Az ateroszklerózis helyspecifitása

A Chicagói Egyetem Patológiai Tanszékéről, Chicago, IL.

Ön a cikk legfrissebb verzióját nézi. Előző verziók:

Absztrakt

Ennek a hipotézisnek a kidolgozásához röviden áttekintjük az emberi érelmeszesedés regionális különbségeire vonatkozó korlátozott bizonyítékokat. Kitérünk arra is, hogy az áramlási paraméterek milyen hatással vannak az endothelium különféle válaszaira, hogy háttérként szolgáljanak azoknak a potenciális variációknak a mérlegeléséhez, amelyek az érelmeszesedés válaszának regionális különbségei lehetnek. Mivel a felülvizsgálat további része az egér érelmeszesedésére összpontosít, röviden áttekintjük az e faj ateroszklerózisának főbb modelljeit, valamint az artériás elváltozások mértékének és méretének értékelésére leggyakrabban alkalmazott megközelítéseket. Végül összeállítjuk a rendelkezésre álló adatokat az érelmeszesedés helyszelektivitásáról ezekben az egérmodellekben, rövid értékeléssel a lehetséges közös mechanizmusokról, amelyek ennek a szelektivitásnak az alapját képezhetik.

Regionális különbségek az emberi érelmeszesedésben

Hemodinamika és az ateroszklerózis lokalizációja

Vannak elsöprő korrelációs adatok, amelyek azt mutatják, hogy az alacsony nyírás vagy a megszakadt áramlás okozza az érelmeszesedés lokalizációját. Talán a legszembetűnőbb az a kóros megfigyelés, miszerint a fogékony hely adott keresztmetszetén belül a kezdeti elváltozás szinte mindig kiszámítható módon excentrikusan oszlik el. Például a nevezetes artéria vagy a csípő kétágú ágának elágazási pontjainál a kezdeti elváltozás az oldalfalon található. Ennek a sajátos lokalizációnak az oka az alábbiakban feltárt helyi hemodinamikával magyarázható.

Caro és munkatársai 1969-ben rámutattak az alacsony nyírófeszültség és az érrendszeri érelmeszesedés közötti fontos összefüggésre. Ezt a koncepciót Glagov és munkatársai tovább dolgozták. Az áramlási viszonyok méretarányos emberi carotis bifurkációs modellekben történő reprodukálásával kimutatták, hogy a boncoláskor talált ateroszklerózis lokalizációja korrelált az áramlás megszakadásának területeivel, ami megnövekedett részecske tartózkodási időt eredményezett. 16,17 Hasonló modellezést végeztünk a hasi aortán, amelyben mind az oszcilláló áramlás, mind az alacsony nyírófeszültség figyelhető meg az infrarenalis aorta hátsó fala mentén, ahol ateroszklerotikus elváltozások alakulnak ki. 18.

Az érelmeszesedés kialakulására hajlamos prelesiós területek megkülönböztethetők más kevésbé fogékony területektől. Fiatal személyeknél a nonatheroscleroticus intim megvastagodás valószínűbb az aorta azon régióiban, amelyek hajlamosak az ateroszklerózis kialakulására. 13,19 magzati zsírcsíkok találhatók az anyai hiperkoleszterinémia jelenlétében, és ezek az elváltozások ismét olyan területeken lokalizálódnak, amelyek hajlamosak az érelmeszesedés kialakulására. 20 Ezenkívül egereken végzett vizsgálatok kimutatták, hogy az anya terhesség alatti hiperkoleszterinémiája, akárcsak a hemodinamika, úgy tűnik, hogy az érfal gének expresszióját indítja el kölyökkutyákban, amely a hiperkoleszterinémia megfordulása után is fennmarad. 21

Ezeket a fent említett hemodinamikai jelenségeket az endoteliális sejt érzékeli, és a lehetséges érzékelő mechanizmusokat Davies és munkatársai már alaposan áttekintették. 30-32 Az endoteliális sejtek igazodnak a lamináris áramlás tengelyéhez. Ez az összehangolás megszűnik a zavart áramlású területeken, még egy kis térbeli léptékben is, amely csak néhány cellát képvisel. Az áramlással kapcsolatos válasz továbbjut az intracelluláris citoszkeletális filamentumokhoz, amelyek kapcsolódnak az organellához és a magmembránokhoz. A luminalis jel ilyen eloszlása potenciálisan integrált sejtreakciót eredményez, amely több sejtfelszíni és intracelluláris jelátviteli molekulát érint, egyetlen primer biomechanikai érzékelő bevonása nélkül.

Az oszcillációs nyírófeszültség lényegében felszabályozza a VCAM-1, az ICAM-1 és az E-szelektint a tenyésztett humán endoteliális sejtekben. 39 Érdekes módon ezeknek a molekuláknak az expresszióját statikus körülmények között is szabályoztuk, amikor az endothel sejteket simaizomsejtekkel együtt tenyésztettük, a simaizomsejtek ezen indukáló hatását azonban gátolta az alkalmazott nyírófeszültség. Ezeket a génexpressziós változásokat a nukleáris faktor-κB (NF-κB) aktiváció közvetíti, amely különösen alacsony nyírási körülmények között következik be. Az NF-κB aktiváció áramlásfüggő módon összefügg az Iκ-Bα csökkenésével, ami viszont az IκB kináz aktiválódásával függ össze. Ezen eredmények in vivo jelentőségét tenyésztett endoteliális sejtekben tükrözi az NF-κB magas szintű expressziója az egér aorta kisebb görbületében, amelynek áramlási mintázata megszakadt és érzékeny az érelmeszesedésre. Ez ellentétben áll az NF-KB korlátozottabb expressziójával a nagyobb görbületben, amelynek laminárisabb az áramlása és viszonylag ellenáll az ateroszklerózisnak. 44 A VCAM-1 hiperkoleszterinémiára reagálva ezen és más érelmeszesedésre fogékony területeken is fel van állítva. 45

Az endothelsejtek NO-szintázának (eNOS) túlexpressziója gátolta az alacsony nyírás által kiváltott NF-KB aktivációt. Az eNOS-t dózisfüggő módon indukálja a lamináris nyírófeszültség, 46,47, míg az oszcillációs nyírófeszültség csökkentheti az eNOS-t. Az eNOS ezen aktivációját nagyrészt a specifikus protein-kináz B-függő foszforiláció közvetíti. A hiperkoleszterinémia egyik legkorábbi válasza az endothelium-függő artériás relaxáció csillapítása és NO-termelés. 50 Az eNOS csökkenését figyelték meg az aorta érelmeszesedésre érzékeny területein az LDL-receptor-hiányos egerekben, 51 ami arra utal, hogy a NO-termelés védő lehet az érelmeszesedés kialakulása ellen. Az eNOS túlnyomórészt a caveolae-ban helyezkedik el, és ezt a lokalizációt az oxidált lipoprotein csökkenti és a HDL növeli, 50 ez utóbbi a scavenger receptor BI (SR-BI) -függő módon. Fontos, hogy a caveolae koleszterintartalma befolyásolhatja az endothel sejtek jelátvitelét. A koleszterin tartalmat részben az endogén szintézissel lehet szabályozni, amelyet az SREBP útvonal közvetít, amelyet ismét a nyírófeszültség aktivál. 36,37

Egyre több bizonyíték van arra, hogy a reaktív oxigénfajok erős proaterogén mediátorok lehetnek. A megnövekedett reaktív oxigénfajok legfontosabb hozzájárulója a NADPH-oxidáz, amelyet lamináris és oszcillációs nyírófeszültség különbözõen szabályoz, és ez utóbbi felelõs ennek az oxidáznak az aktiválásáért. 53 A megnövekedett NADPH-oxidáz aktivitás poszttranszkripciós lehet, az alegységek foszforilációjától függően. 54,55 Ennek az oxidáznak számos agonistája van, beleértve az angiotenzin II-t is. Az áramlási paraméterek által befolyásolt reaktív oxigénfajta-rendszer további tagjai a hem-oxigenáz és a Cu/Zn szuperoxid-diszmutáz. 53 Nyilvánvaló, hogy a prooxidáns és az antioxidáns elemek egyensúlya meghatározhatja az érelmeszesedés kialakulásának valószínűségét egy adott érrendszeri helyen, és hogy ezt az egyensúlyt befolyásolja a nyírófeszültség nagysága és az oszcilláció. 54–56 Ez a fogalom prototípusként szolgál a proaterogén és antiaterogén hatások kiegyensúlyozásához. Az adhéziós molekulák, a kemoattraktáns molekulák, a citokinek, a növekedési faktorok és a túlélési faktorok egyéb egyensúlyai potenciálisan szerepet játszhatnak az érelmeszesedés folyamatának elősegítésében vagy gátlásában bármely vaszkuláris helyen.

Rágcsáló érelmeszesedés

Egér modellek

Noha a tenyésztett endoteliális sejtekkel kapott eredmények értékes betekintést nyújtanak az in vitro áramlással kapcsolatos szabályozás típusaiba, amelyeket ezek a gének és fehérjék mutatnak, ezek a kísérletek nem tudják pontosan megismételni az in vivo helyzetet, különösen, ha a regionális variációk lehetősége és a hosszabb ideig tartó hemodinamikát figyelembe veszik. Ezért hatékony in vivo modellekre van szükség.

Az egyes emberi alanyokban tapasztalható kórokozó mechanizmusok tanulmányozásának nyilvánvaló nehézségei miatt kötelező az ateroszklerózis jól jellemzett kísérleti modellje. Az elmúlt évtizedben az egér a legjobb modellnek bizonyult a gyors szaporodás, a genetika széleskörű ismerete, a génexpresszió manipulálásának képessége, a genetikailag módosított egerek viszonylag gyors lézióképződése és az elváltozás viszonylagos könnyűsége miatt. elemzés. Sajnos az egér hemodinamikájának tanulmányozása nehéz a méretkorlátozások miatt. Ez a fenntartás annak ellenére, hogy a korai atherogenezis jobb megértése alakult ki az elmúlt években, elsősorban az egérmodell alapján (áttekintve: Lusis 57, Glass és Witztum 58).

1.ábra. A fő artériás érrendszer hosszanti ábrázolása, amely az ateroszklerózis (szürke árnyékolás) megfigyelt eloszlását szemlélteti az LDL-receptor-hiányos egerek magas zsírtartalmú aterogén étrendet fogyasztó érrendszerében. 1 Az aorta sinust jelzi; 2, emelkedő aorta; 3, az aortaív kisebb görbülete; 4. ábra: az aortaív nagyobb görbülete; 5. az inomináris artéria; 6, jobb oldali közös carotis artéria; 7, bal közös carotis artéria; 8. ábra: bal oldali subclavia artéria; 9. mellkasi aorta; 10, veseartéria; 11. ábra, hasi aorta; és 12, csípő artéria.

Az érelmeszesedés szelektív modulációjának lehetőségének értékelése a különböző érrendszeri kockázati területeken legalább 2 ilyen helyet kell tanulmányozni, ami csak most kezdi felismerni. Az, hogy az elváltozás hogyan reagál a leggyakrabban vizsgált helyeken, nem feltétlenül tükrözi a más helyeken előforduló patogenezist. 65 Valójában az, hogy csak az aortára vagy az aorta sinusra összpontosítottunk, az instabil, előrehaladott lepedék hatékony modellezése megfoghatatlan maradt, amíg a kutatók máshová nem kezdtek keresni, nevezetesen a nevezetes artériába. 66–68

Az egér érelmeszesedését befolyásoló lokális hemodinamikai környezet tekintetében az érelmeszesedés keringési aszimmetriáját mind az egér aorta sinusában, mind az inomináris artériában a 2. ábra mutatja. Itt tipizálva az inomina artériában található elváltozás mindig az oldalsó falán, és nagyobb mennyiségű elváltozás alakul ki az aorta sinusán, amely az aorta kisebb görbületéhez van közelebb, mint a nagyobb görbületű oldal (lásd 1. ábra). Ismét ezek a helyek pontosan azok a helyek, ahol a turbulens, pulzáló és nem lamináris áramlási erők dominálnak, elősegítve az érelmeszesedés kialakulását.

2. ábra. Az aorta sinus (A) és az inomináns artéria (B) keresztmetszete egy apoE-hiányos egér táplált chow-étrendből 40 hétig, szemléltetve az érelmeszesedés elváltozásának kerületi aszimmetriáját. Tíz mikrométer vastag szakaszok; Weigert hematoxilin-van Gieson foltja; eredeti nagyítás × 4 (A) és × 10 (B).

Az érelmeszesedés mérése

Végül, amikor az érelmeszesedés regionális variációit vizsgáljuk, fontos szem előtt tartani az elváltozások fejlődésének sebességét az egyes helyeken. Az érelmeszesedés mérésére szolgáló mintavételi idő könnyen befolyásolhatja a jelentett eredményt. Például 15-lipoxigenáz túlexpresszióval az aorta sinus elváltozásának 83 területe nagymértékben megnő, ha egerekben 3 vagy 6 hetes, magas zsírtartalmú aterogén étrend etetése után vizsgálják, de nem 9 hét múlva. Finomítottabb szinten a sejtes elváltozások összetétele is változhat az idő múlásával. Például a simaizomsejt-tartalom jelentősen csökken az interferon (IFN) -y/LDL-receptor kettős hiányú egerek aortaívének elváltozásaiban, ha 8 hetes étrend után, de nem 20 hetes diéta után veszünk mintát. 84 Ezért fontos megbecsülnünk, hogy az érelmeszesedés elváltozásának komplexitása nem feltétlenül érvényesülhet egy adott értékelésben, és ezeket a korlátokat szem előtt tartva kell mechanisztikus következtetéseket levonni.

A rágcsáló érelmeszesedésének helyspecifikus jellege

Kevés olyan tanulmány létezik, amely lehetővé teszi az érelmeszesedés helyszelektív evolúciójának kérdését. A táblázat összefoglalja az egérmodellek számos kísérletét, amelyekben a válasz érrendszerenként változik. Várható, hogy a jövőbeni munka sok ilyen esetet tár fel, és ezek a különbségek megvilágíthatják az aterogén mechanizmusok gazdagságát.

Helyspecifikus hatások az ateroszklerózisban

Tekintettel arra, hogy az érelmeszesedés alacsony nyíró- és zavart áramlási helyeken alakul ki, azt javasoljuk, hogy a különböző régiók áramlási mintázata mennyiségi részletességgel változzon, és ezek a variációk komplex hatással legyenek az érelmeszesedés kialakulására. Ezek a variációk befolyásolhatják a lipoproteinek, a vérrel terjedő molekulák és a gyulladásos sejtek relatív tartózkodási idejét, amelyek érintkeznek az endothel sejtekkel ezekben a régiókban. A hemodinamikai minták finoman különböző módon is megalapozhatják az endoteliális sejtek génexpressziós profilját, így ezek a sejtek regionális szempontból eltérő divatban reagálnak olyan globális kockázati tényezőkre, mint a hiperlipidémia, a nem és az immunrendszer. A szövetkultúra-vizsgálatok, jóllehet egyértelműen jelzik az endothel gének áramlási reakciókészségét, nem modellezik pontosan az in vivo helyzet finom részleteit, amely a helyszelektív atherosclerosisban jelentkezik. Csak bizonyos vaszkuláris régiók in vivo mintavétele a részletes összehasonlító vizsgálatok céljából valószínűleg kritikus információt szolgáltat ezekről a kérdésekről.

Ezen a ponton az áramlási minták endothelsejt-gén expresszióra gyakorolt hatására vonatkozó in vitro munkák nagy része vagy az emberi köldökvénából (az érelmeszesedésre nem fogékony hely), vagy az emberi, szarvasmarha vagy nyúl aortából származó sejteket használt fel. A génexpresszió vizsgálatára szolgáló endoteliális sejtek egyetlen esetben sem származnak az érfal különböző régióiból, amelyek hajlamosak az ateroszklerózis kialakulására, bár különböző sebességgel vagy különböző körülmények között. Egy ilyen tanulmány potenciálisan megmutathatja, hogy az endothelsejtek olyan regionális specifikus fenotípust mutatnak-e, amely az ateroszklerotikus helyszelektivitást eredményezi.

Ez azt mondta, még a tenyésztett endothelsejt-vizsgálatok is rámutattak az egyensúlyra az atherogenezist elősegítő vagy gátló gének közötti egyensúlyra, amelyek a regionális in vivo különbségek vizsgálatára pályáznak. Kimutattuk, hogy az áramlásra reagáló gének egy része változik, mivel az áramlási paraméter nagysága megváltozik (például VCAM-1, 101), ami az ilyen géneket potenciális jelölt lehet az ateroszklerózis regionális variációiban. Az alábbiakban felsorolunk néhány egyéb tényezőt, amelyek befolyásolhatják vagy befolyásolhatják a régiónként eltérő elváltozások kialakulását.

A sérülés kora

Oxidációs profil

Genetikai háttér

A fenti helyspecifikus hatásokat apoE-hiányos vagy LDL-receptor-hiányos egerekben tanulmányozták, leggyakrabban a C57BL/6 háttérbe keresztezve. A beltenyésztett egér törzsek sokfélesége között nagy eltérések mutatkoznak az ateroszklerózis előfordulásában és mértékében az aorta sinuson, még apoE vagy LDL receptor hiány esetén is. Az érelmeszesedés iránti fogékonyság törzsbeli különbségeinek vizsgálata (például FVB 108–113) nagyrészt az aorta sinus elváltozására összpontosított. Ez torzíthatja az ateroszklerózisra potenciálisan befolyásos gének kiválasztását, amelyek elsősorban ezen a helyen működnek, míg más helyeket befolyásolhat egy másik modulátor génkészlet. Előzetes adatokkal rendelkezünk arról, hogy az inomináris artéria ateroszklerózisának variációját valóban szabályozhatja egy olyan gén vagy gének, amelyek nem annyira relevánsak az aorta sinus elváltozásának kialakulásában. 89 Mindenesetre az alkalmazott egérmodell specifikus genetikai háttere fontos figyelmeztetés, amelyet figyelembe kell venni az érelmeszesedéses elváltozás mértékét befolyásoló gének elemzésénél.

Nemspecifikus hatások

Következtetések

3. ábra. Modell az ateroszklerózis helyspecifikus modulációját eredményező számos tényező kölcsönhatásának konceptualizálására. A lokális hemodinamikai áramlási mintázatok 2 atherosclerosisra fogékony helyen, az aorta sinus és az inominát példáján alapulnak, és a vaszkuláris sejtek differenciál gén-expressziós profilját eredményezik ezeken a helyeken. Ezen primer vaszkuláris sejtek specifikus válaszai az ateroszklerózis rizikófaktoraira és modulátoraira hatással lesznek az atherogén útvonalakra, ami viszont különbségeket eredményezhet az egyes ateroszklerotikus elváltozások méretében, összetételében vagy progressziójának sebességében. Hím egereken végzett rágcsáló-érelmeszesedés-vizsgálataink alapján feltételezzük, hogy az aorta sinus primer sejtjei hajlamosabbak az immunhiányra, mint az inomináris artériában található sejtek, míg a genetikai háttér mindkét helyen befolyásolja az érelmeszesedést.

Ezt a munkát részben George Lyman Duff jeles emlékelőadásként mutatták be az American Heart Association éves gyűlésén, 2003. novemberében, a floridai Orlandóban.

Köszönetnyilvánítás

A szerzők ebben az áttekintésben idézett kutatását a National Institute of Health támogatta a HL-56827 és a DK-26678.