Effects of Rho kinase, prostacyclin and L-arginine on microvascular permeability and perfusion

Abstract

This thesis presents some effects of Rho kinase, prostacyclin (PGI2) and nitric oxide (NO) in relation to trauma and inflammation by evaluating their effects on microvascular perfusion and permeability in mouse brain and in cat skeletal muscle. PGI2 and NO are endogenous vasoactive substances produced by the endothelium. They are vasodilators with antiaggregatory/antiadhesive and permeability-reducing properties, and exert their effects via cAMP and cGMP, respectively.



Earlier studies indicate that both PGI2 and NO are beneficial by improving perfusion in the traumatized brain. Rho kinase is an intracellular kinase, known to increase the contractility of the endothelial cells and thereby the intercellular distance and may, therefore, be involved in regulation of microvascular permeability. cAMP and cGMP are also suggested to exert their permeability-reducing effects by affecting the intercellular distance between the endothelial cells. PGI2, NO and Rho kinase affect the contractility of smooth muscle cells and thereby contributes to the regulation of vascular resistance.



The effects on fluid and protein microvascular permeability of the Rho kinase inhibitor Y-27632 and PGI2 were analysed in cat skeletal muscle. Y-27632 reduced permeability following the surgical trauma, as shown previously for PGI2, but neither PGI2 nor Y-27632 counteracted the endotoxin-induced increase in fluid and protein permeability. These results suggest that mechanisms behind increased permeability during inflammation differ partly from those responsible for normal regulation of permeability.



To investigate cerebral hemodynamic effects of brain trauma, a controlled cortical impact injury was evaluated regarding trauma-induced effects on cortical blood flow, number of perfused capillaries, permeability-surface area product, brain oedema and contusion volume. The model was then used to evaluate effects of L-arginine and endogenous PGI2 (using transgenic mice with deficient PGI2 receptor) on these parameters following trauma. L-arginine improved cerebral perfusion in the contusion areas, and endogenous PGI2 is important for cell survival as the contusion was larger in animal with deficient PGI2 receptor.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Cirkulationen i de minsta kärlen, de s.k. mikrovaskulära utbyteskärlen är viktig för vävnadens syre- och näringstillförsel. Mikrocirkulationen utgörs av de minsta artärerna, kapillärerna, och de minsta venerna. I kapillärerna och i de minsta venerna sker utbytet av näring, syre, samt koldi-oxid och andra metabola restprodukter. För fettlösliga ämnen som koldioxid och syre regleras utbytet via diffusion över kapillärväggens cellmembran, men för vattenlösliga ämnen bestäms utbytet av genomsläppligheten, permeabiliteten, över kapillärväggen. Permeabilitet bestäms bland annat av hur kärlväggens celler, endotelcellerna, förhåller sig till varandra, dvs. hur tätt bundna med varandra de sitter och hur många och stora spalter (porer) det finns mellan celler-na. Permeabiliteten påverkas även av det lager av socker- och proteinmolekyler, kallat glykoka-lyx, som bekläder endotelcellernas kärlyta. Porernas storlek påverkas av endotelcellernas förmå-ga att kontrahera. Kontraktionen styrs av små mikrofilament inne i endotelcellen som är för-ankrade i cellernas omgivande membran, och som även stabiliserar bindningarna mellan celler-na.



Vid normal permeabilitet så vandrar vätskan från blodbanan över kapillärväggen genom po-rerna mellan endotelcellerna, flödet genom dessa porer i kapillärmembranet styrs av blodtrycket i kapillärerna, det hydrostatiska trycket. Filtrationen motverkas av att proteinerna i blodet, fram-för allt albumin, utövar en motkraft, det kolloidosmotiska trycket. Detta tryck skapas eftersom de små porerna inte släpper igenom proteiner. Emellertid finns ett mindre antal stora porer nära vensidan som släpper igenom proteinmolekyler. En ökning av porernas storlek och antal leder till en ökad permeabilitet. Framför allt har en ökning av proteinpermeabiliteten via ökning av antalet stora porer betydelse för utbyte av vattenlösliga ämnen mellan blod och vävnad.



Under normala tillstånd så finns en balans mellan hydrostatiskt och kolloidosmotiskt tryck som styr hur mycket vätska som filtreras ut från blodbanan. Ofta är det en nettofiltration av vätska, och överskottet samlas upp av det lymfatiska systemet och återförs till cirkulationen. Om en ökning av proteinpermeabiliteten uppstår genom att antalet porer blir fler eller större så transporteras mer protein och vätska ut i vävnaden. Denna obalans motverkas först när väv-nadstrycket blir så stort att det motverkar permeabilitetsökningen. Efter större kroppsskada, som t ex skallskada eller andra svåra kroppsskador och vid blodförgiftning, sker just en sådan permeabilitetsökning.



Denna avhandling består av 5 delarbeten. De 2 första arbetena utreder hur de kroppsegna ämnena prostacyclin och Rho kinas, som båda produceras av endotelceller, påverkar permeabili-tet. I arbete I visas att Rho kinas-hämning minskar både vatten- och proteinpermeabilitet i en kirurgiskt isolerad kattskelettmuskel. Permeabiliteten i denna muskel var sannolikt ökad pga det kirurgiska traumat. Vi har i tidigare arbeten visat att prostacyklin har liknande permeabilitetsef-fekter. Om dessa permeabilitetseffekter kunde påvisas även vid inflammatoriska tillstånd, som vid blodförgiftning, skulle prostacyklininfusion eller Rhokinas-inhibition kunna fungera som terapi för att minska en ökad permeabilitet och därmed vätskeläckage vid blodförgiftning och andra inflammatoriska tillstånd. Resultaten från arbete II visar emellertid att varken prostacyklin eller Rho kinas inhibition motverkar den permeabilitetsökning som induceras av infusion med endotoxin. Förklaringen till utebliven effekt kan vara att mekanismerna bakom endotoxin-inducerad permeabilitetsökning skiljer sig från de intracellulära mekanismer som styr permeabi-litetsvariationer under icke inflammatoriska tillstånd. Det kan spekuleras i huruvida endotoxin ökar permeabiliteten via påverkan på glykokalyx snarare än via intracellulära filament.



I studie III karakteriserades en skallskademodell på mus för att värdera olika typer av cirkula-toriska förändringar efter en standardiserad traumatisk skallskada. Med denna modell kan man värdera skallskadans effekter på cortikalt blodflöde, antal genomblödda kapillärer, utbytesyta för vätskeutbyte, vatteninnehåll samt kontusionsutveckling. I studie IV och V användes sedan den-na modell för att utvärdera effekter av NO samt prostacyklin på dessa parametrar efter en skall-skada.



Det har föreslagits att NO produktionen minskar efter skallskada och att denna minskning kan bidra till utvecklingen sekundära hjärnskador. I så fall skulle tillförsel av NO vara gynnsamt. Ökning av NO kan ske genom tillförsel av NO prekursorn L-arginin. Resultaten från studie IV indikerar att tillförsel av L-arginin förbättrar blodcirkulationen i skadade områden samt ökar ut-bytesytan och minskar vatteninnehållet i hjärnan kontusionsområde. Resultaten indikerar att ökning av NO kan förbättra en försämrad cirkulation efter skada.



I studie V värderas effekten av kroppseget prostacyklin på cirkulationen i hjärnan samt effek-ten på kontusionsvolymen efter skallskada genom att applicera skallskademodellen på genetisk modifierade möss som saknar receptorn för prostacyklin. Resultaten visar att avsaknad av pro-stacyklineffekter ger en ökad kontusionsvolym och sannolikt en minskad utbytesyta indikerande att kärleffekterna av prostacyklin är viktiga för att begränsa kontusionsvolymen efter en skall-skada.

• author: Lundblad, Cornelia
• supervisor: Per-Olof Grände
• opponent: Docent Koskinen, Lars-Owe, Avd Neurokirurgi, Umeå Universitet
• organization: Department of Immunotechnology
• publishing date: 2006
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Basic Medicine
• keywords: Fysiologi, Physiology, skeletal muscle, Rho kinase, prostacyclin, permeability, NO, experimental brain trauma, brain edema, brain contusion, microcirculation, cerebral perfusion
• pages: 110 pages
• defense location: GK-salen, BMC, Sölvegatan 19, Lund
• defense date: 2006-03-03 09:15:00
• ISBN: 91-85481-48-3
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Cornelia Lundblad, Peter Bentzer and Per-Olof Grände. 2003. Inhibition of Rho kinase decreases hydraulic and protein microvascular permeability in cat skeletal muscle. Microvasc Res, vol 66 pp 126-33.; Cornelia Lundblad, Peter Bentzer and Per-Olof Grände. 2004. The permeability-reducing effects of prostacyclin and inhibition of Rho kinase do not counteract endotoxin-induced increase in permeability in cat skeletal muscle. Microvasc Res, vol 68 pp 286-94.; Cornelia Lundblad, Per-Olof Grände and Peter Bentzer. 2004. A mouse model for evaluation of capillary perfusion, microvascular permeability, cortical blood flow, and cortical edema in the traumatized brain. J Neurotrauma., vol 21 pp 741-53.; Cornelia Lundblad and Peter Bentzer. . Effects of L-arginine on cerebral blood flow, microvascular permeability, number of perfused capillaries and brain water content in the traumatized mouse brain. (submitted); Cornelia Lundblad, Per-Olof Grände and Peter Bentzer. . Effects of traumatic brain injury on cerebral hemodynamics and cortical cell loss in mice lacking the IP-receptor for prostacyclin. (manuscript)
• id: cf40b323-f74d-4441-a6e8-76c3fdbbdcf5 (old id 546251)
• date added to LUP: 2016-04-01 16:12:04
• date last changed: 2018-11-21 20:39:31