Biomechanical regulation of vascular smooth muscle cell functions: from in vitro to in vivo

understanding

Salvador – BA2014

Universidade Federal da BahiaInstituto de Ciências da Saúde

ICSA52 - Bioquímica e Fisiologia dos Órgãos e Sistemas

Alexandre Berno¹ George Gonçalves¹

Luisa Queiroz¹ Suelen Silva¹

Taís de Moraes¹

1

¹Mestrandos do Programa de Pós-Graduação em Processos Interativos dos Órgãos e Sistemas (ICS-UFBA).

Qiu et al. (2013) J. R. Soc. Interface 11:20130852.

1. Introdução

Anormalidades na migração e proliferação de Células de Músculo Liso Vascular (VSMCs).

Doenças vasculares

Hipertensão

Estenose Vascular

Aterosclerose

APOPTOSE

1. Introdução

Fatores Hemodinâmicos

Fluxo de Sangue

Tensão Tangencial da parede dos vasos sanguíneos

Tensão Cíclica

Pressão Hidrostática

Fenótipo Funções

1. Introdução

APOPTOSE PROLIFERAÇÃO

Fatores Hemodinâmicos

NORMAIS ANORMAIS

BALANCEAMENTO

PATOFISIOLOGIA

1. Introdução

Células Endoteliais (ECs) in vivo

Percebem a Tensão Tangencial como um sinal mecânico

Regula a função das VSMCs

SINALIZAÇÃO

Expressão Gênica

Base para estudos in vitro de co-culturas ECs–VSMCs

Revisar...

• Funções das VSMCs;• Progressão da placa aterosclerótica em culturas sob estimulação

biomecânica.

Elucidar...

• Como as funções da VSMCs, sob estímulos mecânicos, ajudará no entendimento da fisiologia e patologia vascular;

• Formação de placa aterosclerótica.

1. Introdução

2. Fatores Hemodinâmicos e Função das VSMCs

2.1 Efeitos da Tensão Tangencial e Fluxo Padrão em cultura bidimensional de VSMCs

Fenótipo contrátil das VSMCs

α – actina de músculo liso (α –SMA);

Cadeia pesada de Miosina de Músculo Liso (SH-MHC);

Calponina 1;

Vimentina (sintético).

2.1 Efeitos da Tensão Tangencial e Fluxo Padrão em cultura bidimensional de VSMCs

in vitro VSMCs afetadas

Fenótipo Sintético

ATEROSCLEROSE

Tensão Tangencial regula funções das VSMCs

Proliferação Diferenciação

Controlado pelo Glicocálix em particular Proteoglicanos de Sulfato de Heparina (HSPGs)

2.1 Efeitos da Tensão Tangencial e Fluxo Padrão em cultura bidimensional de VSMCs

Alinhamento das VSMCs

PARALELO PERPENDICULAR

in vivo

TENSÃO TANGENCIAL

in vitro

ALTA TENSÃO TANGENCIAL

BAIXA TENSÃO TANGENCIAL

PROLIFERAÇÃO CELULAR

2.1 Efeitos da Tensão Tangencial e Fluxo Padrão em cultura bidimensional de VSMCs

Hiperplasia da Camada Íntima

• Fator de Crescimento Derivado de Plaquetas (PDGF);

• Matriz Metaloproteinase 2 (MMP-2) por meio de Óxido Nítrico (NO).

Controle da Proliferação e Migração:

in vitro

Figure 1. Haemodynamic flow regulates the functions of SMCs. The balance between the function of SMCs governs vascular physiology/pathology and atherosclerotic progression under different shear stress stimulation. To be specific, LSS attenuates the bioavailability of NO by decreasing eNOS mRNA and protein expression, ultimately impairs the NO-dependent apoptosis signalling pathway, and destroys the balance of apoptosis and proliferation. In addition, LSS induces PDGF and TGF mRNA and protein expression, leading to SMC proliferation. Furthermore, atherogenic shear stress also causes ECM degradation by increasing enzymatic degradation, such as MMP2 and MMP9. Increased MMP-2 secretion in SMC in response to shear stress may promote SMC migration. PDGF signalling also directs SMC migration and invasion. SMC, possibly through direct or indirect contact with the blood flow, may affect ECM volume and composition in the neointima. HSS, high shear stress; LSS, low shear stress; NO, nitric oxide; ERK1/2, extracellular signal-regulated kinase1/2; AKT, protein kinase B; PDGFR, platelet-derived growth factor receptor; TGF, transforming growth factor; MMP, matrix metalloproteinase.

2.1 Efeitos da Tensão Tangencial e Fluxo Padrão em cultura bidimensional de VSMCs

2.1 Efeitos da Tensão Tangencial e Fluxo Padrão em cultura bidimensional de VSMCs

Implantes vasculares... Fluxo em “Vortex”

Migração celulare Hiperplasia Neointima

Evita hiperplasia da íntima

Fosforilação da ERK1/2

Cinase de Cadeia Leve de Miosina

Redução

Table 1. Shear stress regulates the cell function of VSMCs by affecting gene expression. SS, shear stress; ASMC, aortic smooth muscle cell; TFPI-2, tissue factor pathway inhibitor-2; Dyn, dyn/cm2; PDGF, platelet-derived growth factor; MMP, matrix metalloprotease; HO, haem oxygenase; CO, carbon monoxide; NO, nitric oxide; ERK1/2, extracellular signal-regulated kinase1/2; AKT, protein kinase B; min, minute (or minutes); h, hour (or hours); d, day (or days).

2.1 Efeitos da Tensão Tangencial e Fluxo Padrão em cultura bidimensional de VSMCs

2.2. Efeitos do fluido da Tensão Tangencial nas VSMCs em nível tridimensional

Taxa de FluxoIntersticial

Lâmina elástica interna

Tensão Tangencial de 1 dyn cm-2 nas VSMCs

Tensão Tangencial de 8 dyn cm-2 nas VSMCs

(bidimensional)

Redução significativa de α-SMA, SM22, SM-MHC, lisina e calponina

Células suspensas em Géis de Colágeno

Expressão de SM-MHC, lisina e calponina

Expressão de α-SMA e SM22

“Na matriz bidimensional as VSMCs apresentam, principalmente, fenótipo sintetizado; por outro lado, as VSMCs sustentam um fenótipo contrátil tanto na matriz tridimensional como sob estimulação da tensão tangencial fluxo intersticial”.

2.2. Efeitos do fluido da Tensão Tangencial nas VSMCs em nível tridimensional

2.3. Efeitos da Força Mecânica da parede vascular nas funções das VSMCs em ambiente bidimensional

“Estiramento cíclico mantém um fenótipo diferenciado e completamente funcional...” Estímulos Mecânicos

Alongamento Pulsátil Sinais Intracelulares

Modulação na expressão de genes

Apoptose

Remodelação

Migração

Proliferação

Alinhamento das VSMCs

2.3. Efeitos da Força Mecânica da parede vascular nas funções das VSMCs em ambiente bidimensional

Perpendicularmente à direção de estiramento por meio de sinalização NO e ativação Notch3 dependente de redox

Fator de crescimento semelhante à insulina 1 (IGF-1);

Proteína Cinase Ativada por Mitógeno (MAPK).

Fosfatidilinositol 3-Cinases (PI3K);

Tirosina-Cinase e Fator Nuclear-kappaβ (NF-kβ);

A indução da Proliferação

A indução da Hipertrofia

Canais de cálcio

Sinalização de PI3K/Akt

3. Fatores Hemodinâmicos Regulam o comportamento das VSMCs em condições co-cultura

3.1 Modelo de co-cultura sob um ambiente hemodinâmico

Interação entreVSMCs e ECs

3.1 Modelo de co-cultura sob um ambiente hemodinâmico

Chiu et al. (2001; 2003)

Sistema de co-cultura EC-VSMC onde as ECs não estavam apenas nas proximidades de VSMCs, mas constantemente submetidos ao tensão tangencial.

Condições de fluxo

ECs VSMCs

Uma importante ferramenta de investigação das interações célula-célula e célula-biologia vascular

Membrana Porosa

A Tensão Tangencial regula a liberação de substâncias ativas, pelas ECs, que, em seguida, regulam as funções VSMC.

3.2 Comportamento Biológico das VSMCs regulado por tensão tangencial via Células Endoteliais

Na presença de Tensão Tangencial Fisiológica:

ECs se alinham de acordo com a direção do fluxo.

VSMCs se alinham mais perpendicularmente;

,

Endotelina-1 (ET-1)

TGF-β

PDGF-A

PDGF-BBNO

Angiotensina II

• As interações EC–VSMC aumentam a diferenciação das VSMCs.

• Alta Tensão Tangencial protege as ECs, evitando lesões graves ou desnudamento da parede vascular.

• A Tensão Tangencial induz a liberação de NO derivado do endotélio, que inibe a migração VSMCs e induz a apoptose destas células.

• A Tensão Tangencial oscilatória induz a migração das VSMCs através do aumento da expressão de MMP-2 e MMP-9, diminuindo a expressão do inibidor ativador do plasminogênio -1 (PAI-1).

3.2 Comportamento Biológico das VSMCs regulado por tensão tangencial via Células Endoteliais

3.2 Comportamento Biológico das VSMCs regulado por tensão tangencial via Células Endoteliais

Figure 3. Shear stress regulates cellular activities of VSMCs in EC–VSMC co-culture system. High (lamilar) shear stress prevails in the upstream region when atherosclerotic plaques intrude into the vascular lumen, and low (oscillatory) shear stress exists in the downstream region. Under the co-culture condition, high shear stress induces VSMC apoptosis through nitric oxide (NO) released by ECs, and this maybe the cause of ruptured plaques in the upstream of the stenosis. However, low shear stress upregulates the VSMC proliferation and migration through PDGF and TGF released by endothelial cells. In addition, TGF induces the VSMC transdifferentiation into myofibroblasts, and the myofibroblast is the critical cell for proliferation and migration, along with extracellular matrix synthesis, so myofibroblast contributes to atherosclerotic lesion formation. NSS, normal shear stress; HSS, high shear stress; LSS, low shear stress; NO, nitric oxide; SMCs, smooth muscle cells; ECs, endothelial cells; PDGF, platelet-derived growth factor; TGF, transforming growth factor.

Enxertos vasculares experimentais...

3.3 Proliferação das VSMCs regulada por estiramento mecânico via Células Endoteliais

DANOS

ECsVSMCs

Crescimento

Trombospondina (TSP) -1

Estiramento Mecânico

Estiramento Cíclico

ECs

Estudos futuros devem focar nos mecanismos de cooperação sistemica e integrar os conhecimentos da Biomecânica, Reologia do Sangue, Biologia Celular e Biologia Molecular a fim de entender as funções das VSMCs durante a progressão de aterosclerose.

Mais pesquisas devem ser direcionadas ao fortalecimento da compreensão da interação entre VSMCs e ECs em modelos de co-cultura em resposta à Tensão Tangencial.

4. Considerações Finais

OBRIGADO!!!