Development of a Passive Immunization Strategy Against Atherosclerosis

Abstract

Atherosclerosis is a chronic inflammatory disease, characterized by the accumulation of lipids and fibrous tissue in the wall of medium and large-sized arteries. The characteristic culprit of the disease is the atheroma, or atherosclerotic plaque, a patchy thickening of the arterial wall which affects the lumen, inducing various degrees of stenosis. The rupture of the atherosclerotic plaques, followed by local thrombosis, is the underlying cause of myocardial infarction and stroke, which claim millions of lives every year worldwide.



Oxidized LDL and the immune system play very important roles in atherosclerosis. Several studies have demonstrated the existence of both atherogenic and atheroprotective immune responses against oxidized LDL. We have identified several of the epitopes in the oxidized LDL particle which trigger immune responses. These epitopes are aldehyde-modified peptide sequences of apoB-100, the main protein in LDL structure. Immunization of atherosclerosis-prone mice with some of the apoB-100 peptides reduced plaque area by up to 60% in the immunized mice compared to controls.



We tested the effects of recombinant human IgG1 antibodies against two of these peptide sequences on the development of atherosclerosis in mice. Passive immunization with the IEI-E3 and 2D03 antibodies, specific for MDA-p45 (aa 661-680), significantly inhibited atherosclerosis progression and induced plaque regression in the descending aorta. 2D03 prevented constrictive remodeling after injury in the carotid arteries and potently reduced lesion extent in the uninjured carotid arteries in mice. Additionally, antibody treatment decreased the local and systemic inflammatory responses.



We have also found that plasma levels of human IgG1 autoantibodies which recognize the same aldehyde-modified apoB-100 peptide are inversely correlated with carotid stenosis in healthy individuals, which further supports the hypothesis of the potential atheroprotective role of these antibodies.



The influence of the antibodies on human atherosclerosis and their potential side effects need to be carefully characterized. In the future, the oxidized LDL-specific recombinant human IgG1 antibodies could be developed into novel diagnostic and therapeutic tools for the management of atherosclerosis-related cardiovascular diseases.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Åderförfettning (även kallat åderförkalkning eller ateroskleros) börjar genom att det ?onda kolesterolet? LDL fastnar i väggen på ett blodkärl. Där kan LDL börja modifieras och orsaka inflammation. Inflammationen påskyndas av att vita blodceller kommer in i artärväggen och försöker ta bort fettet. Om en stor mängd fett lagras in, kan det inte avlägsnas. Tillsammans med de inflammatoriska cellerna bildas en förtjockning av kärlväggen, ett så kallat aterosklerotiskt plack. Plack uppkommer mestadels i de stora artärerna, såsom aortan, halskärlen (karotiskärlen) och i kärlen i benen. De utvecklas också i mindre artärer, så som kranskärlen (koronarkärlen). Om placken växer till och blir mycket stora kan de förminska blodflödet genom kärlet. Den största risken med aterosklerotiska plack är att de kan brista och ge upphov till en blodpropp som kan stoppa blodflödet totalt, med hjärtinfarkt och stroke som följd.



Vårt immunsystem finns inte bara till för att skydda oss mot infektioner, utan det har också en mycket viktig roll i andra processer och sjukdomar, såsom t ex i ateroskleros. Det har visats att olika delar av immunsystemet kan både bidra till och skydda mot plackutveckling. Vi har lyckats identifiera flera strukturer på LDL partikeln som känns igen och aktiverar vårt immunsystem. Dessa strukturer finns i den modifierade formen av apoB-100, som är ett stor protein som håller samman LDL partikeln. När vi injicerade dessa proteindelar (s.k. peptider) i aterosklerosbenägna möss (som åt en fettrik kost för att öka plackutvecklingen), aktiverades immunsystemet och en stor mängd anti¬kroppar bildades mot dessa. De behandlade mössen utvecklade upp till 60% mindre plack än obehandlade möss av samma typ. För att studera om det var antikropparna som bidrog till att djuren fick mindre ateroskleros, producerade vi konstgjorda IgG1 antikroppar som känner igen två av de skyddande peptiderna (p45 och p210).



Målen med de första tre studierna som inkluderats i denna avhandling var att testa om antikropparna kunde förminska placken i olika aterosklerosbenägna musmodeller, samt att försöka hitta vilka mekaninsmer som gav upphov till antikropparnas skydd¬ande effekter.



I den första studien testade vi 6 olika antikroppar och fann att en av dem minskade plackutvecklingen i mössen med upp till 50%. Denna antikropp, IEI-E3, kännde igen p45. Effekten var dosberoende, d.v.s. ju mer antikropp mössen fick ju mindre atero¬skleros utvecklade de. I en andra studie testade vi om IEI-E3 antikroppen och även en annan antikropp, 2D03, kunde förminska de redan befintliga placken i aortan eller om de bara hade förmågan att förhindra vidareutveckling av placken. 2D03 känner igen samma peptid som IEI-E3 men binder mycket bättre till modifierat LDL. En grupp kontrollmöss avlivades vid samma ålder som när vi startade att injicera antikroppar i övriga grupperna av möss, för att kunna jämföra omfattningen av plackytan efter behandlingen med den befintliga plackytan före behandlingen. Genom att både byta ut den feta kosten mot en vanlig muskost och samtidigt behandla mössen med anti¬kroppar visade resultaten på en kraftig regression av aterosklerosen, d.v.s. de befintliga placken minskade med upp till 50%. 2D03 antikroppen hade en starkare effekt än IEI-E3, och en kontrollantikropp, som inte binder till modifierat LDL, hade ingen effekt på plackutvecklingen. Dessa resultat tyder på att antikropparnas påverkan på ateroskleros är beroende på deras förmåga att binda modifierat LDL. Vi studerade även plackkompositionen i dessa möss och såg att efter antikroppsbehandlingen så var det betydligt mindre modifierat LDL och vita blodceller i de resterande atero¬sklerotiska placken.



Efter kärlkirurgiska ingrepp som tar bort plack eller utvidgar ett mycket förminskat kärl på grund av ateroskleros, så finns det en stor risk att kärlet täpps igen. Detta beror på att det snabbt kan återbildas plackliknande stukturer och även på att artären kan dra ihop sig p.g.a. den mekaniska skadan. I den tredje studien testade vi hur 2D03 antikroppen motverkar dessa processer i halspulsådern hos möss. I varje mus som fick antikroppsbehandling skadades den högra halsartären medan den andra lämnades oskadad. Vi fann att 2D03 inte kunde motverka den nya plackbildningen i det skadade kärlet, men däremot så förhindrade den att artären drog ihop sig. Dessutom så minskade 2D03 kraftigt plackytan i den oskadade halsartären jämfört med hos kontrollmössen.



I den fjärde studien tittade vi på sambandet mellan antikroppsmängden i humant plasma, storleken på befintliga plack i halspulsådern hos friska individer och risken för att utveckla kranskärlssjukdom. Det finns flera olika typer av antikroppar i blodet, varav IgG finns i störst mängd och i fyra olika subtyper: IgG1, IgG2, IgG3 och IgG4. Blod samlades in från 224 friska individer, mellan 49 och 67 år gamla, och mängden av varje subtyp, specifika för peptiden p45 uppmättes. När vi jämförde dessa värden med värdena på placktjockleken i halspulsådern i samma individer såg vi att ju mer IgG1 antikroppar som fanns i blodet, desto mindre plack. Dessa resultat tyder ännu en gång på att IgG1 antikropparna mot p45 har en skyddande effekt mot åderförkalkning. Av de 224 individerna i vår studie, utvecklade 76 stycken vid senare tidpunkt krans¬kärls¬sjukdom medan de andra 148 förblev friska. Vi kunde dock inte finna någon skillnad mellan de två grupperna vad det gäller mängden av de olika IgG antikroppar i plasma.



Sammanfattningsvis, vi har hittat strukturer i den modifierade LDL-partikeln som ger upphov till ett immunsvar som kan skydda mot ateroskleros. De konstgjorda anti¬kropparna som vi producerade mot dessa strukturer minskade kraftigt aterosklerosen i möss. Vanligt förekommande antikroppar riktade mot samma strukturer finns i blodet hos människa och tycks ha en skyddande effekt mot ateroskleros. Våra antikroppar kan i framtiden komma att utgöra en terapi som kan förhindra hjärtinfarkt och stroke. Emellertid, är det nödvändigt med ytterligare tester innan detta kan bli verklighet.

• author: Schiopu, Alexandru
• supervisor: Gunilla Nordin Fredrikson
• opponent: Professor Hansson, Göran, Karolinska Institutet
• organization: Cardiovascular Research - Immunity and Atherosclerosis (research group)
• publishing date: 2006
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Clinical Medicine
• keywords: regression, plaque, peptide, oxidized LDL, immune system, carotid stenosis, cardiovascular diseases, apolipoprotein B-100, atherosclerosis, Kardiovaskulära systemet, Cardiovascular system, vascular injury, ultrasound, antibodies
• in: Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2006:40
• pages: 164 pages
• defense location: CRC Aula, Entrance 72, UMAS
• defense date: 2006-04-21 13:00:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 91-85481-65-3
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: A Schiopu, J Bengtsson, I Söderberg, S Janciauskiene, S Lindgren, MPS Ares, PK Shah, R Carlsson, J Nilsson and GN Fredrikson. 2004. Recombinant Human Antibodies Against Aldehyde-Modified Apolipoprotein B-100 Peptide Sequences Inhibit Atherosclerosis Circulation., vol 110 pp 2047-205.; A Schiopu, B Jansson, I Söderberg, I Ljungcrantz, Z Araya, PK Shah, R Carlsson, J Nilsson and GN Fredrikson. . Human Recombinant Antibodies to an Oxidized LDL Epitope Induce Rapid Plaque Regression in LDL Receptor Apobec-1 Double Knockout Mice (submitted); A Ström, GN Fredrikson, A Schiopu, I Ljungcrantz, I Söderberg, B Jansson, R Carlsson, A Hultgårdh Nilsson and J Nilsson. . Inhibition of Injury-Induced Arterial Remodeling and Carotid Atherosclerosis by Recombinant Human Antibodies Against Aldehyde-Modified ApoB-100 Atherosclerosis, (accepted); GN Fredrikson, G Berglund, R Alm, J-Å Nilsson, A Schiopu, PK Shah and J Nilsson. . Increased Levels of IgG1 Against an Aldehyde-Modified Peptide Sequence in ApoB–100 Are Associated With Decreased Severity of Carotid Stenosis (manuscript)
• id: 762a9ca6-f010-47da-8358-2b71e7ad5871 (old id 546492)
• date added to LUP: 2016-04-01 15:33:46
• date last changed: 2019-05-21 14:13:00