• Aucun résultat trouvé

S100A4 is a key player for smooth muscle cell phenotypic transition: implications in atherosclerosis

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Partager "S100A4 is a key player for smooth muscle cell phenotypic transition: implications in atherosclerosis"

Copied!
181
0
0

Texte intégral

(1)

Thesis

Reference

S100A4 is a key player for smooth muscle cell phenotypic transition:

implications in atherosclerosis

SAKIC, Antonija

Abstract

Atherosclerosis is the leading cause of cardiovascular disease worldwide. In atherosclerosis, smooth muscle cells (SMCs) accumulate in the intima where they undergo a transition from a contractile to a synthetic phenotype. During the two last decades, synthetic SMCs have been considered as beneficial players in atherosclerotic plaque development by essentially contributing to fibrous cap formation that protects plaque from rupture. However, SMCs exhibit a remarkable plasticity, and recent studies have demonstrated that a high proportion of SMCs in atherosclerotic plaques are hardly detectable with the classical SMC markers and acquire proinflammatory macrophage-like phenotype. We have previously identified S100A4 as a marker of the synthetic phenotype, both in vitro and in vivo in pigs and humans. The main project of this thesis aimed at deciphering the role of extracellular S100A4 in phenotypic transition of SMCs and atherosclerotic plaque progression. Our results indicated that extracellular S100A4 is causally related to atherosclerotic plaque progression, putting it forward as a prospective therapeutic target for [...]

SAKIC, Antonija. S100A4 is a key player for smooth muscle cell phenotypic transition:

implications in atherosclerosis. Thèse de doctorat : Univ. Genève, 2020, no. Sc. Vie 45

DOI : 10.13097/archive-ouverte/unige:143048 URN : urn:nbn:ch:unige-1430480

Available at:

http://archive-ouverte.unige.ch/unige:143048

Disclaimer: layout of this document may differ from the published version.

(2)

Titre de la thèse [minuscules pour titre français, ou]

Title of the Dissertation [Capital Letters for English Title]

THÈSE

présentée aux Facultés de médecine et des sciences de l’Université de Genève pour obtenir le grade de Docteur ès sciences en sciences de la vie,

mention Choose an item.

par

Thèse No nnnn

GENÈVE

S100A4 IS A KEY PLAYER FOR SMOOTH MUSCLE CELL PHENOTYPIC  TRANSITION: IMPLICATIONS IN ATHEROSCLEROSIS 

THÈSE   

présentée aux Facultés de médecine et des sciences de l’Université de Genève  pour obtenir le grade de Docteur ès sciences en sciences de la vie,  

mention Sciences biomédicales   

par 

Antonija ŠAKIĆ 

de 

Zagreb, Croatie 

  Thèse No 45 

  GENÈVE  UNIVERSITÉ DE GENÈVE 

Section de Médecine Fondamentale   FACULTÉ DE MÉDECINE

Département de Pathologie et Immunologie  Dr. Marie‐Luce Bochaton‐Piallat  

(3)
(4)

Acknowledgment 

Every PhD thesis is a long road that requires a hard work, patience, good will and deep  commitment, both in professional and personal way. In the end of it, one person is officially  awarded with the title, but actually, many more contributed to its realization and that is why  they deserve special, deep and honest gratitude.  

For that, I would like to start with one big thank you to my supervisor, Dr. Marie‐Luce  Bochaton‐Piallat as without her the beginning, the middle or the end of this thesis would not  be  possible.  She  was  a  supervisor  that  gave  me  a  lot  of  freedom  and  space  to  grow  in  a  professional and personal way, but again, was always present and available for any advice,  help or a talk. Thank you my boss, for being Lourdes, for caring, for incredible commitment  and energy you give to all of us,  for your optimism, your limitless help and the most‐ for being  a big human! 

To  my  committee  members;  Prof.  Guido  de  Meyer,  Prof.  Thierry  Soldati  and  Prof. 

Michelangelo Foti, thank you for accepting to read evaluate my work. 

Dear Chiraz and dear Matteo. I still remember crystal clear my interview and two of  you who supported me and gave me great advices even before I started my PhD. Thank you  for that and all the knowledge that we shared in our common work! 

Dear Anita, thank you very much for all the help and your beautiful personality that  made my days in our lab very pleasant. I am very happy that I shared all my time with you! 

Dear Aman, even though not for all the time of my PhD, I enjoyed sharing work and  stories with you! Thank you! 

(5)

For  a  long  time,  I  was  the  only  “thesis”  person  in  the  laboratory,  and  that  has  dramatically changed when Luís Miguel Cardoso dos Santos joined us, as he brought energy  accounting for minimum 2 additional people. That energy was expressed and prominent in all  possible ways: when we shared our work, laughed, hanged out outside the lab as well as when  we fight. All of that led to having not only an excellent working colleague, but also a (I hope)  a life‐long friend. Thank you for everything my, well known, friend Miguel ! 

Ksenia, even though you have just arrived, thank you for bringing cheerfulness and  fun in the laboratory! 

I would also like to thank to all students that were contributing to the good work and  atmosphere in the laboratory: Aurore for her enthusiasm, Tristan that was sharing with me  the  beginning  steps  of  my  project,  Kaori  for  her  scientific  input  and  our  sushi  time,  and  Alexandre for bringing a new vibe in the lab. Specially, I would like to thank my Marieke who  spend last months of my thesis in our lab. You lady, did much more for me than you think‐ 

both, in scientific and personal way. I am seriously proud of you and very honoured that you 

“ended up” working with me! 

Many thanks to all “PATIM people”; it was a pleasure to share the department with  people  like  you.  Thank you  for  your  helpful scientific  input  and  for always  being  willing  to  help! Moreover, I would like to thank bioimaging and genomic facility of the CMU for a big  help and Sylvain, without whom, my RNA sequencing data would always stay a raw data   Notably, I would like to thank to Prof. Brenda Kwak and her laboratory for their generous help  and advices! 

(6)

My dear Sanjice, CMU would not be the same without you and our “healing‐lunch‐

sessions”. I am thankful to the all circumstances that located  us on the same place, in the  same time. Thank you for everything! Together with Sanjica, naturally, appears Yves: thank  you for  being you  and for sharing a  decent  amount of chocolates, as well  as science, with  me. 

Now, my ladies, Mannekomba and Ronke, my companions from the first until the last  day (and ongoing). If I could choose, I could not get better support, friends and people to have  next to me during our PhD journey‐ thank you million times!!!! 

Divore, “moja rak‐rano”, you have a very special role and place in all of this. Thank you  for (not every) word and minute you spent discussing with me. For being my support rock,  and person that was always unselfishly available: for sharing great, good, a bit less good, very  bad….actually everything! Thank you! 

Ksenija, Hana, Yacine, Duje, Matko, thank you my friends for all the support and care! 

Ivana, Anita and Neven, we know each other for 25+ years and I have to thank you for  not letting the distance set us apart. Thank you for all the virtual coffees and for not forgetting  to take me on important events with your phones  Thank you for being my friends! P.s‐ Jaki,  you made our team complete, thank you for supporting us! 

My  dear  Anka,  you  always  made  me  feel  like  home,  happy  and  peaceful.  Our  weekends  will  always  stay  only  ours‐  thank  you  for  that  and  for  your  never  ending  support!Thank you Ivica and Anka for going through the big swiss paper work for me‐ without  you I would not have my small piece of home here. Ivice‐ thank you for not so often, but long,  fun and interesting talks. 

(7)

Gjino, short and clear‐ you are the one knowing me the best and the one that is there  for me when it is the hardest, but also the nicest. Thank you for being a wind at my back since  a very long time and for encouraging me when it was the most important! I know that you  are not a fan of words, but I have to say that in this PhD story, you are a big piece of puzzle,  and thank you for that! 

Ivane, thank you for being the best brother, and Anita, thank you for being the best  wife he could have. Two of you made my grey weekends much brighter! 

To the smallest ones‐ Mislav and Klara…Once you grow up, I want you to read this to  know that you turned our lives upside‐down, by bringing us huge amounts of happiness and  love. Mislave, the worst days would disappear instantly when you would call and thank you  for that. I am honoured that I was both, your Pero and teta Tonka. Thank you for the purest,  the most honest and valuable talks and love! 

I am thankful that in different moments of my life I had people supporting me and  sharing with me happy and a bit less happy moments. Nevertheless, throughout my whole  life I had and I have two people that were constantly giving me limitless and unconditional  support, care and love. Becoming a parent is a matter of biology, but being a parent is a matter  of unselfish commitment that never ends. Mama i tata, thank you for always being next to  me. Without you I would not be happy and accomplished person in any segment of my life. 

Thank you for all the sacrifice you did for me and if I hope that I managed to make you feel  proud. Words will never be enough to express my gratitude and without you, nothing would  be possible. Voli vas vaša Tonka! 

   

(8)

Abstract 

Atherosclerosis  is  the  leading  cause  of  cardiovascular  disease  worldwide,  including  coronary  artery  disease,  stroke,  hypertension  and  peripheral  artery  occlusive  disease.  In  atherosclerosis, smooth muscle cells (SMCs) accumulate in the intima where they undergo a  transition from a contractile to a synthetic phenotype. This phenomenon includes a process  of cell dedifferentiation characterized by altered expression of contractile proteins, as well as  increased  production  of  extracellular  matrix  components.  During  the  two  last  decades,  synthetic  SMCs  have  been  considered  as  beneficial  players  in  atherosclerotic  plaque  development by essentially contributing to fibrous cap formation that protects plaque from  rupture.  However,  SMCs  exhibit  a  remarkable  plasticity  depending  on  environmental  cues/signals,  and  recent  studies  have  demonstrated  that  a  high  proportion  of  SMCs  in  atherosclerotic plaques are hardly detectable with the classical SMC markers and acquire pro‐

inflammatory  macrophage‐like  phenotype.  Therefore,  there  is  a  need  for  identification  of  factors and mechanisms responsible for the detrimental SMC phenotypic changes, with the  aim of developing appropriate tools to influence SMC phenotypic profile and promote plaque  stabilization  and/or  regression.  We  have  previously  identified  S100A4  as  a  marker  of  the  synthetic phenotype, both in vitro and in vivo in pigs and humans. S100A4 exhibits intra‐ and  extracellular  functions  and, in  vitro,  extracellular  S100A4  is  active  once  in  oligomeric  conformation. The main project of this thesis aimed at deciphering the role of extracellular  S100A4 in phenotypic transition of SMCs. 

Chapter I is dedicated to the pathogenesis of atherosclerosis, focusing on the role of  SMCs. The main aims of my thesis are described in Chapter II. In the first part of Chapter III,  we describe a human study, in which we have characterized SMC from atherosclerotic plaque  and underlying media in coronary arteries from young sudden cardiac death victims, by using 

(9)

typical  SMC  differentiation  markers.  We  have  demonstrated  that  SMCs  exhibited  highly  differentiated  phenotype,  both  in  media  and  intima.  Our  results  suggest  that  SMC  contractility might contribute to transient coronary spasm leading to myocardial ischemia and  sudden cardiac death. The main project of my thesis is described in the second part of Chapter  III.  By  treating  porcine  coronary  artery  SMCs  with  platelet  derived  growth  factor  BB  and  oligomeric  S100A4,  we have  demonstrated  that,  when  in  combination,  they synergistically  induced a complete phenotypic transition of SMCs toward a synthetic phenotype associated  with  pro‐inflammatory  properties.  In  Apolipoprotein  E  knockout  mice,  which  develop  atherosclerotic plaques after being fed with high cholesterol diet, we have demonstrated that  extracellular S100A4 neutralization, by using the specific neutralizing antibody (clone 6B12),  decreased  systemic  inflammation  as  well  as  the  area  of  atherosclerotic  lesions  in  aortas. 

Moreover, S100A4 neutralization promoted plaque stability as shown by increased number  of  differentiated  intimal  SMCs  within  the  fibrous  cap  and  decreased  expression  of  makers  typical  of  inflammatory  cells.  These  results  indicate  that  extracellular  S100A4  is  causally  related to atherosclerotic plaque progression, putting it forward as a prospective therapeutic  target  for  plaque  stabilization  and/or  regression.    In  Chapter  IV,  findings  of  my  thesis  are  discussed  and  future  perspectives  of  the  project  are  presented.  Chapter  V  contains  references,  and  Chapter  VI  consists  of  two  additional  publications,  in  which  I  partially  contributed. 

   

(10)

Résumé 

L'athérosclérose  est  la  principale  cause  des  maladies  cardiovasculaires  dans  le  monde,  y  compris  la  coronaropathie,  l'accident  vasculaire  cérébral,  l'hypertension  et  la  maladie  occlusive  des  artères  périphériques.  Dans  l'athérosclérose,  les  cellules  musculaires  lisses  (CML) s'accumulent dans l'intima où elles subissent une transition d'un phénotype contractile  à  synthétique.  Ce  phénomène  comprend  un  processus  de  dédifférenciation  cellulaire  caractérisé  par  une  expression  altérée  des  protéines  contractiles,  ainsi  qu'une  production  accrue de composants de la matrice extracellulaire. Au cours des deux dernières décennies,  les  CML  synthétiques  ont  été  considérées  comme  des  acteurs  bénéfiques  dans  le  développement de la plaque d'athérome en contribuant principalement à la formation d'une  capsule fibreuse qui la protège de la rupture. Cependant, les CML présentent une plasticité  remarquable  en  fonction  de  leur  environnement.  Ainsi  des  études  récentes  ont  démontré  qu'une proportion élevée de CML dans les plaques d'athérome sont difficilement détectables  avec  les  marqueurs  classiques  des  CML  et  acquièrent  un  phénotype  pro‐inflammatoire  typique des macrophages. Il est donc nécessaire d'identifier les facteurs et les mécanismes  responsables des changements phénotypiques délétères des CML dans le but de développer  des  outils  appropriés  pour  influencer  le  profil  phénotypique  des  CML  et  promouvoir  la  stabilisation et/ou la régression de la plaque d’athérome. Notre laboratoire avait identifié la  protéine S100A4 comme étant un marqueur du phénotype synthétique, à la fois in vitro et in  vivo, chez le porc et l'homme. Celle‐ci présente des fonctions intra et extracellulaires; in vitro,  la S100A4 extracellulaire est active dans sa conformation oligomérique. Le projet principal de  cette  thèse  est  dédié  à  l’étude  du  rôle  du  S100A4  extracellulaire  dans  la  transition  phénotypique des CML. 

(11)

Le Chapitre I est consacré à la pathogenèse de l'athérosclérose, en mettant l'accent  sur le rôle des CML. Les objectifs principaux de ma thèse sont décrits dans le Chapitre II. Dans  la  première  partie  du  Chapitre  III,  nous  décrivons  une  étude  de  spécimens  humains  dans  lesquels nous avons caractérisé les CML de la lésion athérosclérotique et de la média sous‐

jacente  d’artères  coronaires  collectées  chez  de  jeunes  victimes  de  mort  subite  d'origine  cardiaque,  en  utilisant  des  marqueurs  de  différenciation  typiques  des  CML.  Nous  avons  démontré que les CML présentaient un phénotype très différencié, à la fois dans la média et  la lésion. Nos résultats suggèrent que la contractilité des CML pourrait contribuer à un spasme  coronarien transitoire entraînant une ischémie myocardique puis une mort cardiaque subite. 

Le projet principal de ma thèse est décrit dans la deuxième partie du Chapitre 3. En  traitant les CML, isolées de l'artère coronaire porcine, avec le facteur de croissance « platelet‐

derived growth factor‐BB » (PDGF‐BB) et la S100A4 oligomérique, nous avons démontré que  leur combinaison induisait de façon synergique une transition phénotypique complète  des  CML vers un phénotype synthétique  associé à  des propriétés pro‐inflammatoires. Chez les  souris ApoE‐/‐, qui développent des plaques d'athérosclérose après avoir été nourries avec un  régime  riche  en  cholestérol,  nous  avons  montré  que  la  neutralisation  de  la  S100A4  extracellulaire par un anticorps neutralisant spécifique (clone 6B12) diminuait l'inflammation  systémique  et  la  surface  des  plaques  d’athérome  dans  l’aorte.  De  plus,  ce  traitement  favorisait la stabilité de la plaque, car il augmentait le nombre de CML différenciées dans la  capsule fibreuse de la plaque et diminuait l'expression des marqueurs typiques des cellules  inflammatoires. Ces résultats indiquent que la S100A4 extracellulaire et la progression de la  plaque athérosclérotique ont un lien de cause à effet, ce qui fait de la S100A4 extracellulaire  une cible thérapeutique potentielle pour la stabilisation et/ou la régression de la plaque. 

(12)

Dans le Chapitre IV, je discute les résultats de ma thèse et présente les perspectives  futures du projet. Le Chapitre V est dédié aux références et le Chapitre VI comprend deux  autres publications dans lesquelles j'ai partiellement contribué.  

   

(13)

Table of Contents 

List of abbreviations ... 1 

Chapter I:  Introduction ... 4 

1. Atherosclerosis ... 5 

1.1 Cause of cardiovascular disease ... 5 

1.2 Threat in all life stages ... 7 

1.3 Atherosclerosis through history ... 8 

1.4 Pathogenesis ... 10 

1.5 Clinical classification ... 15 

1.6 Experimental models ... 18 

2. SMCs in atherosclerosis ... 20 

2.1 Contractile vs synthetic phenotype of SMCs ... 20 

2.2 Regulation of SMC differentiation levels ... 21 

2.3 Clonality of SMCs ... 23 

2.4 Characterization of SMC synthetic phenotype ... 24 

2.5 S100 proteins ... 27 

2.6 S100A4‐ a marker of synthetic SMCs ... 29 

2.7 Role of SMCs in atherosclerosis inflammation ... 31 

Chapter II: Aims of the thesis ... 36 

1. Human study ... 37 

2. Mechanisms involved in S100A4‐induced SMC phenotypic transition ... 37 

3. Role of S100A4 in atherosclerosis in mouse model ... 38 

Chapter III:  Results ... 39 

1. Sudden coronary death in the young: Evidence of contractile phenotype of smooth muscle cells  in the culprit atherosclerotic plaque ... 40 

2. Neutralization of S100A4 induces stabilization of atherosclerotic plaques: role of smooth muscle  cells ... 52 

Chapter IV: Discussion ... 111 

1. Human study ... 113 

2. S100A4 and PDGF‐BB: duo leading to high pro‐inflammatory profile of SMCs ... 114 

3. Therapeutic achievements in the field. ... 116 

4. S100A4, a new anti‐inflammatory therapeutic candidate. ... 118 

5. General remarks ... 120 

Chapter V: References ... 122 

Chapter VI: Appendix ... 132 

(14)

List of abbreviations 

‐SMA, ‐smooth muscle actin 

ABCA1, ATP‐binding cassette transporter  ApoE, Apolipoprotein E 

CCL1, Chemokine C‐C motif ligand 1  CCR2, C‐C chemokine receptor type 2   CD, cluster of differentiation   

CRP, C‐reactive protein   CVD, cardiovascular disease 

DAMP, damage‐associated molecular pattern  dS100A4, dimeric S100A4 

EC, endothelial cell  ECM, extracellular matrix 

EGFR, epidermal growth factor receptor  Egr‐1, Early growth response protein 1 

ELK‐1, transcription activator ETS Like‐1 protein  E‐SMC, epithelioid smooth muscle cell 

GM‐CSF, granulocyte‐macrophage colony stimulating factor  hCad, heavy caldesmon  

HCD, high cholesterol diet   HDL, high density lipoprotein   IFN‐γ, interferon‐gamma   IL, interleukin  

KLF4, Kruppel‐like factor 4   LDL, low density lipoproteins  

(15)

MAPK, mitogen‐activated protein kinase   MCP‐1, monocyte chemotactic protein‐1  miRNA, microRNA  

MMP, matrix‐metalloproteinase  MSCs, mesenchymal stem cells   MYOCD, myocardin  

NF‐κB, nuclear factor‐κB   NO, nitric oxide 

oS100A4, oligomeric S100A4  oxLDL, oxidized LDL 

PAMP, pathogen associated molecular pattern  PCSK9, proprotein convertase subtilisin/kexin   PDGF‐BB, platelet derived growth factor‐BB  PLA, proximity ligation assay 

PRR, pattern recognition receptor 

RAGE, receptor for advanced glycation end products  ROS, reactive oxygen species  

R‐SMC, rhomboid‐shaped smooth muscle cell  SAA, serum amyloid A 

Sca1, stem cells antigen‐1   SCD, sudden cardiac death  

SM22α, Smooth Muscle Protein 22‐Alpha  SMC, smooth muscle cell 

SMMHCs, smooth muscle myosin heavy chains  Sp1, specificity protein 1  

SRF, serum‐response factor 

(16)

S‐SMC, spindle‐shaped smooth muscle cell  TAGLN1, transgelin  

TET2, ten‐eleven translocation‐2   TLR, toll‐like receptor  

TNF‐α, tumor necrosis factor alpha  VCAM‐1, vascular cell adhesion protein   VLDL, very low‐density lipoproteins   YFP, yellow fluorescent protein  

   

(17)

Chapter I:  Introduction 

 

 

(18)

1. Atherosclerosis 

1.1 Cause of cardiovascular disease  

The last epidemiological studies performed by the European Society of Cardiology committee  (2017) shows that cardiovascular disease (CVD) remains the first cause of death in developed  countries with 3.9 million deaths in Europe (accounting for 45% of all deaths in Europe), out  of which 1.8 million persist in countries of European Union (accounting for 37% of all deaths  in  European  Union)  (1).  CVD  comprises  a  plethora  of  diseases:  coronary  heart  disease  including  myocardial  infarction  (commonly  called  heart  attack)  and  angina  pectoris  (chest  pain  as  a  consequence  of  coronary  heart  disease),  heart  failure,  cerebrovascular  disease  (including  stroke),  abdominal  aortic  aneurysm,  peripheral  arterial  disease,  rheumatic  and  congenital heart diseases and venous thromboembolism (2). Interestingly, statistics for the  latest available year in Europe demonstrated the presence of sex/gender differences in CVD  caused mortality: 49% of all deaths in woman and 40% in men are caused by CVD (1) .  Risk  factors for CVD are well described and they include the modifiable (i.e.  smoking, obesity, high  blood pressure, diabetes, diet rich in fat and lack of exercise) and non‐modifiable ones (i.e.  

genetics, family history, hemodynamic factors, male gender and age). Even though much has  been improved in the last 20 years, in terms of prevention (medicines reducing the cholesterol  levels,  hypertension  and  anti‐diabetic  treatments)  and  clinical  interventions  (e.g. 

implantation  of  stent,  tube‐shaped  device  usually  implanted  in  coronary  arteries  to  open  narrowed vessel and allow blood supply to the heart), as well as smoking decline and nutrition  improvement, CVD still remains main global health problem. Nevertheless, the mortality rate  after myocardial infarction in the last decades has dramatically dropped (3). 

(19)

Atherosclerosis is the underlying leading cause of CVD, such as heart attack, strokes  and  peripheral  artery  disease.  The  pathology  of  atherosclerosis  is  characterized  by  the  narrowing  and  occlusion  of  the  arterial  lumen,  caused  by  the  accumulation  and  dynamic  interplay of many cell types and a plethora of factors in the subendothelial layer of the vessel.   

The healthy artery wall consists of 3 concentric layers: intima, media and adventitia  (Figure 1). Intima, the innermost layer, is composed of a monolayer of endothelial cells (ECs),  which are in contact with blood, and subendothelial layer (also called basal lamina) consisting  mostly of connective tissue. In contrast to animal, human subendothelial space contains a few  resident smooth muscle cells (SMCs). ECs provide an anti‐thrombogenic surface (e.g heparin  sulfates  present  on  the  surface  of  ECs  that  serve  as  cofactor  for  antithrombin  activation  inhibiting several factors in the coagulation process) and mediate vascular tone. The intima is  separated from the media by the internal elastic membrane. The media consists entirely of  SMCs  embedded  in  extracellular  matrix  (ECM),  containing  mostly  elastin  and  collagen.  In  elastic arteries such as the aorta, the media contains SMCs and many elastic fibers that allow  the elastic recoil necessary to distribute blood through the peripheral vascular system, while  in  muscular  arteries  such  as  carotid  and  coronary  arteries,  SMCs  are  responsible  for  the  vasoconstriction and vasodilatation. The media is separated from the outermost layer of the  vessel, the adventitia, by the external elastic membrane. The adventitia mostly consists of  fibroblasts surrounded by proteoglycans and collagen and contains vasa vasorum (nutrition  vessels)  and  nerves.  It  is  an  additional  support  to  the  vessel,  helps  in  setting  the  vessel  in  surrounding tissue and protects the vessel from overexpansion (4, 5). 

(20)

   Figure 1.  Cross section representation of normal human artery (5). 

1.2 Threat in all life stages 

Most  of  the  atherosclerosis‐induced  CVD  victims  are  of  an  old  age  and  it  is  well  accepted that atherosclerosis generally develops and progresses over decades. Nevertheless,  numerous studies have demonstrated that atherosclerosis, mostly induced by standard risk  factors (6), also develops in young and results in fatal CVD outcomes.    

Autopsies of US army victims died in Korean (1950‐1953) and Vietnam (1954‐1975)  wars demonstrated a high prevalence of coronary atherosclerosis (77% Korean (7) and 45% 

in  the  Vietnam  War  (8))  in  second  and  third  decades  of  life.  No  clinical  appearance  for  ischemic heart disease was present in victims. The follow‐up study, based on autopsies of US  army  victims  died  in  Operations  Enduring  Freedom  or  Iraqi  Freedom/New  Dawn  between  2001  and  2011  demonstrated  a  dramatic  drop  in  prevalence  of  coronary  atherosclerosis 

(21)

should be taken with high caution as this drop could also be a consequence of methodology  discrepancies, analysis and selection biases (9). In a study performed in 1990 in Italy, through  the characterization of the coronary arterial trees of 100 young people (1‐20 years old), in  which CVD was not a cause of death, authors observed the presence of diverse degrees of  intimal thickening in 95.3% of samples that correlated with a high degree of sudden cardiac  death  (SCD)  cases  in  youth  from  the  same  geographic  origin  (10).  Recently,  in  a  study  performed  by  our  group,  in  collaboration  with  clinical  pathologists  (group  of  Prof.  Basso,  Department of Cardiac, Thoracic and Vascular Sciences, University of Padua, Padua, Italy)we  have characterized atherosclerotic coronary artery specimens of young SCD victims, of which  the youngest was 17 years old (11), again demonstrating the presence of atherosclerosis with  fatal outcomes in youth. Furthermore, juvenile idiopathic arthritis, an inflammatory disease  affecting  the  population  of  infants  to  teenagers, has  direct  correlation  with  subclinical  atherosclerosis in the studied group (12‐14). Besides the inflammatory nature of this disease,  authors  have  proposed  that  lower  physical  activity  could  be  an  additional  trigger  for  atherosclerosis development in patients with juvenile idiopathic arthritis. Studies focused on  fetal and infant atherosclerotic lesions have suggested an association of maternal smoking  and  early  intimal  alterations  in  the  prenatal  and  infancy  period  as  well  as  association  of  maternal cholesterol level during pregnancy and epigenetic signature in offspring (15, 16).  

1.3 Atherosclerosis through history 

The first clue of atherosclerosis, being a cause of heart attack, was found on "Sudden  Death"  tomb  relief,  in  which  the  sudden  death  of  the  noble  Egyptian  is  depicted  (17). 

Furthermore,  a  study  conducted  on  137  mummies,  up  to  4000  old,  from  different  origins  (ancient  Egypt,  ancient  Peru,  the  Ancestral  Puebloans  of  southwest  America,  and  the 

(22)

Unangan  of  the  Aleutian  Islands),  showed  that  atherosclerosis  of  similar  features  found  nowadays, was present in all of the studied populations. This suggests that atherosclerosis is  not  exclusively  a  disease  of  the  modern  human,  dependent  on  certain  geographic  origin,  feeding habits or lifestyle  (18).  In  1799, during an autopsy, a British physician Caleb Hillier  Parry,  found  a  hard  gritty  matter  in  coronary  arteries.  Taking  this  notion  in  consideration  when examining his patients, he correctly suggested the correlation between vessel blockage,  angina  pectoris  and  coronary  heart  disease  (19,  20).  Although  today  we  know  that  this  correlation was  correct,  his statement  was  underestimated  for  a  century.  Almost  50  years  after Parry`s observation, in 1844, autopsy after a sudden heart attack of the famous artist  Bertel Thorvaldsen in the Royal Theatre in Copenhagen, showed that the plaque rupture in  the left coronary artery led to his death. This was the first report about plaque rupture (21).  

Further on, two main branches of understanding atherosclerosis have been postulated: the  first one was based on “humoral” theory of Carl von Rokitansky, who has seen the process of  inflammation  as  a  consequence  of  blood  components  and  fibrin  modifications,  leading  to  accumulation of cholesterol and fat globules in the inner layer  of the vessel wall. In sharp  contrast,  Rudolf  Virchow  has  seen  atherosclerosis  as  a  “cellular  disease”,  in  which,  as  a  response to local vessel wall injury, inflammatory cells play a pivotal role in pathogenesis of  the disease (21, 22). These findings gave inspiration for the work of Alexander I. Ignatowski,  followed by the work of Anitschkow and Chalatov in early 1900s when they introduced the 

“lipid model of atherosclerosis”. They have shown in different animal models that the feeding  with cholesterol‐rich diets results in the development of atherosclerosis (23). Furthermore,  Anitschow has demonstrated the existence of cholesterol loaded cells within the lesions, and  correctly suggested the influence of hemodynamics on the particular localization of lesions  within vessels (lesions are preferentially occurring at arterial branch points where the shear 

(23)

stress is low, turbulente and/or oscillatory) (24). Lipid driven atherosclerosis continued to be  the principal dogma of atherosclerosis for future decades. Noteworthy, in 1973, Russell Ross  and  John  Glomset  stated  that  the  proliferation  of  SMCs  is  a  key  player  in  atherosclerosis  development, raising the importance of this cell type in the pathogenesis of a disease (25). 

This extensive work led to the well‐known “response‐to‐injury” theory, postulated by Russel  Ross, in which he stated that atherosclerosis is initiated when endothelium gets dysfunctional  due to different stimuli known as cardiovascular risk factors. Endothelial dysfunction results  in the infiltration of inflammatory cells in the subendothelial layer and upon uptake of lipids  these cells differentiated towards the foam cells. Additionally, this accumulation provokes the  insult of SMCs located in arterial wall. The interplay between these cells in a highly dynamic  manner, results in the formation of atherosclerotic lesion (26).  Current global perception of  atherosclerosis  is  based  on  the  definition  given  by  Ross  in  1999,  when  he  described  atherosclerosis as an inflammatory disease, which comprises different cell types, each having  its particular role in the pathogenesis of the disease (27).   

1.4 Pathogenesis  

Atherosclerosis is a disease that develops over decades and its evolution is characterized by  different steps and cellular processes (Figure 2). Atherosclerotic lesions appear in areas where  ECs are intact, thus showing that dysfunctional and not mechanically injured endothelium is  the onset of most atherosclerosis (28). Under physiological laminar shear stress, nitric oxide  (NO)  is  produced  by  ECs,  maintaining  the  atheroprotective  (anti‐inflammatory,  anti‐

thrombotic  and  anti‐proliferative)  environment  within  the  vascular  space  (29,  30).  When  laminar  shear  stress  is  changed  due  to  anatomical  (bifurcations  and  curvatures),  lesion/intervention  related  (changed  vessel  geometry  due  to  presence  of  atherosclerotic 

(24)

plaque  or  stent  implantation),  or  blood  viscosity  related  cues  (diabetic  and  hypercholesterolemic  patients)  (31,  32),  ECs  increase  NO  production,  which  induces  vasodilation  of  the  vessel,  probably  as  a  counter  mechanism  for  maintaining  the  constant  shear stress in the vessel (29, 33).  However, the hemodynamic perturbations (e.g on arterial  bifurcations)  or  hyperlipidemia  can  also  disturb  NO  signaling  and  increase reactive  oxygen  species (ROS) production, leading to activation/dysfunction of ECs  (30, 34, 35).  

  Figure 2. Pathogenesis of atherosclerosis (28).  

Such dysfunctional endothelium becomes conductive for lipid, monocyte and T‐cell  adherence.  The  most  pro‐atherogenic  lipids  are  low  density  lipoproteins  (LDL;  essential  transporter  of  lipids  in  human  body),  and  small  very  low‐density  lipoproteins  (VLDL)  (36). 

Once  accumulated  to  subendothelial  space,  lipids  become  modified  (mostly  oxidized)  and  monocytes differentiate towards macrophages. The latter and T cells are the most abundant  inflammatory cells within the atherosclerotic lesions (37, 38). Different chemoattractans and 

(25)

cytokines released by activated endothelium are needed for the migration of cells towards  subendothelial  compartment.  Vascular  cell  adhesion  protein  (VCAM)‐1  and  intercellular  adhesion  molecule  (ICAM)‐1  are  upregulated  by  oxidized  LDL  (oxLDL).  These  adhesion  molecules allow lipid, monocyte and T cell adherence to the ECs and consequently migration  in the subendothelial compartment (39, 40). Furthermore, disturbed laminar flow induces the  upregulation  of  monocyte  chemotactic  protein‐1  (MCP‐1),  which  facilitates  adhesion  and  migration  of  monocytes  in  the  subendothelial  space  (41).  Finally,  various  interleukins  (IL)  affect the endothelial permeability by different mechanisms (e.g IL‐8 modifies the expression  of tight junctions), thus allowing cell migration (42, 43).   

Once in the subendothelial compartment, macrophages can uptake oxLDL through its  scavenger  receptors.  This  uptake  leads  to  the  formation  of  foam  cells.  Loosely  regulated  uptake  of  oxLDL  eventually  leads  to  apoptosis/necrosis  of  macrophages  (44).  The  other  destiny of this cell is a “reverse cholesterol transport” where macrophages/foam cells may  efflux  cellular  cholesterol  to  extracellular  high  density  lipoprotein  (HDL)  (45).  As  oxLDL  is  recognized  as  damage‐associated  molecular  pattern  (DAMP)  molecule,  its  binding  to  macrophage scavenger receptors (e.g.  scavenger receptors, receptor for oxidized low‐density  lipoprotein  [LOX‐1],  cluster  of  differentiation 36  [CD36],  and    toll‐like  receptor  [TLR]‐4),  triggers the pro‐inflammatory response characterized by production of cytokines (e.g. IL‐1, IL‐

6, IL‐8, granulocyte‐macrophage colony stimulating factor [GM‐CSF], MCP‐1 and others) (28,  37,  46),  and  foam  cell  formation  (47).  Moreover,  macrophages  produce  matrix‐

metalloproteinases (MMPs) and growth factors (e.g. platelet derived growth factor [PDGF‐

BB]). Additionally, accumulated T cells release high levels of interferon‐gamma (IFN‐γ) and  tumor necrosis factor alpha (TNF‐α) (48, 49).  Endothelium dysfunction also triggers platelet 

(26)

activation and adherence to endothelial surface, resulting in platelet releasing inflammatory  mediators and growth factors which will further activate ECs and attract monocytes (50, 51). 

The  interplay  of  these  cells  definitely  and  irreversibly  promote  pro‐inflammatory  environment and define atherosclerosis as a chronic inflammatory disease. 

OxLDL  and  growth  factors  released  by  inflammatory  cells  attract  and  stimulate  the  proliferation  of  SMCs,  originally  located  in  the  media,  towards  the  intima.  SMCs  are  not  terminally differentiated and therefore possess high degree of plasticity. During the migration  towards the intima, SMCs change their phenotype from a differentiated/contractile towards  a dedifferentiated/synthetic phenotype. The contractile phenotype is typical of SMCs in the  media  of  healthy  vessel.  These  SMCs  contain  many  microfilament  bundles.  The  synthetic  phenotype  is  typical  of  pathological  vessels  and  is  characterized  by  cytoplasm  with  a  predominance of rough endoplasmic reticulum and a well‐developed Golgi apparatus. The  SMC  phenotypic  transition  is  characterized  by  altered  expression  of  contractile  proteins,  increased  proliferative  and  migratory  activities  and  ability  of  SMCs  to  synthetize  ECM  components  and  different  proteases  (52).  Contribution  of  SMCs  to  pathogenesis  of  atherosclerosis was previously seen as beneficial, as SMCs form the fibrous cap where they  produce  collagen  and  proteoglycans  in  the  fibrous  matrix,  which  protects  plaque  from  rupture. Plaques containing thick fibrous cap, rich in SMCs and with low content of leukocytes  and lipids are considered as stable plaques. In contrast, higher content of leukocytes and lipids  and thinner fibrous cap are attributed to unstable/vulnerable plaque that has higher risk to  rupture and trigger the fatal outcomes (48) (Figure 3). Nowadays the increasing number of  studies are continuously demonstrating that SMCs can acquire characteristics conventionally  attributed  to  macrophages  such  as  expression  of  inflammatory  markers  and  formation  of 

(27)

foam cells, revealing the potential role of SMCs not only related to plaque stability, but also  to  plaque  vulnerability/rupture  (53‐55).  SMCs  and  their  role  in  atherosclerosis  is  the  main  interest in this thesis and will be elaborated extensively in Chapter 2. 

 

Figure 3.  Stable vs unstable atherosclerotic plaques. Adapted from (48) 

Numerous  studies  have  demonstrated  an  important  role  of  TLR  receptors  in  the  development of atherosclerosis. TLRs and especially TLR4 are the best characterized pattern  recognition receptors (PRRs) and thus, play a major role in innate immune system. PRRs are  recognizing  pathogen  associated  molecular  patterns  (PAMPs)  as  well  DAMPs,  and  are  expressed by most immune cells (e.g macrophages, dendritic cells) (56) as well as by ECs (57,  58), and SMCs (59). In the context of atherosclerosis, it has been demonstrated that the lack  of  Myd88  (adaptor  protein  necessary  for TLR  signalling), TLR4  or  TLR2 results  in  beneficial  effects in atherosclerosis progression (e.g decrease in lesion size and macrophage content)  (60).  

TLR4  is  expressed  in  human  coronary  atherosclerotic  plaques  (61),  involved  in  coronary  artery  disease  development  (62),  and  associated  with  heart  failure  after  acute  myocardial  infarction  (63).  In  TLR4  dependent  manner,  oxLDL  induces  differentiation  of 

Unstable Plaques in Atherosclerosis  Stable Plaques in Atherosclerosis

(28)

Additionally, TLR4 may be implicated in macrophage apoptosis, thus favouring the formation  of  the  necrotic  core  and  processes  of  plaque  vulnerability  (66).  In  initial  steps  of  atherosclerosis development, TLR4 is a regulator of the foam cell formation (67), while in the  advanced lesions it mediates mostly oxLDL‐induced release of proinflammatory cytokines and  MMP‐9  production  (47).  Cellular  fibronectin  containing  extra  domain  A  is  abundant  in  the  arteries  of  patients  with  atherosclerosis.  It  is  produced  after  tissue  injury  and  its  prothrombotic activity is promoted by interaction with TLR4 expressed on platelets, leading  to  accelerated  arterial  thrombosis  (68).  In  Apolipoprotein  E  knockout  (ApoE‐/‐)  mice,  fibronectin  containing  extra  domain  A,  exacerbates  atherosclerosis  in  TLR4‐dependent  manner and induces MMP‐9 expression by macrophages, thus promoting plaque instability  (69). 

1.5 Clinical classification  

Extensive  work  has  been  done  in  order  to  define  a  correlation  between  clinical  presence and histological analysis of lesions. A major contribution to the classification was  given by Stary et al. in a series of reports, where authors gave definitions and descriptions of  different  phenotypes  and  biological  composition  of  different  atherosclerotic  plaque  development stages (70, 71). Later, Virmani et al. have modified this classification by adding  additional categories (72). All stages with corresponding description are presented in Table  1.  

The initial, first type of atherosclerosis (xanthoma or fatty streak) is characterized by  luminal  accumulation  of  foam  cells  and  these  lesions  do  not  require  clinical  or  pharmacological  intervention  as  they  are  usually  regressive.  The  second  type  of  lesion  is  intimal thickening in which SMCs themselves form a mass, but without a presence of foam 

(29)

cells. Both types are non‐atherosclerotic intimal lesions. Furthermore, there are several types  of lesions within the category of progressive atherosclerotic lesions.  Presence of SMCs and  lipids, but absence of necrosis in the intima characterizes the least advanced lesion. The lesion  progresses as necrotic core and fibrous cap develop. In this stage, plaque erosion (thrombus  is formed over a plaque without endothelium but not ruptured) might take place eliciting 20‐

40%  of  sudden  coronary  artery  death.  Furthermore,  infiltration  of  macrophages  into  the  fibrous cap, growing necrotic core, processes of inflammation, calcification, cell death and  proteolysis  lead  to  vulnerable  phenotype  of  the  plaque  and  eventually  to  plaque  rupture  responsible for 70‐ 80% of sudden coronary artery deaths.  

   

(30)

 

  Description  Thrombosis 

Non‐atherosclerotic intimal lesions 

Intimal xanthoma or "fatty streak"  Luminal accumulation of foam cells  without a necrotic core or fibrous cap. 

Based on animal and human data,  such lesions usually regress 

Thrombus absent 

Intimal thickening  The normal accumulation of SMCs in  the intima in the absence of lipid or  macrophage foam cells 

Thrombus absent 

Progressive atherosclerotic lesions

Pathological intimal thickening   SMCs in a proteoglycan‐rich matrix  with areas of extracellular lipid  accumulation without necrosis   

Thrombus absent 

Fibrous cap atheroma   Well‐formed necrotic core with an  overlying fibrous cap 

 

Thrombus absent 

Erosion    

Luminal thrombosis; plaque same as  above; no communication of  thrombus with necrotic core   

Thrombus  Infrequently  occlusive 

Thin fibrous cap atheroma    

A thin fibrous cap infiltrated by  macrophages and lymphocytes with  rare SMCs and an underlying necrotic  core 

 

Absent; may  contain intraplaque hemorrhage/fibrin 

Plaque rupture   Fibroatheroma with cap disruption; 

luminal thrombus communicates with  the underlying necrotic core 

 

Thrombus usually  occlusive 

Calcified nodule   Eruptive nodular calcification with  underlying fibrocalcific plaque   

Thrombus  usually  nonocclusive 

Fibrocalcific plaque   Collagen‐rich plaque with significant  stenosis usually contains large areas  of calcification with few inflammatory  cells; a necrotic core may be present. 

 

Thrombus absent 

Table 1. Classification of atherosclerosis. Adapted from (70‐72). 

   

(31)

1.6 Experimental models  

Although  there  are  many  difficulties  to  resemble  human  vascular  anatomy  and  pathophysiology, several animal models are used to study atherosclerosis such as mouse and  rabbit and less commonly, pigs and non‐human primates (73). Of those, the foremost model  used  is  the  mouse  model  because  of  the  ease  of  genetic  modification,  handling  and  reproduction, and well established ethical concerns. Among all mouse strains, C57Bl/6 strain  is the most appropriate to study atherosclerosis because of the low HDL levels and presence  of T cells that are of the pro‐atherogenic profile (e.g producing IFN‐γ). Capability of this strain  to develop atherosclerosis relatively fast increases once the mice are fed with the high fat  diet (74). 

   Apolipoprotein E is a transporter of lipids, fat‐soluble vitamins, and cholesterol to the  lymph  system and  then  to  the  blood  which  interacts  with  LDL  receptor. ApoE‐/‐  and  LDL  receptor knockout mice are the most widely used mouse models for studying the initiation  and progression of atherosclerosis as well as the underlying mechanisms. Both strains exhibit  higher  plasma  cholesterol  levels  and  finally,  atherosclerosis.  The  development  of  atherosclerosis is accelerated when mice are fed with the high cholesterol diet (HCD) for ≥6  weeks. An ApoE/LDL receptor double‐knockout mouse develops more severe hyperlipidemia  and  atherosclerosis,  and  does  not require  a  high  fat  diet  for  reaching this  phenotype.  The  ApoE3‐Leiden  (variant  of  apolipoprotein  E that is  defective  in  binding  to  the  LDL  receptor)  transgenic mouse model is similar to ApoE‐/‐ and LDL receptor knockout mice, except that the  basal lipid levels are lower. Nevertheless, these mice are highly responsive to food rich in fat,  sugar and cholesterol and can reach high lipid profiles. Proprotein convertase subtilisin/kexin  (PCSK) 9 is involved in degradation of LDL receptors. A model based on recombinant adeno‐

associated  virus  vector  induced  PCSK9  gain‐of  function  has  been  developed.  High 

(32)

hyperlipidemia  and  advanced  stage  of  atherosclerosis  in  this  model  are  amplified  once  crossed with ApoE‐/‐ mice. A disadvantage of all described experimental models is the absence  of plaque rupture, thrombus formation, and/or haemorrhage, events frequently observed in  human situations. With the aim of mimicking spontaneous plaque  rupture event, different  surgical intervention techniques have been developed (e.g ligation of the arteries) but none  of them fully  resembled human situations: spontaneous rupture was very rarely achieved. 

Moreover,  common  clinical  outcomes  of  plaque  rupture  in  human  such  as  heart  attack  or  stroke  are  nearly  never  seen  in  these  models.    ApoE‐deficient  Fibrillin‐1  mutant  (ApoE‐/‐

Fbn1C1039G+/‐) model is the only mouse model that, under the high fat diet, reaches the stage  of  plaque  rupture.    Fibrilin‐1,  as  a  major  component  of  microfibrils,  provides  structural  support to elastin core. Heterozygous mutation of fibrilin‐1 gene leads to disruption of elastic  fibers  (Marfan  syndrome),  and  when  combined  with ApoE‐/‐  background  and  high  fat  diet,  results  in  advanced  unstable  plaques  with  large  necrotic  cores  and  thin  fibrous  cap.  This  model resembles well the late‐stage of human atherosclerosis (vulnerable plaque leading to  rupture) and these mice develop heart attack or die of a sudden death, thus being a good  model  to  study  mechanisms  of  plaque  rupture  and  potential  therapeutic  targets  for  its  prevention. 

Despite  certain  limitations,  mouse  models  are  valuable  for  deciphering  the  mechanisms and developing new tools to influence the evolution of atherosclerotic lesions  with the final goal of reducing adverse outcome of atherosclerosis in clinical events. In line  with that, Baylis et al. (75) pointed out the importance of intervention studies (applying of  potential therapies once atherosclerotic plaques in mice are established) over the prevention  ones as there is a high need for therapies that could resolve critical factors inducing plaque  vulnerability/rupture. 

(33)

2. SMCs in atherosclerosis 

Classically,  SMCs  are  considered  as  beneficial  players  in  atherosclerotic  plaque  development by essentially contributing to fibrous cap formation that protects plaque from  rupture. However, our understanding of the role of SMCs in atherosclerosis has considerably  changed. Plasticity is the feature that makes SMCs unique and distinct from other muscle cells  that  are  terminally  differentiated.  The  ability  of  SMCs  to  become  dedifferentiated,  during  their transition from contractile towards a synthetic phenotype, is one of the hallmarks of  atherosclerosis. 

2.1 Contractile vs synthetic phenotype of SMCs 

  The  contractile  phenotype  is  typical  of  medial  SMCs  in  healthy  vessel  and  is  characterized  by  a  high  degree  of  differentiation.  In  contrast,  dedifferentiated  synthetic  phenotype is typical of intimal SMCs. Contractile SMCs contain many microfilament bundles,  while  the  synthetic  SMCs  contain  cytoplasm  with  a  predominance  of  rough  endoplasmic  reticulum and a well‐developed Golgi apparatus (52, 76). Synthetic phenotype is defined by a  decrease or loss of SMC‐specific cytoskeletal proteins such as ‐smooth muscle actin (‐SMA,  ACTA‐2 gene), smooth muscle myosin heavy chains (SMMHCs, MYH11 gene), transgelin (or  SM22α, TAGLN gene), calponin (CNN1 gene), heavy caldesmon (hCad), smoothelin (55, 76) or  leiomodin‐1  (77,  78).  To  characterize  differences  between  contractile  and  synthetic  phenotypes, several in vitro models were established. In 1986, Walker et al. (79) for the first  time isolated two different phenotypes of SMCs from rat carotid arteries. From media of the  vessel,  they  digested  spindle‐shaped  (S‐)  SMCs  that  grew  in  hill  and  valley  pattern  and  represented  the  contractile  phenotype,  while  the  epithelioid  (E‐)  SMCs  digested  from  mechanical‐injury‐induced  intimal  thickening  grew  in  a  monolayer  and  exhibited  a 

(34)

cobblestone morphology. Later, E‐SMC clones were obtained from normal media and intimal  thickening (80), thus implicating that this particular population of E‐ SMCs originally located  in  the  media  is  prone  to  accumulate  into  the  intimal  thickening.  Many  other  studies  have  confirmed the heterogeneity of SMCs in different models (81‐83), and in humans (84). Based  on in vivo observation that in mature bovine pulmonary arteries 4 different SMC phenotypes  could be found, Frid et al. (85) isolated 4 different subtypes of SMCs from the inner, middle,  and  outer  compartments  of  the  pulmonary  artery  and  aortic  arch  arterial  media.  Among  them,  two  types  represented  typical  S‐SMCs  phenotype,  while  the  other  two  displayed  characteristics of E‐SMC, or were of a cobblestone morphology,  but elongated, thus  being  named rhomboid (R‐) SMCs. In our laboratory, two distinct populations of SMCs (S‐ and R‐

SMCs)  were  isolated  from  porcine  coronary  artery  (86)  as  well  as  two  morphologically  different  SMC  populations,  large  (exhibiting  the  features  of  S‐SMCs)  and  small  SMCs  (exhibiting the features of E‐ or R‐SMCs) from the media of human carotid artery collected  with  endarectomy.  Small  SMCs  were  recovered  only  after  a  coculture  with  CD68‐positive  macrophage  foam  cells  isolated  from  the  plaque,  suggesting  that  foam  cells  promote  the  dedifferentiation and recruitment of a particular medial SMC population (87). 

2.2 Regulation of SMC differentiation levels 

  There are two regulation pathways of SMC differentiation levels. The first one is based  on transcriptional and the second one on the epigenetic regulation of cytoskeletal proteins  expressed by SMCs (Figure 4). The mechanism of transcriptional regulation is controlled by  myocardin  (MYOCD)/  serum‐response  factor  (SRF)  complex  that  binds  to  CArG  box  and  stimulates  the  expression  of  SMC  differentiation  markers.  Binding  of  Kruppel‐like  factor  4  (KLF4; transcription factor expressed in synthetic SMCs) and transcription activator ETS Like‐

(35)

1 protein (ELK‐1) to G/C repressor element results in inhibition of MYOCD/SRF complex, thus  decreased  expression  of  SMC  differentiation  markers.  Moreover,  in  contractile  phenotype  DNA is acetylated and allows binding of SRF to CArG box, thereby inducing SMC differentiation  marker  expression.  Histone  deacetylase  2  (recruited  to  CArG  box  by  e.g  oxLDL  and  KLF‐4)  induces  DNA  metylation  and  closing  of  chromatin,  thereby  repressing  SMC  differentiation  marker expression. DNA demethylation by ten‐eleven translocation‐2 (TET2; downregulated  in synthetic phenotype) DNA demethylase increases DNA accessibility to transcription factors  resulting  in  increased  expression  of  SMC  differentiation  markers.  Additionally,  microRNA  (miR) and long non‐coding RNA (88), play important roles in SMC phenotypic transition. 

  Figure  4.  Regulation  of  SMC  differentiation  levels.  (SRF,  serum‐response  factor;  MYOCD,  Myocardin; KLF 4, Krüppel‐like factor 4; ELK1, ETS domain‐containing protein‐1; CArG, CArG 

(36)

box;  G/C  rep,  G/C  repressor  elements;  HDAC2,  histone  deacetylase  2;  TET2,  ten‐eleven  translocation‐2; H, histones; Ac, acetyl group; Me, methyl group) (89). 

2.3 Clonality of SMCs 

In contrast to the “response‐to‐injury” theory postulated by Russel Ross, implying that  any cell from the media could accumulate in the intima, the possibility that a pre‐existing SMC  subpopulation  in  the  media  is  prone  to  accumulate  in  the  intima  has  recently  gained  a  renewed  interest.  Besides  isolation  of  different  SMC  phenotypes  from  media  and  intimal  thickening,  described  by  many  groups  (Chapter  2.1),  other  studies  demonstrated  the  existence of monoclonality/oligoclonality of SMCs.  In 1970s, it has been demonstrated that  SMCs of human atheromatous plaque, in particular SMCs of the fibrous cap, exhibit features  of monoclonal or oligoclonal lesions (90). Later, Murry al. (91) have shown that SMCs of the  fibrous  cap  are  monoclonal.  Their  observation  was  based  on  microdissection  of  different  portions of human plaques followed by polymerase chain reaction amplification of the DNA  of an X‐inactivated gene. Chappell and co‐workers (92) have generated ApoE‐/‐ mice, in which  multicolor  SMCs  could  be  lineage‐traced  (mice  expressed  tamoxifen‐inducible  Cre  recombinase under the SMC specific MYH11 (SMMHC) promoter), and demonstrated that the  media exhibits multicolored SMCs with a stochastic distribution whereas SMCs in the intima  were distributed in large monochromatic areas.  Combination of this lineage  tracing  model  and  single‐cell  transcriptomics  pointed  out  the  importance  of  stem  cells  antigen‐1  (Sca1)  found  in  small  SMC  population  within  normal  media.  Authors  have  shown  that  Sca1  upregulation  is  a  marker  of  SMCs  undergoing  a  phenotypic  transition  and  that  equivalent  population of Sca1 positive SMCs were found in atherosclerotic plaques (93). Moreover, SMCs  in the fibrous cap and macrophage‐like SMCs in the necrotic core derive from clonal SMCs, a 

(37)

notion supported by other studies (94, 95). Recently, it has been demonstrated that the clonal  SMCs  in  the  fibrous  cap  subsequently  undergo  a  transition  toward  an  inflammatory  phenotype through integrin β3‐mediated pathway, characterized by increased expression of  TLR4, the scavenger receptor CD36 and ox‐LDL uptake (96). These findings, together with a  notion that E‐ or R‐ SMCs isolated in small proportion from media share the characteristics  with  SMCs  isolated  from  intimal  thickening,  are  important  to  design  strategies  aimed  at  promoting the expansion of SMC that populate the fibrous cap and stabilize the plaque.  

2.4 Characterization of SMC synthetic phenotype 

Characterization  of  SMCs  is  based  on  reduced  expression,  or  the  absence,  of  cytoskeletal markers of mature or differentiated phenotype (Table 2). It is hence of a great  importance to find additional markers specific for the synthetic phenotype and several genes  and/or  proteins  typical  of  the  synthetic  phenotype  were  reported  (e.g  osteopontin,  cytokeratin  8  and  18,  zonula  occludens‐2‐protein,  cingulin,  connexion  43,  calmodulin  and  others, Table 2). By using the proteomic approach, our laboratory has identified S100A4 being  a marker of R‐SMCs in vitro and of intimal SMCs, in both pig and man (87, 97) as well as of  dedifferentiated  SMCs  in  human  saccular  intracranial  aneurysms  (98).  Moreover,  we  have  demonstrated that the extracellular form of S100A4 is essential for the establishment of the  R‐ phenotype. Blockade of extracellular S100A4 in R‐SMCs with S100A4 neutralizing antibody  induced a transition from R‐ to S‐phenotype, decreased proliferative activity and upregulation  of SMC differentiation markers.  Conversely, extracellular S100A4‐rich conditioned medium  collected from S100A4‐transfected S‐SMCs induced nuclear factor‐κB (NF‐κB) activation, S‐ to  R‐phenotypic transition and changes in proteolytic enzymes and inhibitors expression (99). 

(38)

Recently,  others  have  used  S100A4  to  characterize  the  phenotype  of  synthetic/dedifferentiated SMCs in various vascular disease and species (100‐104).  

   

(39)

Table 2. Expression of typical proteins found in contractile and synthetic SMCs. Adapted from  (89). 

         

Protein expression 

Contractile  Synthetic 

α‐smooth muscle actin  S100A4

Smooth muscle myosin heavy chains   Cytokeratin 8 and 18 

Transgelin   Zonula occludens‐2 protein 

Desmin  Cingulin 

Metavinculin  Connexin 43 

Calponin   Calmodulin 

Heavy caldesmon   Osteopontin 

Smoothelin   

Leiomodin‐1   

SM α‐tropomyosin 

(40)

2.5 S100 proteins   

The  S100  protein  family  is  expressed  exclusively  in  vertebrates  and  consists  of  24  members, each having conserved EF hand domains for Ca2+ binding and diverse C‐terminal  and hinge regions. Each S100 EF‐hand has a helix loop‐helix motif and binds Ca2+ via main‐

chain  oxygen  atoms  and  carboxylate  side  chains.  S100  proteins  can  form  non‐covalent  oligomers.  Both,  homo‐  and  heterodimers  are  characterized  by  a  stable  four‐helix  domain  with a hydrophobic core, which serves as a functional binding site (105). According to their  function, they are divided in three main groups: S100 proteins with intracellular, extracellular,  or  both  intra‐  and  extracellular  functions  (106‐108).  Intracellular  role  of  S100  proteins  is  mainly  associated  with  the  processes  of  proliferation,  differentiation,  apoptosis,  Ca2+ homeostasis, energy metabolism, inflammation and migration/invasion. Extracellulary,  S100 proteins bind surface receptors, G‐protein‐coupled receptors, scavenger receptors, or  heparan  sulfate  proteoglycans  and  N‐glycans,  thus  playing  a  role  in  regulation  of  cell  proliferation,  differentiation,  survival  and  migration  and  inflammation  and  tissue  repair. 

Some of  S100 proteins are used as disease markers as they are  found in serum and other  fluids of patients with pathological conditions (108). S100 proteins are well studied in fields  of  cancer  and  stress  and  inflammation  induced  responses  and  they  major  roles  in  these  processes are depicted in Figure 5.  

   

(41)

 

Figure  5:  S100  proteins  in  stress  and  inflammation‐mediated  responses.  As  a  response  to 

cellular stress or inflammation, S100 proteins get released in extracellular space where they  bind cell surface receptors and initiate multiple cellular processes such as cell differentiation,  migration,  apoptosis,  proliferation,  and  inflammation.  AP1,  activator  protein  1;  ERK,  extracellular  signal‐regulated  protein  kinase;  GPCR,  G‐protein‐coupled  receptor;  IL‐1,  interleukin 1; IL‐7, interleukin 7; IκBα, nuclear factor of kappa light polypeptide gene enhancer  in B‐cells inhibitor alpha; JNK, c‐Jun N‐terminal kinase; P38, p38 mitogen‐activated protein  kinase; RAGE, receptor for advanced glycation end products; TLR4, toll‐like receptor 4; Traf2,  TNF receptor‐associated factor 2 (109). 

   

Références

Documents relatifs

Collectively, these data suggest a crucial role for T-type channel activation and SR calcium signal in smooth muscle cell death induced by KDGEA.. This study could give new

Find the future value of an ordinary annuity of $777.25 per quarter for 20 years, assuming an interest rate of 9% compounded annually, and assuming interest is paid on payments

From there, we use the specifics of the situation to successively modify the diagram of schemes that appears in Theorem 3.57 , without changing the (cohomological) direct image of

Images des pi` eces de monnaie provenantes de la Banque Centrale Europ´

In this case, we report a 25-year-old male with posterior lateral knee pain related to the popliteus tendon where a corresponding cyamella could be demonstrated on X-rays and

Then, we assessed pulmonary vascular cell senescence by studying lung specimens and derived cultured pulmonary artery smooth muscle cells (PA-SMCs) from 14 patients

To elucidate these mechanisms, and to better understand plaque calcification heterogeneity among vascular beds, we used our ECLAGEN biocollection of human atherosclerotic lesions

The apoptosis observed in ApoE -/- :PAI-1 -/- plaques appears to be dependent on plasminogen activation, as suggested by the six-fold higher plasmin activity detected