German Title: Der Einfluss biomechanischer Kräfte auf die Differenzierung vaskulärer Zellen während der Arteriogenese

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Abstract

Occlusive vascular diseases represent the most frequent cause of death in industrialized nations. Treatment of the end-stage of these diseases is usually limited to interventions such as angioplasty, bypass surgery or limb amputation. An alternative approach to restore blood flow to the ischemic tissue can be the therapeutic induction of the endogenous collateral circulation (arteriogenesis), bypassing the site of stenosis. Since biomechanical forces have been implicated in the initiation of arteriogenesis, their impact on the remodelling process during the onset of arteriogenesis and on the mechanosensitive expression of a pivotal pro-arteriogenic molecule, monocyte chemoattractant protein-1 (MCP-1), was investigated in the present study. Employing the hindlimb ischemia model and a novel ear artery ligation model revealed that MCP-1 expression is significantly increased in collateral arterioles undergoing arteriogenesis already 24 hours after its onset. To define the mechanism triggering MCP-1 expression, an in situ perfusion model of small mouse arteries was established, mimicking the pro-arteriogenic perfusion conditions. Gene expression analyses showed that MCP-1 expression is predominantly up-regulated in the media of the arterial segments which solely sense changes in circumferential wall strain. Further analyses of cultured endothelial and smooth muscle cells confirmed that elevated levels of shear stress do not up-regulate MCP-1 expression while application of cyclic stretch to both cell types resulted in a robust increase in MCP-1 expression. Inhibition of the mechanosensitive transcription factor activator protein-1 (AP-1) by employing the decoy oligodeoxynucleotide (dODN) technique abolished the stretch-induced MCP-1 expression in the cultured cells as well as in the perfused segments of the mouse mesenteric artery. Further analyses revealed an increased ROS formation in the cultured smooth muscle cells upon exposure to cyclic stretch as well as in the branches of mouse mesenteric artery perfused under pro-arteriogenic flow conditions in situ. Inhibition of ROS production by the ROS scavenger Idebenone abolished stretch-induced MCP-1 expression. Finally, topical application of the AP-1 dODN to the mouse ear after arterial occlusion abrogated remodelling of the collateral arterioles through down-regulating MCP-1 expression and monocyte recruitment. In summary, the data point towards a stretch-induced AP-1 mediated rise in MCP-1 expression in vascular smooth muscle cells as a critical determinant for the initiation of arteriogenesis. Conversely, the present study question the view of arteriogenesis as a predominantly shear stress-mediated remodelling process and contributes to the deeper understanding of a well-orchestrated arterial remodelling process that may eventually be exogenously induced for therapeutic purposes.

Translation of abstract (German)

Arterielle Verschlusskrankheiten stellen die häufigste Todesursache der Industrieländer. Behandlung der Krankheiten im Endstadium ist in der Regel auf Eingriffe wie Angioplastie, Bypass Operation oder Amputation beschränkt. Eine alternative Vorgehensweise die Blutversorgung des ischämischen Gewebes wiederherzustellen, könnte die therapeutische Auslösung der endogenen Kollateralversorgung (Arteriogenese) darstellen, welche die Stenose umgehen. Da biomechanische Kräfte mit der Initiierung der Arteriogenese in Verbindung gebracht werden, wurden in der vorliegenden Studie ihr Einfluss auf den Umbildungsprozess während der Entstehung der Arteriogenese und der mechanosensitiven Expression des pro-arteriogenen Schlüsselmoleküls, Monocyte Chemoattractant Protein-1 (MCP-1), erforscht. Einsätze des Hinterlauf-Ischämie-Modells und einem Mausohrarterien-Ligatur-Modell enthüllten einen bedeutsamen Anstieg der Expression von MCP-1 in Kollateralarteriolen bereits 24 Stunden nach dem Beginn der Arteriogenese. Um den Mechanismus, der die MCP-1 Expression auslöst, zu definieren wurde ein in situ Perfusionsmodell kleiner Mausarterien entwickelt, welche die pro-arteriogene Gegebenheiten simulieren. Die Analyse der Genexpression enthüllten, dass die Expression von MCP-1 hauptsächlich in glatten Muskulaturzellen hochreguliert wird, welche nur Veränderungen in zyklischer Dehnung wahrnemen. Weiter Analysen von kultivierten Endothelzellen und glatter Muskelzellen bestätigten das erhöhte Werte in der Schubspannung nicht zur hochregulierung von MCP-1 Expression führt während die Anwendung von zyklischer Dehnung in beiden Zellarten zu erhöhter MCP-1 Expression führt. Die Hemmung des mechanosensitiven Transkriptionsfaktors Activator Protein-1 (AP-1), durch die Anwendung der Decoy Oligodeoxynucleotid (dODN) Methode beseitigte die mechanisch induzierte Expression von MCP-1, sowohl in kultivierten Zellen als auch in den künstlich durchbluteten Arterien im Perfusionsmodell. Weitere Analysen enthüllten eine Erhöhte ROS Formation sowohl in den kultivierten glatten Muskelzellen nach zyklischer Dehnung, als auch in Zweigen der künstlich pro-arteriogen durchbluteten Mausmesenterialaterie in situ. Hemmung der ROS Produktion durch die ROS Scavenger Idebenone unterband die mechanisch induzierte MCP-1 Expression. Schlussendlich, unterbrach topische Applikation der AP-1 dODN auf das Mausohr nach dem arteriellem Verschluss die Umbildung der Kollateralarteriolen durch Herabregulierung der MCP-1 Expression und Monozytenrekrutierung. Zusammenfassend, deuten die Ergebnisse einen mechanisch induzierte, AP-1 bistimmten, Anstieg der MCP-1 Expression in den glatten Muskelzellen als kritischen Faktor für die Initiierung der Arteriogenese an und stellen die bestehende Sicht von Arteriogenese als hauptsächlich durch Schubspannung bestimmter Umbildungsprozess in Frage. Die Studie trägt zu einem besseren Verständnis eines gut orchestrierten arteriellem Umbildungsprozess bei, der möglicherweise letztendlich für therapeutische Zwecke induziert werden könnte.