Phenotypic modulation of vascular smooth muscle in organ culture

• Contraction of blood vessels for the regulation of blood flow and pressure is dependent on vascular smooth muscle cells (VSMC) located in the medial layer of the vascular wall. Adult, differentiated VSMC have a well developed contractile system and a low rate of proliferation. Under the influence of hormones, growth factors, inflammatory mediators and tissue factors, cells may modulate to a ”synthetic” phenotype, characterized by diminished contractility, a high rate of proliferation, and a tendency to migrate out of the organized tissue. Such cells are believed to form the ”neointima”, a thickening of the innermost layer of the wall characteristic of responses to endothelial injury, and important for the development of atherosclerotic lesions and of restenosis following vascular surgery. To study conditions of importance for maintaining the vessel wall in its contractile state, it is desirable to develop methods to keep blood vessels in organ culture, whereby tissue factors are preserved and experimental conditions can be well controlled. The aim of this thesis work was to study contractile and metabolic properties as well as biochemical composition and receptor expression in an arterial preparation (rat tail artery) kept in organ culture. After 4 days of culture arterial rings the morphology of the tissue was well preserved, but signs of phenotypic modulation were observed, particularly in the areas adjacent to the cut ends of the rings, where PDGF receptors appeared and the differentiation marker calponin was decreased. Culture with fetal calf serum (FCS) as growth promotor caused decreased contractility and ultrastructural signs of tissue damage. Detailed examination of this phenomenon disclosed that it is mainly caused by increased intracellular [Ca 2+ ]i , stimulated by vasoconstrictors present in FCS. Tight control of intracellular [Ca 2+ ]i is thus essential for tissue preservation. Cultured rings showed increased rate of lactate production but decreased O2 consumption, such that ATP production rate was the same as in fresh rings. Culture under hypoxia, however, caused reduced ATP production, suggesting decreased rate of energy consuming processes, such as protein turnover. Cultured rings maintained tension in hypoxic solution, in contrast to fresh rings. Reasons for this might be the increased reliance on glycolysis, and also an altered pattern of intracellular Ca 2+ waves, as revealed by laser scanning confocal microscopy. These results show that organ culture of vascular smooth muscle is useful for studying early events during phenotypic modulation in response to a variety of stimuli.

• Popular Abstract in Swedish Människans blod cirkulerar runt i kroppen genom dess många blodkärl. Blodkärlen är till största del uppbyggda av två slags celler; endotelceller och glatta muskelceller. Endotelcellerna är placerade innanför de glatta muskelcellerna i blodkärlet och deras uppgift är att forma en barriär mot blodet. De glatta muskelcellernas funktion är att reglera blodflödet genom blodkärlet. Detta görs genom att muskelcellerna antingen drar ihop sig eller slappnar av. I vissa situationer förändras kraven på de glatta muskelcellerna och deras funktion. Detta kan ske både i experimentella sammanhang och i situationer av kliniskt intresse, till exempel vid åderförkalkning. Om blodkärlets inre yta av endotelceller skadas börjar glatta muskelceller att vandra in i den skadade zonen. Detta kallas migration. För att detta ska vara möjligt måste den glatta muskelcellen förändra sig och sina egenskaper. Detta sker genom förändringar dels i den glatta muskelcellens gener, i den så kallade genotypen, dels i cellens känslighet för omgivande stimuli. Cellens ursprungliga fenotyp, det vill säga dess genotyp i kombination med cellens mottaglighet för stimuli, förändras alltså. De glatta muskelcellerna har ursprungligen en kontraktil fenotyp. För att migration ska vara möjlig förändras denna kontraktila fenotyp successivt till en syntetisk fenotyp. Signaler som utlöser denna förändringsprocess kan till exempel vara förändringar i tryck och flöde i blodkärlet eller en förändrad förekomst av tillväxtfaktorer. Fokus i den här avhandlingen ligger på hur de glatta muskelcellerna beter sig då de precis börjat förändra fenotyp. Oftast studeras fenotypförändringar i olika cellkulturer där till exempel blodkärlsceller isoleras och odlas i en inkubator. Fenotypförändringar kan också studeras med hjälp av en framkallad ballongskada på endotelskiktet i en djurmodell. Fördelen med en cellkultur är att det är ganska lätt att göra en mängd fysiologiska och biokemiska mätningar på den. Nackdelen är att glatta muskelceller som odlas relativt snabbt byter från kontraktil till syntetisk fenotyp. Många stimuli som är viktiga vid fenotypförändring är okända. Därför kan de inte simuleras i ett system utanför kroppen. Fördelen med en ballongskada som. ju görs i en djurmodell, är att dessa okända stimuli finns med och påverkar förändringsprocessen. Detta är dock samtidigt nackdelen med ballongskademetoden eftersom det kan ibland vara svårt att skapa sig en bild av hur en viss process bidrar till det totala förloppet. För att minimera respektive metods nackdelar och optimera deras fördelar har en blandmodell använts som experimentell metod i detta avhandlingsarbete. Ett intakt blodkärl med endotelceller och extracelluärmatrix har odlats i inkubator. Detta gör det möjligt att bibehålla vissa stimuli - framför allt cell-cell kontakter och extracelluärmatrix - samtidigt som betingelserna går att kontrollera tämligen exakt under försöket. Dock saknas.fortfarande många stimuli såsom tryck, flöde och inflammatoriska reaktioner. Avhandlingens första två arbeten beskriver ovan nämnda blandmodell. Även de odlade blodkärlens reaktioner på ökad kalciumbelastning inuti cellen, undersöks. Kalcium är en mycket viktig signalbärare i kroppen och har till funktion att initiera och medverka i olika förändringsprocesser. Kalcium påverkar bland annat sammandragningar i glatt-, hjärt- och skelettmuskelatur samt frisättning av olika hormoner, till exempel insulin. Kalcium spelar även roll för koagulering och frisättning av neurotransmittorer. Eftersom kalcium har så många viktiga funktioner i kroppen måste dess nivå ständigt regleras. Normalt hålls koncentrationen av kalcium mycket låg i kroppen. Dock kan halten öka cirka tio gånger vid till exempel sammandragningar i blodkärlet. Om kalciumnivån ökas permanent skadas emellertid cellen - detta sker till exempel i hjärnan vid stroke. I delarbete I och II har denna, för cellen giftiga (cytotoxiska), påverkan studerats. Effekten har framkallats genom att den glatta muskelcellen stimulerats så att den dragit ihop sig under fyra dygn. Under denna tid bibehåller den glatta muskelcellen många av sina “ normala” egenskaper som till exempel sammandragning vid stimulering med vissa ämnen. I delarbete III har fokus varit på den signalering som följer på stimulering av celler med proteinet platelet-derived growth factor (PDGF), ett av de viktigaste tillväxthormonen i blodcirkulationen. Dels har kalciumsignaleringen studerats,dels signalering via proteinet extracellular signal regulated kinase (ERK), studerats. Sistnämnda är av central betydelse för tillväxten av bland annat glatta muskelceller. I detta delarbete nåddes resultatet att tillväxten inte ju görs i en djurmodell, är att dessa okända stimuli finns med och påverkar förändringsprocessen. Detta är dock samtidigt nackdelen med ballongskademetoden eftersom det kan ibland vara svårt att skapa sig en bild av hur en viss process bidrar till det totala förloppet..är beroende av kalciumsignaleringen. Betydelsen av detta resultat är inte självklar. Resultatet kan dock bidra till att utreda vilken roll kalcium har för fenotypisk modulering. Delarbete IV handlar om hur glatta muskelceller klarar av en miljö med sänkt syretryck (hypoxi). Glatta muskelceller slappnar av när de utsätts för ett akut sänkt syretryck. Detta har tolkats som en viktig mekanism för att bibehålla näringstillförseln till vävnaden. Om syretrycket sjunker under lång tid så visar det att cellernas energiomsättning minskar och att muskeln blir mindre känsligför hypoxi i framtiden, vilket bekräftas i arbete IV.

Ämnesord

MEDICIN OCH HÄLSOVETENSKAP  -- Klinisk medicin -- Endokrinologi och diabetes (hsv//swe)

MEDICAL AND HEALTH SCIENCES  -- Clinical Medicine -- Endocrinology and Diabetes (hsv//eng)

Nyckelord

smooth muscle

proliferation

PDGF

Physiology

energy metabolism

calcium

Fysiologi

Publikations- och innehållstyp

dok (ämneskategori)

vet (ämneskategori)