Ion channels and electrical activity in vascular smooth muscle: Effects of calcium store depletion, cholesterol and cholesterol-lowering drugs.

Abstract

Smooth muscle cells (SMCs) in the vessel wall contract to regulate blood flow and pressure, a function essential for normal circulation through tissues. On the other hand, migration and proliferation of SMCs are important factors in vascular disease, such as atherosclerosis and restenosis following surgical dilatation. The conversion of the SMC to this role is marked by a modulation from contractile to synthetic phenotype, with decreased contents of contractile/cytoskeletal proteins, increased synthesis of extracellular matrix proteins and capacity to enter the cell cycle and proliferate in response to mitogenic stimuli. Phenotype regulation involves influences from the extracellular matrix, cell-cell interactions, and intrinsic factors, such as the activity of receptors and ion channels in the cell membrane. Serum-free organ culture of whole blood vessels preserves the tissue environment of the SMCs, and at the same time initiates processes similar to those in vascular lesions, allowing study of early phenotype modulation before proliferation is initiated. In rat cerebral arteries, organ culture causes decreased Ca2+ influx through voltage-dependent L-type channels, while Ca2+ entry upon depletion of intracellular Ca2+ stores, mediated by store-operated channels (SOCs) and encoded by member(s) of the transient receptor potential (TRP) gene family, including TRPC1, increases. Similar plasticity in TRP expression is seen in human internal mammary arteries cultured after balloon-dilatation, suggesting TRP increase to be an early component in phenotype modulation, potentially representing a target for prevention and therapy. Among the vascular actions of hypercholesterolemia is increased sensitivity of arterial smooth muscle to the vasoconstrictor endothelin-1 (ET-1), of possible importance for vascular disease. To elucidate the signaling steps involved, we extracted cholesterol from endothelium-denuded rat arteries using methyl-ƒÒ-cyclodextrin (mƒÒcd). This selectively attenuated one component of the response to ET-1 that was found to be associated with SOC activity, mediated by TRPC1. Conversely, cholesterol loading increased this component, suggesting that association of ET-1 receptors and TRPC1 in cholesterol-rich membrane caveolae is important for the coupling between receptor and channel activation. Cholesterol-lowering statins inhibited vascular contractions by a mechanism not linked to cholesterol or isoprenoid metabolism. Whole-cell patch clamp recordings suggested lipophilicity to be an important factor behind these effects of statins on vascular tone, with L-type Ca2+ channel inhibition as a likely mechanism of action.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Ateroskleros är en sjukdomsprocess vars grundläggande utveckling i blodkärlens väggar sannolikt börjar flera decennier innan insjuknandet i infarkt eller slaganfall inträffar. Som svar på endotelskada, inflammatoriska mediatorer eller tillväxtfaktorer i kärlet kommer glatta muskelceller att dela sig, migrera in mot blodbanan och börja syntetisera en helt ny uppsättning äggviteämnen bestående av nya ytreceptorer, bindväv och tillväxtfaktorer. Man beskriver ofta denna dedifferentierings-process som en övergång av muskelceller från en kontraktil till en syntetisk fenotyp. Förloppet ger upphov till en s.k. neointima, vilken via flera olika stadier utvecklas till det aterosklerotiska placket. I det stabila placket, vanligen på gränsen till mer frisk kärlvägg, kan en ruptur uppstå vilket leder till en mekanisk förträngning av kärllumen men ffa till aktivering av trombocyter vilket, kan ge blodkoagulation med total förträngning och massiv hjärtmuskelcelldöd som följd.



Kärlmuskelcellernas fenotypreglering hänger intimt samman med vävnadsmiljön, inkluderande omgivande extracellularrum och interaktion med andra celler. Dessa influenser går förlorade när cellerna isoleras och sås ut i odlingsmedium, varför de då snabbt förlorar sin kontraktila differentiering. För att komma åt tidiga skeenden i processen används därför organodling av intakta kärlsegment. Organodling i frånvaro av tillväxtfaktorer (serum) bevarar de glatta muskelcellernas kontraktionsegenskaper under flera dagar, medan däremot receptorer och jonkanaler i cellmembranen, liksom den intracellulära kalcium-hanteringen, kan ändra sina egenskaper. Blodkärl från råtta visar efter 3 dagars organodling ett ökat inflöde av Ca2+-joner efter tömning av de intracellulära Ca2+-förråden. De jonkanaler som är ansvariga för detta, de s.k. ¡¨Store-Operated Channels¡¨ (SOC), bedöms vara kodade av den s.k. TRP-genen (¡¨Transient Receptor Potential¡¨) som först hittades i retina hos bananfluga. Den funktionella betydelsen av dessa förändringar är okänd, men det står klart att den intracellulära Ca2+-koncentrationen är en viktig faktor för tillväxt och differentiering, då traumatisering genom ballongdilatation av kärl från människa leder till kraftig uppreglering av SOC-associerade TRP-gener.



Hyperkolesterolemi är den i särklass viktigaste riskfaktorn för ateroskleros och manipulation av kolesterolhalten i de glatta muskelcellerna i artärväggen påverkar känsligheten för den vasoaktiva substansen endotelin, en påverkan som är karaktäristiskt för sjukdomsbilden. Den ändrade känsligheten är förenad med strukturella effekter på de kolesterolstabiliserade, 50-100 nm stora membraninvaginationer, allmänt benämnda caveolae. Ett flertal kliniska och experimentella studier har identifierat en association mellan ateroskleros, ökade endotelinsvar och ökade halter cirkulerande endotelin. Dessa samband beror på att både endotelinreceptorn och en TRPC1-kodad kanal som aktiveras av endotelin finns i dessa membrandomäner. Rubbningar av kolesterolinnehållet förändrar styrkan i kommunikationen och kopplingen mellan SR och kanalen, en närhet nödvändig för aktivering enligt den föreslagna konformations-kopplingsmodellen. En ökad association av TRPC1 med caveolae vid ökad plasmakoncentration av kolesterol skulle därför kunna förklara en del av endotelinets roll i aterosklerosprocessen, då hälften av cellens TRPC1 kanaler normalt är sammankopplade med caveolae.



Hyperkolesterolemi behandlas normalt med statiner, vilka verkar genom hämning av det hastighetsreglerade enzymet HMG-CoA reduktas i kolesterolsyntesen. Behandlingens primära syfte är naturligtvis att minska kolesterolproduktion men den har dessutom visat sig ha andra följder som inte direkt kan relateras till dess effekter på blodfetterna. Kända sådana mekanismer involverar reducering av isoprenoider vilka är nödvändiga för post-translationell modifiering av speciellt membranbundna proteiner. En annan, mer akut, effekt som vi visat är påverkan på kalciumkanaler av L-typ i cerebralkärl. Inflöde genom dessa inhiberas till 80 % av substansen lovastatin vilket kan ge en skyddande verkan mot stroke genom att reducera kärlsammandragning (vasospasm) efter skadan.



För att förstå hur kolesterol påverkar kärlens benägenhet för vasospasm och ateroskleros är det väsentligt att kartlägga hur och i vilken omfattning kolesterol påverkar kärlfunktionen på cellulär nivå. Effekter av kolesterol på caveolae-associerad signalering kan ge insikter i det aterosklerotiska sjukdomsförloppet, där infiltration och proliferation av glatta muskelceller i intiman initieras genom förändringar i den intracellulära kalciumhanteringen. Det är en intressant möjlighet att farmakologisk blockad av TRP-kodade kanaler skulle kunna förbygga uppkomsten av neointima i samband med ateroskleros och restenos.

• author: Bergdahl, Andreas
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Professor Hedin, Ulf, Department of Surgical Sciences, Karolinska Hospital, Stockholm, Sweden
• organization: Vascular Physiology (research group)
• publishing date: 2004
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Physiology
• keywords: Fysiologi, Physiology, statins, endothelin, cholesterol, caveolae, smooth muscle, TRP, Ca2+ channels, SOC
• pages: 88 pages
• defense location: Grubb-salen
• defense date: 2004-09-24 13:15:00
• ISBN: ISBN 91-628-6223-5
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 8a9c59a7-597e-4644-853d-a1a55f1490b6 (old id 467262)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:38:58
• date last changed: 2018-11-21 21:06:14