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

Abstract: 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.