiker och icke-diabetiker. För att upptäcka nya sätt att detektera individer med hög risk för plackruptur har vi undersökt samband mellan uttrycket i blod och i plackvävnad för olika inflammatoriska markörer och lipider.

LDL som fastnat i kärlväggen förändras med tiden och blir oxiderat LDL. Då LDL oxiderats kan delar av LDL molekylen brytas ned av ett enzym som kallas lipoprotein associerat fosfolipas A2 (Lp-PLA2). När detta sker bildas en ny typ av lipider, lysofosfatidylkoliner (LysoPCs) som ter sig kunna inducera en kraftig inflammatorisk reaktion. LysoPCs och Lp-PLA2 finns i humana aterosklerotiska plack och framförallt i plack som brustit. Det finns idag ett läkemedel som hämmar Lp-PLA2, men man vet ännu inte hur LpPLA2 bidrar till plackets vulnerabilitet i människor och hur detta läkemedel påverkar inflammationen i kärlväggen. I denna avhandling visar vi att Lp-PLA2 är starkt associerat till inflammation i human plackvävnad och att LysoPCs bidrar till den inflammatoriska reaktionen. Genom att tillsätta en inhibitor av Lp-PLA2 hämmas det inflammatoriska svaret vilket stärker Lp-PLA2s roll som ett potentiellt mål vid behandling av hjärt-kärlsjukdom.

Oxiderat LDL påverkar även syntesen av flera andra lipider, däribland ceramider och glykosfingolipider (glucosylceramide och lactosylceramide). Det har länge varit känt att glykosfingolipider finns ansamlade i human plackvävnad. Deras roll i den aterosklerotiska utvecklingen har dock varit okänd. Nyligen publicerades en studie som visade att man kunde hämma utvecklingen av aterosklerotiska plack hos möss genom att inhibera syntesen av glykosfingolipider och därigenom även minska inflammationen. Våra resultat visar att ceramider och glykosfingolipider är högre i plack som har brustit och är kopplade till den inflammatoriska processen.

Genom att stimulera muskelceller från kärlväggen med dessa lipider lyckades vi inducera ett inflammatoriskt svar och framkalla celldöd. Minskande antal muskelceller i placket och ökad inflammation anses som två viktiga komponenter för att placket skall brista vilket talar för glykosfingolipider och ceramider bidrar till en ökad risk för plackruptur.

Plack hos diabetiker har tidigare visats vara kraftigt inflammerade i förhållande till plack från icke-diabetiker, men genesen är oklar. Den ökade inflammatoriska aktiviteten har antagits vara orsaken till att placken hos diabetiker rupturerar i en högre utsträckning än hos icke-diabetiker. För att undersöka olika anledningar till plackruptur hos diabetiker jämförde vi plack från diabetiker med plack från ickediabetiker. Enligt våra resultat var placken från diabetiker inte mer inflammerade. Däremot innehöll de betydligt mindre av de stabiliserande bindvävsproteinen kollagen och elastin. Plack från diabetiker innehöll även lägre nivåer av tillväxtfaktorer och enzym som inducerar kollagensyntes. Våra resultat är av stor betydelse eftersom vi påvisar att andra faktorer än just inflammationen i kärlväggen kan vara av betydande för utvecklandet av vulnerabla plack hos diabetiker.

För att se om den lokala inflammationen kunde avspeglas i det cirkulerande blodet valde vi att titta på Lp-PLA2, löslig urokinas-typ plasminogen aktivator receptor (suPAR) och inflammatoriska cytokiner. Alla har föreslagits som möjliga

markörer för hjärt-kärlsjukdom. Det har dock varit okänt hur dessa markörer förhåller sig mellan blodet och plackvävnaden. Lp-PLA2 har i flera studier visat sig vara en bra markör för framtida hjärt-kärlsjukdom. I vår studie fann vi, att nivåer i blodet korrelerade mot nivåerna i placken, vilket talar för att Lp-PLA2 även kan vara en lämplig markör för vulnerabla plack. suPAR är en rest efter att den membranbundna receptorn urokinas plasminogen aktivator receptor (uPAR) brutits ned. suPAR stiger vid många inflammatoriska tillstånd i blodet och uPAR förekommer i human plackvävnad med mycket inflammatoriska celler. Den lösliga formen, suPAR, har visat sig vara en markör i blodet för framtida hjärtkärlsjukdom. Vår studie visade att patienter som drabbats av stroke hade förhöjda nivåer av suPAR i blodet och i plackvävnad. Däremot förelåg ingen association mellan plack och blodnivåer vilket talar för att suPAR i blodet möjligen inte återspeglar uPAR-klyvning som sker i placket. Blodnivåer av suPAR var dock förhöjda hos diabetiker och kan vara en markör för individer som har hög risk att utveckla hjärt-kärlsjukdom.

Cytokiner är cellers signaleringsmolekyler. Ett flertal cytokiner frisätts från olika celler i vävnad vid inflammation. Att dessa inflammatoriska cytokiner kan mätas i plasma är känt sedan länge och flertalet har visat sig stiga hos patienter med hjärtkärlsjukdom. Det har dock inte varit känt hur dessa cytokiner i plasma återspeglar inflammationen i kärlväggen. Vår studie påvisar samband mellan flertalet cytokiner i plack och i blod. Nivåerna av vissa cytokiner var också betydligt högre i plackvävnad än i blod vilket talar för att det sker ett visst utträde från placket till blodet. Enligt våra resultat var fraktalkine, tumörnekrosfaktor-α (TNF-α) och makrofag inflammatoriskt protein-1β (MIP-1β) de cytokiner som med störst sensitivitet och specificitet kunde prediktera den inflammatoriska graden i kärlväggen.

Sammantaget visar vi i denna avhandling att inflammation är en viktig bidragande faktor till plackruptur hos personer utan diabetes och att lipider, LysoPCs och glykosfingolipider, verkar initiera denna process. Att hämma syntesen av dessa lipider kan vara ett effektivt sätt att minska kärlväggsinflammationen. Hos diabetiker verkar dock inte inflammationen spela så stor roll som man tidigare trott utan snarare verkar diabetiker ha en förhöjd risk för plackruptur på grund av en försämrad läkningsförmåga i kärlväggen. Att en försämrad sårläkning kan vara en av de viktiga faktorerna för plackruptur hos diabetiker är en viktig kunskap som kan spela stor roll i utvecklandet av nya läkemedel för diabetiker. Slutligen har vi påvisat starka markörer blodet som återspeglar kärlväggsinflammationen. Förutom Lp-PLA2 fann vi även att de inflammatoriska cytokinerna MIP-1β, TNF-α och fraktalkine var associerade till inflammationen i placket. Innebörden av detta fynd är att vi kan förstå hur ämnen passerar ut ur placket till blodcirkulationen eller från blodcirkulationen till placket. Med ökad kunskap om hur molekyler rör sig över kärlväggen ökar vi inte bara chansen att finna en bra markör i blodet utan även möjligheten att kombinera en biomarkör med en bildmetod för att kunna lokalisera placket.

• author: Edsfeldt, Andreas
• supervisor: Isabel Goncalves; Jan Nilsson
• opponent: MD, PhD Pasterkamp, Gerard, University Medical Centre Utrecht, the Netherlands
• organization: Cardiovascular Research - Immunity and Atherosclerosis (research group); EXODIAB: Excellence of Diabetes Research in Sweden
• publishing date: 2013
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Cardiac and Cardiovascular Systems
• keywords: Atherosclerosis, Carotid plaque, Inflammation, Diabetes, LpPLA2, suPAR, Cytokines, Lipids
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2013:116
• pages: 117 pages
• defense location: Föreläsningssalen på Kvinnokliniken, Jan Waldenströmsgata 47, ingång 74, Skånes Universitetssjukhus i Malmö
• defense date: 2013-11-15 13:00:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-87449-89-5
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 9e158c42-7656-4b23-a7e8-cf432383a862 (old id 4124101)
• date added to LUP: 2016-04-01 13:33:51
• date last changed: 2019-05-22 04:12:39