Advanced

Mechanosensing in the vascular wall - the role of cellular microdomains in vascular remodeling

Albinsson, Sebastian LU (2007) In Lund University, Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series: 2007:57
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

I denna avhandlig undersöks hur mekanisk sträckning påverkar den glatta muskulaturen som omger våra blodkärl. En ökad sträckning av blodkärlen sker till exempel vid högt blodtryck vilket leder till en förändrad struktur av kärlet, så kallad remodellering. Ett annat mekaniskt stimuli utgörs av blodets friktion mot de endotelceller som täcker blodkärlens kontaktyta mot blodet. Liksom sträckning spelar blodflödets egenskaper en stor roll för remodellering av kärlväggen. En situation där både trycket och flödet är kraftigt förändrade är vid by-pass operationer då en ven ibland används för att ersätta en förkalkad artär. Venen utsätts då plötsligt för ett högt tryck och flöde och det är troligt att... (More)
Popular Abstract in Swedish

I denna avhandlig undersöks hur mekanisk sträckning påverkar den glatta muskulaturen som omger våra blodkärl. En ökad sträckning av blodkärlen sker till exempel vid högt blodtryck vilket leder till en förändrad struktur av kärlet, så kallad remodellering. Ett annat mekaniskt stimuli utgörs av blodets friktion mot de endotelceller som täcker blodkärlens kontaktyta mot blodet. Liksom sträckning spelar blodflödets egenskaper en stor roll för remodellering av kärlväggen. En situation där både trycket och flödet är kraftigt förändrade är vid by-pass operationer då en ven ibland används för att ersätta en förkalkad artär. Venen utsätts då plötsligt för ett högt tryck och flöde och det är troligt att dessa mekaniska stimuli är viktiga bidragande orsaker till den snabba kärlförträngning, så kallad neointimabildning, som allt för ofta ses vid by-pass kirurgi.



Det finns en funktionell orsak till varför blodkärl som utsätts för ett förhöjt tryck förändrar sin struktur. Sträckningen av varje enskild muskelcell i kärlväggen är beroende av trycket i kärlet, av kärlets diameter och av väggens tjocklek. En mindre diameter eller en tjockare vägg minskar den kraft som varje cell utsätts för vid ett konstant tryck. Artärer med mindre diameter, så kallade resistensartärer, reagerar direkt på ett ökat tryck genom att kontrahera och därmed minska sin diameter. Detta kallas myogen kontraktion och kan räcka för att minska sträckningen av kärlväggen men det leder även till en ytterligare ökad resistens i kärlträdet och därmed ett ännu högre blodtryck. I större artärer och vener som inte har samma förmåga att kontrahera som svar på ett ökat tryck leder sträckning istället till en tillväxt av kärlväggen, antingen genom att varje muskelcell blir större, hypertrofi, och/eller genom att muskelcellerna delar sig, hyperplasi.



De mekanismer som styr de glatta muskelcellernas reaktion på mekaniska stimuli har stor betydelse för förståelsen av kärlsjukdom. Jag har i denna avhandling bland annat undersökt vilken roll de glatta muskelcellernas aktincytoskelett och de små invaginationer i cellmembranet som kallas caveolae spelar för intracellulär signalering vid mekaniska stimuli. Jag har huvudsakligen utnyttjat en försöksmodell där portavenen, som leder venöst blod från tarmarna till levern, från mus eller råtta används för att studera sträckberoende signalering. Portavenerna inkuberas in vitro i provrör med cellodlingsmedium i en inkubator som efterliknar miljön in vivo. Sträckningen sker genom att en vikt hängs i ena änden av portavenen som är upphängd i en krok.



Glatta muskelceller har en förmåga att förändra sin funktion (fenotyp) beroende på yttre omständigheter t.ex. mekaniska stimuli, tillväxtfaktorer och interaktioner med andra celler eller de matrixproteiner som omger cellerna. Normalt är glatta muskelceller i kärlväggen programmerade att genomföra kontraktion och relaxation medan signaler för tillväxt och migration är nedtryckta. En vanlig missuppfattning är att tillväxt hämmar kontraktilitet i glatta muskelceller, något som baseras på tidiga studier utförda på isolerade celler.



Vi har tidigare visat att sträckning av kärlväggen stimulerar både tillväxt och kontraktilitet i glatt muskulatur. Den kontraktila fenotypen definieras bland annat genom cellernas kontraktila förmåga och uttrycket av kontraktila proteiner. I denna avhandling har vi i tre separata studier visat att den kontraktila fenotypen i sträckt glatt muskulatur stimuleras genom en ökning av polymeriseringen av aktin. Detta leder till bildning av aktinfilament som är viktiga för cellens förmåga till kontraktion men bygger delvis även upp det cytoskelett som definierar cellens struktur. Under senare år har cytoskelettet även visats styra regleringen av de gener som definierar den kontraktila fenotypen och jag har kunnat visa att denna mekanism stimuleras av sträckning. För att tillväxt av cellerna ska kunna ske krävs en ökad syntes av cellens samtliga proteiner. Denna globala proteinsyntes ses därför som ett känsligt mått på tillväxtsignalering och vi har kunnat visa att även denna signalväg är beroende av cytoskelettet. Genom att farmakologiskt bryta ner aktinfilament kan vi förhindra effekterna av sträckning och genom att stabilisera aktinfilament kan vi reproducera effekterna av sträckning vad gäller signaler för kontraktil och global proteinsyntes. Flera av dessa fynd är tidigare okända och ger nya inblickar i de mekanismer som styr remodellering och neointimabildning i kärlväggen.



Vi har även studerat sträckkänslig signalering i en mus som saknar proteinet caveolin-1. Detta protein krävs för att bilda de fördjupningar i cellmembranet som kallas caveolae och som är viktiga domäner för intracellulär signalering. Tidigare har dessa domäner misstänkts vara viktiga för sträckkänslig signalering men vi visar att det inte är fallet för tillväxt och kontraktil differentiering. Både den sträckberoende kontraktiliteten och tillväxten är bevarad i portavener från dessa möss. Vi har även undersökt hur artärer från dessa möss reagerar på förändringar i tryck och flöde. Även i artärer verkar den specifika känsligheten för ökat tryck i stort sett vara bevarad i frånvaro av caveolin-1 medan signalering som svar på ökat flöde är delvis förändrad.



Sammanfattningsvis är mekanisk sträckning av kärlväggen ett viktigt stimulus för tillväxt och kontraktil differentiering av glatta muskelceller. Denna process är beroende av en ökad aktinpolymerisering, men oberoende av caveolae. Dessa fynd bidrar till vår kunskap om strukturella adaptiva förändringar i kärlväggen vid hjärt- kärlsjukdom. (Less)
Abstract
The vascular wall has a remarkable capacity to adapt to mechanical forces exerted by the intraluminal blood pressure and flow. This includes rapid change in contractile tone as well as chronic alteration of vessel structure if the stimulus persists. Stretch of the intact blood vessel wall promotes growth and contractile differentiation. The molecular mechanisms involved are not well defined, but contractile differentiation has been suggested to be mediated by polymerization of the cytoskeletal protein actin. Part of the machinery that signals growth may be assembled in membrane invaginations termed caveolae, and a role for caveolae in mechanosensing has accordingly been proposed. The studies summarized in this thesis aimed to determine the... (More)
The vascular wall has a remarkable capacity to adapt to mechanical forces exerted by the intraluminal blood pressure and flow. This includes rapid change in contractile tone as well as chronic alteration of vessel structure if the stimulus persists. Stretch of the intact blood vessel wall promotes growth and contractile differentiation. The molecular mechanisms involved are not well defined, but contractile differentiation has been suggested to be mediated by polymerization of the cytoskeletal protein actin. Part of the machinery that signals growth may be assembled in membrane invaginations termed caveolae, and a role for caveolae in mechanosensing has accordingly been proposed. The studies summarized in this thesis aimed to determine the role of these two cellular domains in mechanosensitive signaling in the intact vascular wall using rat or mouse portal veins as well as carotid and small mesenteric arteries.



In the portal vein, we found that stretch promotes contractile differentiation via Rho activation and actin polymerization. An intact actin cytoskeleton is required for stretch-induced synthesis of smooth muscle specific marker proteins and for global protein synthesis. We also found that stabilizing actin filaments produced the same effects as stretch on protein synthesis. Stretch dependency of growth and differentiation was maintained in mice lacking caveolin-1 and vascular caveolae. In arteries from these mice, a reduced myogenic tone was observed, which was mainly caused by excessive nitric oxide (NO) production. Blood pressure was however maintained in vivo despite increased NO production. Maintenance of blood pressure in the setting of increased NO production could be due to increased alpha1-adrenergic contraction, hypertrophic remodeling and increased plasma volume.



In summary, the data suggest that stretch stimulates polymerization of actin, which is necessary for expression of smooth muscle differentiation markers and growth of the intact vascular wall. On the other hand, stretch-induced growth and differentiation is not dependent on caveolin-1 or caveolae, which may however play a role for contractile responses to mechanical stimuli. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Professor Nixon, Graeme, Institute of Medical Sciences, University of Aberdeen
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
Physiology, tissue culture, Histologi, cytokemi, histokemi, vävnadskultur, cytochemistry, histochemistry, wall stress, shear stress, hypertension, Histology, differentiation, growth, caveolin, smooth muscle, actin, Fysiologi, Cardiovascular system, Kardiovaskulära systemet
in
Lund University, Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series: 2007:57
pages
144 pages
publisher
Department of Experimental Medical Science, Lund Univeristy
defense location
Segerfalksalen Biomedicinskt Centrum Sölvegatan 19 Lund
defense date
2007-04-20 09:15
ISSN
1652-8220
ISBN
978-91-85559-35-0
language
English
LU publication?
yes
id
9d3e7b5a-3732-4124-8740-7e76bdf94d51 (old id 548325)
date added to LUP
2007-09-07 15:16:36
date last changed
2016-09-19 08:44:59
@phdthesis{9d3e7b5a-3732-4124-8740-7e76bdf94d51,
  abstract     = {The vascular wall has a remarkable capacity to adapt to mechanical forces exerted by the intraluminal blood pressure and flow. This includes rapid change in contractile tone as well as chronic alteration of vessel structure if the stimulus persists. Stretch of the intact blood vessel wall promotes growth and contractile differentiation. The molecular mechanisms involved are not well defined, but contractile differentiation has been suggested to be mediated by polymerization of the cytoskeletal protein actin. Part of the machinery that signals growth may be assembled in membrane invaginations termed caveolae, and a role for caveolae in mechanosensing has accordingly been proposed. The studies summarized in this thesis aimed to determine the role of these two cellular domains in mechanosensitive signaling in the intact vascular wall using rat or mouse portal veins as well as carotid and small mesenteric arteries.<br/><br>
<br/><br>
In the portal vein, we found that stretch promotes contractile differentiation via Rho activation and actin polymerization. An intact actin cytoskeleton is required for stretch-induced synthesis of smooth muscle specific marker proteins and for global protein synthesis. We also found that stabilizing actin filaments produced the same effects as stretch on protein synthesis. Stretch dependency of growth and differentiation was maintained in mice lacking caveolin-1 and vascular caveolae. In arteries from these mice, a reduced myogenic tone was observed, which was mainly caused by excessive nitric oxide (NO) production. Blood pressure was however maintained in vivo despite increased NO production. Maintenance of blood pressure in the setting of increased NO production could be due to increased alpha1-adrenergic contraction, hypertrophic remodeling and increased plasma volume.<br/><br>
<br/><br>
In summary, the data suggest that stretch stimulates polymerization of actin, which is necessary for expression of smooth muscle differentiation markers and growth of the intact vascular wall. On the other hand, stretch-induced growth and differentiation is not dependent on caveolin-1 or caveolae, which may however play a role for contractile responses to mechanical stimuli.},
  author       = {Albinsson, Sebastian},
  isbn         = {978-91-85559-35-0},
  issn         = {1652-8220},
  keyword      = {Physiology,tissue culture,Histologi,cytokemi,histokemi,vävnadskultur,cytochemistry,histochemistry,wall stress,shear stress,hypertension,Histology,differentiation,growth,caveolin,smooth muscle,actin,Fysiologi,Cardiovascular system,Kardiovaskulära systemet},
  language     = {eng},
  pages        = {144},
  publisher    = {Department of Experimental Medical Science, Lund Univeristy},
  school       = {Lund University},
  series       = {Lund University, Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series: 2007:57},
  title        = {Mechanosensing in the vascular wall - the role of cellular microdomains in vascular remodeling},
  year         = {2007},
}