Advanced

Fibromodulin and Dystrophin in Atherosclerosis: Novel roles for extracellular matrix in plaque development

Shami, Annelie LU (2014) In Lund University, Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series 2014:10.
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Fibromodulin och dystrofin i ateroskleros; en populärvetenskaplig sammanfattning



VAD ÄR ATEROSKLEROS?

Ateroskleros – det man tidigare kallade för åderförkalkning – är grundorsaken till hjärtinfarkt, stroke och kärlkramp. Ett aterosklerosplack är en förträngning i ett blodkärl, ofta vid en förgrening där blodflödet är turbulent. Placket börjar ofta växa redan i unga år genom att fett från blodet tar sig in i kärlväggen. Detta startar en kedja av inflammatoriska reaktioner, där inflammatoriska celler rekryteras från blodet och glattmuskelceller från kärlväggen. Ett typiskt plack består av dessa celler och fett, tillsammans med stabiliserande bindväv och ofta även hårda... (More)
Popular Abstract in Swedish

Fibromodulin och dystrofin i ateroskleros; en populärvetenskaplig sammanfattning



VAD ÄR ATEROSKLEROS?

Ateroskleros – det man tidigare kallade för åderförkalkning – är grundorsaken till hjärtinfarkt, stroke och kärlkramp. Ett aterosklerosplack är en förträngning i ett blodkärl, ofta vid en förgrening där blodflödet är turbulent. Placket börjar ofta växa redan i unga år genom att fett från blodet tar sig in i kärlväggen. Detta startar en kedja av inflammatoriska reaktioner, där inflammatoriska celler rekryteras från blodet och glattmuskelceller från kärlväggen. Ett typiskt plack består av dessa celler och fett, tillsammans med stabiliserande bindväv och ofta även hårda kalkansamlingar. Placket täcks av en fibrös kapsel – ett skyddande lock av bindväv – och med tiden kan en rutten, nekrotisk kärna bildas. En tunn fibrös kapsel och mycket fett tillsammans med en stor nekrotisk kärna är kännetecken för ett sårbart plack, som riskerar att brista och orsaka en farlig blodpropp.



Vilka symtom och komplikationer blodproppar orsakar beror mycket på vilket kärl som är drabbat. Antingen sker själva blockeringen i kärlet där placket finns, eller så bryts proppen loss, färdas med blodet och fastnar i ett mindre kärl – i hjärnan orsakar denna stroke och i hjärtat en hjärtinfarkt. Största delen av arbetet i denna avhandling är fokuserat på plack i karotisartärerna, det vill säga halsartärerna som förser huvudet och hjärnan med blod. När plack brister i en halsartär för blodet med sig proppen mot hjärnan. Komplikationer leder oftast till stroke – antingen är de stora och omfattande, eller mindre, med symtom som snabbt går över. Ett exempel på en sådan mindre stroke är en så kallad TIA-attack, då symtomen går över eftersom proppen spontant löses upp.



Aterosklerosplack utvecklas ofta i flera decennier innan de brister, och symtom börjar ge sig till känna. Denna avhandling är en pusselbit av många i ett stort forskningsfält som försöker besvara spörsmålen: Vad är det som händer i placket, som får det att brista? Kan man påverka plackets stabilitet och därmed hindra att det brister?



BINDVÄV: BÅDE STOMME OCH DIRIGENT

Fibromodulin och dystrofin – resten av titeln på denna avhandling – är gäster från ett annat forskningsfält, matrixbiologi. Matrixbiologin fokuserar på kroppens bindväv. För att få en uppfattning om bindvävens uppgifter skiftar vi nu uppmärksamheten till hur våra kroppar är uppbyggda.



Våra kroppar består av flera biljoner celler som arbetar tillsammans. De är som små maskiner som var och en (eller gruppvis) utför en syssla som behövs för att våra kroppar ska fungera. Vi har till exempel en sorts viljestyrda muskelceller som gör att ögonen följer texten när vi läser, en annan sorts muskelcell i våra blodkärl som, utan att vi märker det, hjälper till att reglera blodtrycket. Men cellerna är inte bara associerade med varandra, utan de omges också av bindväv (även kallat extracellulärt matrix) – ett nätverk av fibrer, membran och smådelar. Å ena sidan kan man se bindväven som en byggnadsställning som ger stadga och som cellerna vilar mot – lite som hur havet omger fiskar. Men bindväven är mer komplex än så, bindväven kring cellerna är faktiskt lika specialiserad som cellerna själva! Beroende på bindvävens struktur och beståndsdelar skickar den olika signaler till cellerna om hur de ska bete sig, och den kan också gömma undan eller förstärka de signaler som cellerna skickar till varandra.



Bindväven kontrollerar även att cellerna håller sig till rätt uppgift. Det finns till exempel specialiserad bindväv kring muskelcellerna i blodkärlet som ser till att de behåller sin förmåga att dra ihop sig och slappna av, beroende på om blodflödet behöver minskas eller ökas. I ett blodkärl med aterosklerosplack påverkas bindväven av fettet och inflammationen som ansamlas – vissa fibrer bryts ner och fibrer av en annan typ byggs upp, och många av smådelarna byts ut. Man kan tänka sig en klädd julgran, som byts ut mot en tall med lite glitter och kulor kvar, men också durkslag, prästkragar, pennor och kaffekokare. Precis som att kaotiskt beteende skulle utbryta bland de förvånade gästerna på den julfesten, påverkar det cellerna i blodkärlet och placket när bindväven förändras. En del av muskelcellerna i blodkärlets vägg kommer till exempel att sluta se efter blodflödet och istället krypa in i placket, börja föröka sig och förvandlas till små bindvävsmaskiner som hjälper placket att växa. Den nya plackbindväven har dessutom nya egenskaper som antingen kan förvärra eller stabilisera placket. Det är dessa nya egenskaper som bindväven får i placket, som vi är extra intresserade av; vilka nya egenskaper har positiva effekter och vilka har negativa effekter? Tänk om vi kunde styra egenskaperna till att sakta ner placktillväxten och hindra att placket går sönder och orsakar en blodpropp!



FIBROMODULIN OCH DYSTROFIN BEHÖVS FÖR ATT BINDVÄVEN SKA FUNGERA KORREKT

Vi har undersökt bindvävens betydelse på två olika sätt. Dels har vi siktat in oss på en av bindvävens smådelar (en av julgranskulorna) som kontrollerar produktionen av bindvävens kollagenfibrer (själva julgranen). Den här lilla bindvävskomponenten heter fibromodulin och dess uppgift är alltså att ”modulera fibrerna”.



Vi har också undersökt ett av sätten som cellerna har kontakt med bindväven – ett protein som sitter på insidan av cellens omgivande hölje, och binder samman cellskelettet med cellytan, som i sin tur kontaktar bindväven utanför. För att hålla oss till julfesten – liksom gästernas armmuskler gör det möjligt att sträcka ut en hand och hantera julgranen (må den nu vara normalt klädd eller smyckad med diverse hushållsgeråd), ges cellerna möjlighet att interagera med omgivningen. Proteinet heter dystrofin – namnet kommer ifrån ordet ”muskeldystrofi”, muskelförtvining, som syftar på den sjukdom som drabbar människor som har fel på det här proteinet.



För att sammanfatta så här långt: Bindväven reglerar om placket är stabilt eller inte. Vi har undersökt hur placktillväxt påverkas; både av produktionen av fibrerna i bindväven och beroende på cellernas kontakt med bindväven.



MINDRE ATEROSKLEROS I MÖSS SOM SAKNAR FIBROMODULIN

Vi har jämfört hur plack bildas i vanliga möss med möss som dels saknar fibromodulin och därför producerar en defekt sorts fibrer, kollagenfibrer, och dels med möss som saknar dystrofin, och därför har sämre kontakt mellan cellerna och bindväven.



I mössen jämförde vi plack som ser olika ut – en sort som innehåller väldigt mycket bindväv och liknar stabila plack hos människor, och en annan sorts plack som istället innehåller mycket inflammation och fett, och liknar de placken som riskerar att brista och orsaka symtom. I mössen som saknar fibromodulin var de inflammatoriska placken mindre än i de vanliga mössen och de innehöll också mindre fett.



En möjlig förklaring kan vara att de onormala kollagenfibrerna påverkar cellernas förmåga att ta upp fett i möss utan fibromodulin. Denna hypotes kunde vi bekräfta genom experiment i ett cellodlingssystem, där mindre fett ansamlades i inflammatoriska celler som växte på onormala kollagenfibrer.



FIBROMODULIN HAR ÄVEN EN ROLL I ATEROSKLEROS HOS MÄNNISKOR

Som nästa steg undersökte vi om fibromodulin även kan ha betydelse i plack hos människor. Vi analyserade därför plack som sparats från så kallade endarterektomier, vilket är en sorts operation där besvärliga plack i halsartären tas bort. Placken kan antingen ha orsakat symtom hos patienten, exempelvis stroke, eller så har de upptäckts på något annat sätt och varit så stora att kirurgerna valt att ta bort dem trots att de inte ännu orsakat symtom.



Vi undersökte tvärsnitt av den delen av placken som tog upp störst plats i kärlet (det vill säga, hindrade blodflödet mest). Fibromodulin uttrycktes i plack både från patienter med och utan symtom, och ofta fanns fibromodulin på samma plats som fettet i placken.



Vi upptäckte också att det fanns mer fibromodulin i placken från de patienter som hade upplevt symtom från sina plack. Dessutom jämförde vi mängden fibromodulin i plack från patienter med och utan diabetes, och fann att det fanns mer fibromodulin i plack från diabetiker. Det visade sig även att det fanns mer fibromodulin i plack med mycket fett och inflammatoriska cytokiner. Placken med mycket fibromodulin innehöll också färre glattmuskelceller som producerar den stabiliserande bindväven.



Våra resultat från mössen och de humana placken passar bra ihop: Avsaknad av fibromodulin i mössen ledde till mindre inflammatoriska plack, med mindre fettinnehåll – snällare plack – medan mycket fibromodulin i plackvävnad från människor var associerat till mer aggressiva plack, som orsakade symtom.



Fibromodulins största roll i placken tycks vara att säkra produktion av korrekta kollagenfibrer i bindväven. Man kan därför även tolka våra resultat som att mycket fibromodulin är en signal om att det pågår en hög grad av kollagenfiberproduktion i ett sådant plack. Rent intuitivt är detta logiskt; man kan tänka sig att nyproduktion av bindväv är aktiv som en reparationsmekanism efter att ett aggressivt plack brustit. Man har i andra studier sett att bindvävsproduktion hos diabetiker inte är lika effektiv som hos icke-diabetiker. Den extra höga kollagenfiber-produktionen (och fibromodulin-innehållet) vi såg i plack från diabetiker skulle därför kunna vara ett försök till att kompensera för en abnorm bindväv.



DYSTROFIN HAR OLIKA ROLLER I ATEROSKLEROS OCH RESTENOS

När vi undersökte dystrofin och cellernas kontakt med bindväven tog vi också hjälp av musmodeller. Först utforskade vi dystrofins roll i restenos – en komplikation som kan drabba patienter vars plack opereras ut. Restenos innebär att en störning i kärlets läkningsprocess gör att kärlväggen tjocknar så mycket att det åter igen bildas en förträngning som hindrar blodflödet. Vi inducerade en liknande restenos-reaktion i halsartären hos vanliga möss och hos möss som saknar dystrofin – så kallade mdx-möss. Mdx-mössen utvecklade mer restenos jämfört med de vanliga mössen. Vi såg också att takten på celldelningen i restensosen var högre. När vi odlade celler från vanliga möss och mdx-möss, såg vi att cellerna från mdx-mössen också var mer rörliga.



Normalt skickar bindväven i friska kärl signaler till cellerna i kärlväggen. Signalerna hämmar cellernas aktivitet, och de låses fast i sin normala funktion att förse kärlen med kontraktila egenskaper. Den ökade aktiviteten vi såg i mdx-mössens kärlceller skulle kunna bero på att cellerna har sämre kontakt med bindväven, och därför missar dessa hämmande signaler. Dessa resultat visar att dystrofin, vid denna typ av skada, har en skyddande roll i kärlväggen, och att risk för restenos kan vara förhöjd hos människor som lider av muskeldystrofi orsakad av defekt dystrofin.



Vi undersökte även om dystrofin har en roll i utvecklingen av inflammatoriska och stabila aterosklerosplack. För dessa experiment använde vi samma musmodell som i fibromodulinstudien. Lite överraskande visade det sig att, även om restenosskadorna var större i mdx-mössen, så var de inflammatoriska placken mindre. Avsaknad av dystrofin ledde också till att det fanns mindre av en specialiserad sorts bindväv som finns ytterst på placken, närmast blodflödet. Vi håller nu på att undersöka mekanismerna bakom detta fynd.

Restenos och aterosklerosplack bildas genom olika mekanismer – en stor skillnad är till exempel att aterosklerosplack i grunden bildas genom att fett ansamlas i kärlväggen och aktiverar inflammatoriska celler, medan restenos beror på en mekanisk störning som främjar aktivering av bindvävsproducerande glattmuskelceller. Våra resultat tyder på att den förlorade kontakten mellan cellerna och vissa bindvävskomponenter i sin tur leder till att den specialiserade bindväven som omger cellerna i kärlväggen blir bristfällig. En konsekvens av detta skulle kunna vara en felaktig aktivering av cellerna, vilket kan ha stora effekter på den efterföljande inflammationen och bindvävsproduktionen.



PUDELNS KÄRNA

Sammantaget visar studierna som ingår i denna avhandling att kollagenfibrers struktur och produktion påverkar utvecklingen och uppbyggnaden av aterosklerotiska plack. Dessutom kan utvecklingen av restenos och ateroskleros påverkas av en fungerande kontakt mellan celler och bindväv. På sikt kan resultaten från den här avhandlingen öppna upp för nya vägar att diagnostisera och behandla kardiovaskulär sjukdom. (Less)
Abstract
Cardiovascular disease represents nearly half the cases of noncommunicable diseases worldwide and is the leading global cause of death. The main underlying cause is atherosclerosis, and in atherosclerotic plaque progression the structure, composition and integrity of a dynamic extracellular matrix (ECM) is one very important factor. This thesis discusses the importance of the connection between the ECM and cells for atherosclerotic lesion development. It also tests the hypothesis that changes in this connection – whether through a modified collagenous ECM, or modification in a cellular protein directly linking cells to ECM components – have a significant impact on atherosclerotic plaque structure and stability.



... (More)
Cardiovascular disease represents nearly half the cases of noncommunicable diseases worldwide and is the leading global cause of death. The main underlying cause is atherosclerosis, and in atherosclerotic plaque progression the structure, composition and integrity of a dynamic extracellular matrix (ECM) is one very important factor. This thesis discusses the importance of the connection between the ECM and cells for atherosclerotic lesion development. It also tests the hypothesis that changes in this connection – whether through a modified collagenous ECM, or modification in a cellular protein directly linking cells to ECM components – have a significant impact on atherosclerotic plaque structure and stability.



Fibromodulin is a small leucine-rich repeat proteoglycan of the ECM involved in the regulation of collagen fiber synthesis. In the fibrous murine atherosclerotic plaque, we found collagen fibrils synthesized in the absence of fibromodulin to be thicker and more heterogeneous, compared to fibrils generated in the control mouse. Murine plaques with an inflammatory phenotype, with a fibromodulin-deficient ECM, were also smaller with decreased lipid accumulation, whereas cell proliferation was increased. In addition, we show, for the first time, that high fibromodulin expression in the most stenotic region of a human carotid artery plaque is found in plaques from symptomatic patients, and in patients with diabetes. Fibromodulin expressed in human plaques co-localize with Oil Red O-staining and correlates with the area stained for lipids (quantified as percentage). Fibromodulin also correlates with the pro-inflammatory cytokines MIP-1β and sCD40L, as well as with VEGF and inversely with the anti-inflammatory cytokine IL-10.



Dystrophin, and the dystrophin-glycoprotein complex (DGC), link the actin cytoskeleton to the basement membrane. This thesis provides novel data on dystrophin deficiency, as illustrated by the mdx mouse. The absence of dystrophin stimulates neointimal hyperplasia, but inhibits atherosclerotic lesion development driven by lipid-retention. In the mdx-mouse, laminin expression is decreased in the endothelium of atherosclerotic lesions with an inflammatory phenotype, suggesting that altered endothelial cell function and an abnormal basement membrane may be a possible explanation for the attenuated plaque development.



In summary, this thesis shows that collagen structure and remodeling affects the growth, development and composition of atherosclerotic lesions, on the one hand promoting mechanical stability, and on the other hand affecting lipid accumulation and inflammation. In addition, growth of vascular lesions can be inhibited or promoted by a functional connection between cells and the ECM mediated by dystrophin and the DGC. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Professor Newby, Andrew, Bristol Heart Institute, University of Bristol, Bristol Royal Infirmary, UK
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
Atherosclerosis, fibromodulin, dystrophin, carotid artery, lipid accumulation, restenosis, plaque
in
Lund University, Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
volume
2014:10
pages
123 pages
publisher
Department of Experimental Medical Science, Lund Univeristy
defense location
Lecture hall 'Segerfalksalen', Biomedical Center (BMC), Lund University, Sweden
defense date
2014-01-31 13:00
ISSN
1652-8220
ISBN
978-91-87651-33-5
language
English
LU publication?
yes
id
2c5a9985-acbc-418a-b5b6-a4d2cd3e68b0 (old id 4286040)
date added to LUP
2014-02-06 12:45:57
date last changed
2016-09-19 08:44:48
@phdthesis{2c5a9985-acbc-418a-b5b6-a4d2cd3e68b0,
  abstract     = {Cardiovascular disease represents nearly half the cases of noncommunicable diseases worldwide and is the leading global cause of death. The main underlying cause is atherosclerosis, and in atherosclerotic plaque progression the structure, composition and integrity of a dynamic extracellular matrix (ECM) is one very important factor. This thesis discusses the importance of the connection between the ECM and cells for atherosclerotic lesion development. It also tests the hypothesis that changes in this connection – whether through a modified collagenous ECM, or modification in a cellular protein directly linking cells to ECM components – have a significant impact on atherosclerotic plaque structure and stability.<br/><br>
<br/><br>
Fibromodulin is a small leucine-rich repeat proteoglycan of the ECM involved in the regulation of collagen fiber synthesis. In the fibrous murine atherosclerotic plaque, we found collagen fibrils synthesized in the absence of fibromodulin to be thicker and more heterogeneous, compared to fibrils generated in the control mouse. Murine plaques with an inflammatory phenotype, with a fibromodulin-deficient ECM, were also smaller with decreased lipid accumulation, whereas cell proliferation was increased. In addition, we show, for the first time, that high fibromodulin expression in the most stenotic region of a human carotid artery plaque is found in plaques from symptomatic patients, and in patients with diabetes. Fibromodulin expressed in human plaques co-localize with Oil Red O-staining and correlates with the area stained for lipids (quantified as percentage). Fibromodulin also correlates with the pro-inflammatory cytokines MIP-1β and sCD40L, as well as with VEGF and inversely with the anti-inflammatory cytokine IL-10.<br/><br>
<br/><br>
Dystrophin, and the dystrophin-glycoprotein complex (DGC), link the actin cytoskeleton to the basement membrane. This thesis provides novel data on dystrophin deficiency, as illustrated by the mdx mouse. The absence of dystrophin stimulates neointimal hyperplasia, but inhibits atherosclerotic lesion development driven by lipid-retention. In the mdx-mouse, laminin expression is decreased in the endothelium of atherosclerotic lesions with an inflammatory phenotype, suggesting that altered endothelial cell function and an abnormal basement membrane may be a possible explanation for the attenuated plaque development.<br/><br>
<br/><br>
In summary, this thesis shows that collagen structure and remodeling affects the growth, development and composition of atherosclerotic lesions, on the one hand promoting mechanical stability, and on the other hand affecting lipid accumulation and inflammation. In addition, growth of vascular lesions can be inhibited or promoted by a functional connection between cells and the ECM mediated by dystrophin and the DGC.},
  author       = {Shami, Annelie},
  isbn         = {978-91-87651-33-5},
  issn         = {1652-8220},
  keyword      = {Atherosclerosis,fibromodulin,dystrophin,carotid artery,lipid accumulation,restenosis,plaque},
  language     = {eng},
  pages        = {123},
  publisher    = {Department of Experimental Medical Science, Lund Univeristy},
  school       = {Lund University},
  series       = {Lund University, Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series},
  title        = {Fibromodulin and Dystrophin in Atherosclerosis: Novel roles for extracellular matrix in plaque development},
  volume       = {2014:10},
  year         = {2014},
}