Vascular actions of antimicrobial peptides

Abstract

The present thesis focuses on the vascular effects of antimicrobial peptides especially mechanisms involving the vasodilator nitric oxide (NO), which is released from the blood vessel wall during inflammatory conditions such as sepsis. Bacterial lipopolysaccharide stimulates the expression of nitric oxide synthase (iNOS), which increases the NO production in vascular tissues or cultured vascular smooth muscle cells (VSMC).



We found that bactericidal/permeability-increasing protein (BPI) attenuated the lipopolysaccharide-induced increase in NO production in rat aorta and cultured smooth muscle cells in vitro via suppression of lipopolysaccharide-induced expression of iNOS.



The effects of the human endogenous antimicrobial peptide LL-37 on lipopolysaccharide -induced iNOS expression and NO production were studied on rat aortas and rat VSMC. LL-37 reduced the lipopolysaccharide-induced iNOS expression and nitric oxide production but after a longer exposure time it was also found to be cytotoxic.



The morphological and biochemical changes induced by LL-37 in cultured rat aortic VSMC were thus further investigated and we found that LL-37 induces programmed cell death (apoptosis), indicating that the use of native LL-37 as a therapeutic agent may be limited.



We therefore evaluated the effects of some LL-37 analogs, regarding antimicrobial activity, lipopolysaccharide neutralization and toxicity against human erytrocytes and human VSMC. As truncated analogs of LL-37 were similar to LL-37 concerning antimicrobial and lipopolysaccharide neutralization while being less cytotoxic than LL-37, we conclude that they are potential candidates in the treatment of sepsis.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Sepsis (blodförgiftning) och septisk chock är ett resultat av en inflammatorisk reaktion i kroppen som helhet förorsakad av mikroorganismer. Sepsis patienterna uppvisar inte bara de vanliga tecken till infektion som feber, höjd sänka och ökat antal vita blodkroppar i blodet utan de kan även ha andra komplikationer såsom lung-, njur- och leversvikt. När sepsis orsakar rubbningar i blodcirkulationen med otillräcklig syretransport ut i vävnaderna som följd, talar man om septisk chock. Septisk chock är en av huvudorsakerna till sjuklighet och död på våra intensivvårdsavdelningar. Dödligheten för patienter med sepsis är hög och varierar i olika undersökningar mellan 28 och 50 %, och ända upp till 60 % för patienter med septisk chock.



Sepsisreaktionen utlöses ofta av att kroppsfrämmande substanser från bakterier, svamp och andra mikroorganismer kommer in i blodomloppet. Detta orsakar en mobilisering av kroppens primära, medfödda infektionsförsvar i form av aktivering av t.ex. vita blodkroppar och komplement och koagulationssystemen. Dessutom vidgas blodkärlen och börjar läcka vätska från blodet ut i vävnaderna. Blodkärlsvidgningen bidrar till blodtrycksfall och rubbningar i blodcirkulationen. Dessa rubbningar orsakas bland annat av att produkter från mikroorganismerna bl.a. lipopolysackarid (LPS) som utsöndras från Gram negativa bakterier, stimulerar bildning av enzymet kväveoxidsyntas (iNOS) i blodkärlsväggen. INOS stimulerar i sin tur bildningen av den kraftiga kärldilaterande substansen kvävemonoxid (NO) från aminosyran L-arginin. Den höjda produktionen av NO bidrar till ett minskat motstånd för blodflödet. Detta leder till en rubbning av kärlsystemets funktion i att reglera blodtrycket och leder till en obalans i blodflöden till olika organ. Den septiska chocken är ett faktum och de olika organens funktion börjar svikta.



Vissa kroppsegna substanser, t.ex. antimikrobiella peptider kan binda LPS och de skulle i så fall kunna användas för att begränsa rubbningarna i blodcirkulationen. Man har funnit antimikrobiella peptider på nästan alla ställen i kroppen t.ex. i vita blodkroppar, på slemhinnor och på tarmytan. Man har hittat ett flertal olika sorters antimikrobiella peptider, vilka skiljer sig åt bl.a. i vad det gäller storlek, struktur och effekter. Gemensamt är emellertid att de har förmågan att döda och/eller hämma tillväxten av bakterier.



I det här avhandlingsarbetet har vi undersökt olika antimikrobiella peptiders effekter på en rad mekanismer av betydelse för sepsis. Fokus ligger på försök att hämma sådana förändringar i kärlväggen som utlöses av LPS. Som modell använde vi isolerade blodkärl och glatta muskelceller från blodkärl och undersökte hur vissa antimikrobiella peptider påverkar LPS stimulerad NO-bildning. Vi studerade också om de är giftiga och undersökte deras bakterietillväxt hämmande effekter.



I delarbete I undersöker vi om det antimikrobiella proteinet Bactericidal/permeability-increasing protein (BPI) påverkar de förändringar i blodkärlsfunktionen som utlöses av LPS. Vi visar att BPI minskar den hämmande effekten på kärlmuskulaturens kontraktion som utlöses av LPS genom att binda till LPS. Detta i sin tur leder till en minskning av NO-produktionen i blodkärlväggen. BPI skulle kunna vara en kandidat i behandlingen av sepsis, förutsatt att dagens produktionskostnader kan minskas. Innan dess måste också flera kliniska studier genomföras.



I delarbete II undersöker vi om antimikrobiella peptiden LL-37 påverkar de förändringar i blodkärlsfunktionen som utlöses av LPS. Vi visar att LL-37, precis som BPI, minskar den hämmande effekten på kärlmuskulaturens kontraktion. Efter en längre tids exponering antyder dock resultaten att LL-37 kan inducera programmerad celldöd i glatta muskelceller från blodkärl.



I delarbete III undersöker vi de direkta effekterna av LL-37 på glatta muskelceller. Vi finner att LL-37 skadar cellmembranet och att cellkärnan skrumpnar och att dess DNA splittras i små bitar. Alla dessa förändringar är typiska för programmerad celldöd. Dessa tecken på att LL-37 är giftigt gör den olämplig som framtida läkemedel till sepsispatienterna.



I delarbete IV prövar vi hypotesen att en särskild del av LL-37-molekylen är ansvarig för denna giftighet. Analoger till LL-37 syntetiserades och dessas bakterie och svamp dödande förmåga testas på, vid sepsis, ofta förekommande mikroorganismer. LL-37-analogerna visar sig vara minst lika antimikrobiella som LL-37 och har en liknande förmåga som LL-37 i att binda LPS och neutralisera dess stimulerande effekt på NO-bildningen i blodkärl. Vi visar också att LL-37-analogerna är mindre toxiska gentemot humana glatta muskelceller och erytrocyter.



LL-37-analogerna skulle kunna tjäna som mönstersubstanser vid framställningen av nya läkemedel mot sepsis.

• author: Ciornei, Cristina
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Weitzberg, Eddie, Professor, Karolinska Universitetssjukhuset, Stockholm, Sweden
• organization: Section II
• publishing date: 2004
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Anesthesiology and Intensive Care
• keywords: Kardiovaskulära systemet, Cardiovascular system, vascular smooth muscle, sepsis, nitric oxide, human antimicrobial peptide LL-37, Antimicrobial peptides, lipopolysaccharide, bactericidal/permeability-increasing protein
• pages: 94 pages
• defense location: BMC-Sölvegatan 19, Lund, Sweden
• defense date: 2004-09-24 10:15:00
• ISBN: 91-628-5936-6
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: I Bactericidal/permeability-increasing protein inhibits endotoxin-induced vascular nitric oxide synthesis.Ciornei C.D., Egesten A., Engström M., Törnebrandt K. and Bodelsson M.Acta Anaesthesiol Scand. 2002, 46(9): 1111-8. Article: II Effects of human cathelicidin antimicrobial peptide LL-37 on lipopolysaccharide-induced nitric oxide release from rat aorta in vitro.Ciornei C.D., Egesten A. and Bodelsson M.Acta Anaesthesiol Scand. 2003, 47(2): 213-20. Article: III Human cathelicidin antimicrobial peptide LL-37 induces apoptosis in vascular smooth muscle cells.Ciornei C.D., Tapper H. and Bodelsson M.Submitted. Article: IV Antimicrobial activity, lipopolysaccharide neutralization and cytotoxicity of analogs of human cathelicidin LL-37.Ciornei C.D., Schmidtchen A. and Bodelsson M.In manuscript.
• id: 120d3e2e-d7ca-4014-8d04-6ddab5c1f8a7 (old id 467186)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:21:23
• date last changed: 2018-11-21 20:58:17