Mast cells and endothelial erosion: Implications for human atherothrombotic disease

Abstract

More than 40% of all deaths in Finland are caused by atherosclerosis. The complications of atherosclerosis are due to either detachment of the luminal endothelium (erosion) or rupture of the fibrous cap of an atherosclerotic plaque (rupture). As a result, a thrombus is formed at the site of the intimal lesion. Indeed, erosions cause roughly 40% of sudden atherothrombotic deaths and 25% of all atherothrombotic deaths. Erosions are overrepresented in young subjects, diabetics, smokers and women.

This dissertation focuses on endothelial erosion. Endothelial erosions were studied in the context of arterial grafting and vascular inflammation. Special attention was given to the role of intimal mast cells and the methodological viewpoints of reliable identification of endothelial erosions.

Mast cells are inflammatory cells mostly known for their ability to cause allergic symptoms. In addition to occurring in skin and mucosal surfaces, mast cells are abundant in arterial intima and adventitia. In this study, mast cells were found to associate with endothelial erosions in non-lesional and atherosclerotic human coronary arteries. Thus, mast cells may participate in atherogenesis at the initial phases of the disease process already. We also showed that the mast cell proteases tryptase, chymase, and cathepsin G are all capable of cleaving molecules essential for endothelial cell-to-cell and cell-to-extracellular matrix interactions, such as VE-cadherin and fibronectin.

Symptom-causing carotid plaques were found to contain more inflammatory cells, especially mast cells, than non-symptom-causing plaques. Furthermore, the atherogenic serum lipid profile and the degree of carotid stenosis turned out to correlate with the density of carotid plaque mast cells. Apoptotic and proliferating cells were more abundant in non-symptom causing plaques (active renewal of endothelial cells), but erosions were larger in symptom-causing plaques (capacity of endothelial regeneration exceeded).

The process of identifying endothelial erosions with immunostainings has been ambiguous, since both endothelial cells and platelets express largely the same antigens. This may have caused inaccurate interpretations of the presence of endothelial erosion. In the last substudy of this thesis we developed a double immunostaining method for simultaneous identification of endothelial cells and platelets. This method enables more reliable identification of endothelial erosions.

Yli 40 % kaikista kuolemista Suomessa on ateroskleroosin aiheuttamia. Ateroskleroosin komplikaatiot syntyvät suonen sisäseinämää verhoavan endoteelin irrotessa (eroosio) tai ateroskleroottisen plakin rasvaytimen päällä olevan sidekudoskaton revetessä (ruptuura). Sekä eroosion, että ruptuuran seurauksena syntyy verihyytymä. Eroosiot aiheuttavat jopa 40 % kaikista aterotromboottisista äkkikuolemista ja 25 % aterotromboottisista kuolemista. Eroosioiden merkitys kuolinsyynä ruptuuroihin verrattuna on korostunut nuorissa ikäryhmissä, naisilla ja tupakoitsijoilla.

Tässä väitöskirjatyössä on selvitetty papaveriinin ja syöttösolujen osuutta endoteelieroosioiden synnyssä, endoteelieroosioiden esiintymistä oireisten ja oireettomien potilaiden kaulavaltimoplakeissa, apoptoosin merkitystä karotisplakkien eroosioiden synnyssä, sekä pyritty kehittämään luotettava immunohistokemiallinen värjäysmenetelmä endoteelieroosioiden osoittamiseksi.

Syöttösolut ovat tulehdussoluja, jotka tunnetaan yleisesti allergiaoireiden aiheuttajina. Syöttösolujen määrä on suuri ihon ja limakalvopintojen lisäksi myös valtimoiden seinämissä, jossa ne sijaitsevat endoteelin välittömässä läheisyydessä. Tutkimuksessa totesimme, että syöttösolut assosioituvat endoteelieroosioiden kanssa oireettomissa ja jopa lähes terveeltä näyttävissä suonissa ja ne voivat siten osallistua ateroskleroosin kehittymiseen jo sen alkuvaiheissa. Lisäksi totesimme, että syöttösolujen vapauttamat proteaasit tryptaasi, kymaasi ja katepsiini G kykenevät kaikki pilkkomaan endoteelisolujen solu-soluväliaine ja solu-solu adheesion kannalta keskeisiä molekyylejä kuten fibronektiiniä ja VE-kadheriinia.

Totesimme myös, että oireisten kaulavaltimoahtaumapotilaiden kaulavaltimoplakeissa on enemmän tulehdussoluja, erityisesti syöttösoluja, kuin oireettomilla potilailla. Lisäksi havaitsimme, että suurentunut syöttösolumäärä korreloi myös potilaiden aterogeenisen seerumin lipidiprofiilin ja ahtauma-asteen kanssa. Totesimme myös, että oireettomilla potilailla on enemmän apoptoottisia ja jakautuvia endoteelisoluja (suuri vaihtuvuus, ja toimivat korjausmekanismit) kuin oireisilla, joilla puolestaan on suuremmat eroosiot (vähän soluja ja korjausmekanismit eivät toimi).

Endoteelieroosioiden tunnistaminen immunovärjäyksin on ollut epävarmaa, koska endoteelisolut ja verihiutaleet ilmentävät suurelta osin samoja antigeenejä. Tämä on aiheuttanut helposti virheellisiä tulkintoja endoteelin erosoitumisesta tai eroosion puutteestä. Viimeisessä osatyössä kehitimme ratkaisuksi tähän ongelmaan immunohistokemiallisen värjäysmenetelmän, jolla pystyy värjäämään samanaikaisesti sekä verihiutaleet että endoteelisolut ja voi siten tunnistaa endoteelieroosiot aiempaa luotettavammin.