Assessing carotid plaque structure

Abstract

Atherosclerosis is the leading cause of death and disability in the western world. Its clinical complications include acute myocardial infarction, sudden death and stroke. Thirty to 40 % of all ischemic strokes are caused by a carotid stenosis. The acute clinical event is triggered by an occluding thrombosis and even more frequently by embolization. Besides the degree of stenosis, the structure of the carotid plaque can be relevant for the appearance of symptoms. This thesis is focused on different aspects of the human carotid plaque. We compared the biochemical components of plaques from symptomatic and and asymptomatic patients. Plaques from symptomatic patients were less calcified and had more elastin, cholesteryl esters and cells. No differences were found for collagen and sulphated glycosaminoglycans. We also compared the composition of the plaque according to their different characteristics when assessed with standardized high-definition ultrasonography. Echolucent plaques have previously been associated with increased risk for neurological events. We observed that echolucent plaques had less calcium, more elastin and more cells. Surprisingly, in contrast to previous histological reports, our biochemical analysis did not show significant differences in the amounts of lipids or collagen. We also separated different types of elastin present in the plaques and found that intermediate-sized forms were increased both in echolucent and in plaques associated with symptoms. We demonstrated the presence of the transcription factor activator protein-1 (AP-1) and its subunits in human carotid plaques and showed that its activity is increased in symptomatic plaques. AP-1 activity correlated with cholesteryl esters and with elastin. This transcription factor may be involved in lipid accumulation, inflammation and/or tissue remodelling. Finally, we showed that antibodies against specific antigens present in oxidized LDL reflect plaque structure as assessed by histology and immunohistochemistry. IgG against an aldehyde modified apoB-100 fragment (amino acids 3136-3155) was associated with small, lipid-rich and fibrous-poor plaques, whereas IgM against that peptide sequence and against a fragment containing amino acids 3661-3680 were associated with fibrous-rich, lipid-poor plaques with few macrophages. This suggests that monitoring humoral immune response against oxidized-LDL epitopes may be used to identify patients with vulnerable plaques. These studies contribute to a better characterization of the vulnerable carotid plaque, revealing possible new paths for diagnostic and therapeutic strategies.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Ateroskleros, ofta kallad åderförkalkning, är en sjukdom som påverkar stora och medelstora artärer såsom aorta, kranskärl, karotis och perifera artärer. Åderförkalkning i kranskärlen orsakar 70 % av dödsfallen hos dessa patienter och räknas som den främsta dödsorsaken i västvärlden. Cerebrovaskulär sjukdom orsakar 20 % av dödsfallen och är den tredje vanligaste dödsorsaken. Den innebär allvarliga konsekvenser för individen, samhället och ekonomin med tanke på den invaliditet som kan bli följden. Ischemisk stroke motsvarar 85 % av de akuta strokefallen och 30 - 40 % är orsakade av förträngningar i halskärlen. Det är ofta förekommande hos hjärtsjuka patienter. Sjukdomen kan vara symptomfri eller orsaka symptom som kan bero på total trombotisk ocklusion, låg perfusion eller mer vanligt förekommande, av embolisering. Dock är inte alla mekanismer som är inblandade i förekomsten av symptom kända. Flera riskfaktorer har klarlagts, såsom rökning, diabetes, högt blodtryck, ålder, manligt kön och dyslipidemi. Graden av stenos betraktas som en av de viktigaste aspekterna vad gäller förekomsten av symptom. Man har emellertid funnit att symptom också kan orsakas av mindre stenotiska plack. Att identifiera de faktorer som orsakar plackruptur och trombosbildning har därför blivit allt viktigare.



I den här avhandlingen fokuserade vi på olika aspekter av placksammansättningen som kan kopplas till förekomsten av symptom. Efter att på biokemisk väg ha undersökt huvudkomponenterna i placken fann vi att humana karotisplack som är associerade med symptom är mindre förkalkade och har mer DNA, lösliga proteiner, kolesterylestrar och elastin. Vi fann inga skillnader vad gällde mängden kollagen, glukosaminoglykan och fosfolipid i plack kopplade till symptom och sådana som var symptomfria. Vi analyserade de olika formerna av elastin i placken med hjälp av vätskekromatografi och fann att intermediära elastinformer som kan vara på väg mot korsbinding och/eller degradering var förhöjda i plack som kunde relateras till kliniska händelser. Vi lokaliserade elastin histologiskt i den lipidrika/nekrotiska kärnan, i området mellan kärnan och hättan och i skulderområdet. I symptomatiska plack var elastinnivåerna förhöjda under endotelet och i skulderområdet, samt på rupturerade ställen. Elastin kan vara en viktig faktor som påverkar plackens stabilitet och utveckling, men ytterligare studier om elastin är nödvändiga för att dra mer specifika slutsatser.”



Ultraljudsanalys med hög upplösning används rutinmässigt för att studera karotisartärer. En metod har etablerats för att standardisera bildanalysen och för att värdera ekogenicitet. Den här proceduren gör det möjligt att bestämma det s k grey-scale median (GSM)-värdet för ultraljudsbilden av plack. Med hjälp av GSM-värdet blir det möjligt att jämföra olika plack. Tidigare studier har visat att plack med låg ekogenicitet (mörkt utseende i ultraljudsbilden) är associerade med förekomsten av symptom. Därför blev vi intresserade av att undersöka den biokemiska sammansättningen av ekolucenta plack jämfört med ekogena. Vi fann att ekolucenta plack har mer DNA och lösligt protein, som är tecken på högre cellmängd, än i de ekogena. Intressant nog observerade vi att höga nivåer av elastin och låga nivåer av kalcium kunde kopplas till låg ekogenicitet. Ekogena plack, med ljust utseende, i ultraljudsbild är således mer förkalkade och har mindre elastin än ekolucenta plack. Överraskande nog fann vi inga skillnader mellan ekolucenta och ekogena plack vad gäller kollagen eller glykosaminoglykan eller neutrala lipider. Däremot var de intermediära formerna av elastin förhöjda i de ekolucenta placken. Den biokemiska sammansättningen i ekolucenta plack liknar således den hos plack med symptom.



Ett annat intressant ämne för oss var reglering av genuttryck i plack. Transkriptionsfaktorn ”activator protein-1” (AP-1) är involverad i inflammatoriska processer, immunreaktioner, och celltillväxt. Vi undrade därför om den hade en roll i plackstabilitet. Vi visade för första gången att aktiviteten av AP-1 var högre i plack associerade med symptom. AP-1-aktiviteten korrrelerade med mängden av kolesterylestrar, elastin och intermediära former av elastin i placken. Därtill analyserade vi subenheter av AP-1 genom immunoblotting. Vi fann att c-Jun och JunD var förhöjda i symptomatiska plack, att de korrelerade med kolesterylestrar Tillsammans antyder dessa resultat att AP-1 har en roll i ateroskleros.



Nyligen har det visat sig att immunsvaret spelar en viktig roll i utvecklingen av ateroskleros. Ett möjligt antigen som aktiverar humoralt immunsvar är oxiderat LDL. Placken innehåller IgG som känner igen epitoper i oxiderat LDL. Vår frågeställning var om man kunde hitta samband mellan plackstruktur och sjukdomsaktivitet i plack genom att analysera antikroppar mot specifika oxiderade LDL antigener i blodet. Vi fann att IgG mot ett aldehyd-modifierat apo B-100 fragment (aminosyrorna 3136-3155) kunde kopplas till små lipidrika men fiberfattiga plack med tecken på blödning. Dessa kännetecken tycks vara kopplade till hög risk för ruptur. Å andra sidan kunde IgM mot två olika aldehyd-modifierade apo B-100 fragment (aminosyrorna 3136-3155 och 3661-3680) kopplas till fiberrika och lipidfattiga plack innehållande få makrofager. Även om dessa observationer ska tolkas med viss försiktighet stödjer den här studien möjligheten att analys av humoralt immunsvar mot oxiderade LDL-epitoper kan användas för att identifiera patienter med sårbara plack.



Sammanfattningsvis har plack som kopplas till symptom en högre celltäthet, mer elastin, kolesterylestrar samt mindre kalcium, enligt de biokemiska analyserna. Ekolucenta plack visar liknande mönster. Detta gör standardiserad ultraljudsanalys med hög upplösning till ett viktigt diagnostiskt instrument för att utvärdera plackstruktur.En bättre kunskap om plackstruktur kan leda till en förbättring av behandling och uppföljning. Plack som kopplas till kliniska händelser har förhöjd AP-1-aktivitet, vilket hänger samman med kolesteryl esterar och mängden elastin i plack, kan tyda på att AP-1 har en roll vid inflammation, lipidökning och läkningsprocesser. På lång sikt kan detta öppna dörrar till nya terapeutiska tillämpningsområden. Utifrån ett immunologiskt synsätt visade vi hur IgG antikroppar mot definierade epitoper av apo B-100 är förknippade med histologiska kännetecken hos sårbara plack, medan IgM förknippas med kännetecken hos stabila plack. Det humorala immunsvaret kan möjligen vara kopplat till plackstruktur och sjukdomsaktivitet. Fortsättningsvis kan dessa studier bidra till nya ideer om immunomodulering av ateroskleros.

• author: Goncalves, Isabel
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Prof. Falk, Erling, Department of Cardiology, Cardiovascular Research Unit, Århus University Hospital (Skejby), Århus. Denmark
• organization: Cardiovascular Research - Translational Studies (research group); Department of Clinical Sciences, Malmö
• publishing date: 2004
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Clinical Medicine
• keywords: Cardiovascular system, Kardiovaskulära systemet, Modified LDL, Antibodies, Lipids, AP-1, Cellularity, Extracellular Matrix, Calcification, Elastin, Stroke, Gray-Scale Median, Echogenicity, Ultrasound, Atherosclerosis, Carotid Plaque
• pages: 163 pages
• defense location: Medicinska Klinikens aula, Malmö University Hospital, Malmö
• defense date: 2004-11-27 10:15:00
• ISBN: 91-89625-39-0
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: I. Changes related to age and cerebrovascular symptoms in the extracellular matrix of human carotid plaques.Isabel Gonçalves, Jonatan Moses, Nuno Dias, Luís Pedro, José Fernandes e Fernandes, Jan Nilsson, Mikko P. S. Ares. Stroke. 2003;34:616-622. Article: II. Echolucency of carotid plaques correlates with plaque cellularity.Isabel Gonçalves, Jonatan Moses, Luís Pedro, Nuno Dias, José Fernandes e Fernandes, Jan Nilsson, Mikko P. S. Ares. Eur J Vasc Endovasc Surg. 2003;26:32-38. Article: III. Elastin and calcium rather than collagen or lipid content are associated with the echogenicity of human carotid plaques.Isabel Gonçalves, Marie W. Lindholm, Luís Pedro, Nuno Dias, José Fernandes e Fernandes, Gunilla Nordin Fredrikson, Jan Nilsson, Jonatan Moses, Mikko P. S. Ares. Stroke, December 2004. In press. Article: IV. Increased levels of Activator Protein-1 (AP-1) in carotid plaques associated with cerebrovascular symptoms.Isabel Gonçalves, Maria M. Stollenwerk, Marie W. Lindholm, Nuno Dias, Luís Pedro, José Fernandes e Fernandes, Jonatan Moses, Gunilla Nordin Fredrikson, Jan Nilsson, Mikko P. S. Ares. Submitted for publication. Article: V. Humoral immune response against defined oxidized LDL antigens reflects structure and disease activity of carotid plaques.Isabel Gonçalves, Marie-Louise Gronholdt, Ingrid Söderberg, Mikko P. S. Ares, Borge Nordestgaard, Jacob F. Bentzon, Gunilla Nordin Fredrikson, Jan Nilsson. Submitted for publication. The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Internal Medicine (013242500), Emergency medicine/Medicine/Surgery (013240200)
• id: e09f7ec5-6136-47cf-9ee2-4a977af8aae0 (old id 467549)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:09:54
• date last changed: 2022-02-07 11:22:57