The mast cell as a regulator of atherosclerotic plaque stability

Abstract

Atherosclerosis is an inflammatory disease progressing over years via the accumulation of cholesterol in arterial intima with subsequent formation of atherosclerotic plaques. The stability of a plaque is determined by the size of its cholesterol-rich necrotic lipid core and the thickness of the fibrous cap covering it. The strength and thickness of the cap are maintained by smooth muscle cells and the extracellular matrix produced by them. A plaque with a large lipid core and a thin cap is vulnerable to rupture that may lead to acute atherothrombotic events, such as myocardial infarction and stroke. In addition, endothelial erosion, possibly induced by apoptosis of endothelial cells, may lead to such clinical events. One of the major causes of plaque destabilization is inflammation induced by accumulated and modified lipoproteins, and exacerbated by local aberrant shear stress conditions. Macrophages, T-lymphocytes and mast cells infiltrate particularly into the plaque’s shoulder regions prone to atherothrombotic events, and they are present at the actual sites of plaque rupture and erosion. Two major mechanisms of plaque destabilization induced by inflammation are extracellular matrix remodeling and apoptosis.

Mast cells are bone marrow-derived inflammatory cells that as progenitors upon chemotactic stimuli infiltrate the target tissues, such as the arterial wall, differentiate in the target tissues and mediate their effects via the release of various mediators, typically in a process called degranulation. The released preformed mast cell granules contain proteases such as tryptase, chymase and cathepsin G bound to heparin and chondroitin sulfate proteoglycans. In addition, various soluble mediators such as histamine and TNF-alpha are released. Mast cells also synthesize many mediators such as cytokines and lipid mediators upon activation. Mast cells are capable of increasing the level of LDL cholesterol in the arterial intima by increasing accumulation and retention of LDL and by decreasing removal of cholesterol by HDL in vitro. In addition, by secreting proinflammatory mediators and proteases, mast cells may induce plaque destabilization by inducing apoptosis of smooth muscle and endothelial cells. Also in vivo data from apoE-/- and ldlr-/- mice suggest a role for mast cells in the progression of atherosclerosis. Furthermore, mast cell-deficient mice have become powerful tools to study the effects of mast cells in vivo.

In this study, evidence suggesting a role for mast cells in the regulation of plaque stability is presented. In a mouse model genetically susceptible to atherosclerosis, mast cell deficiency (ldlr-/-/KitW-sh/W-sh mice) was associated with a less atherogenic lipid profile, a decreased level of lipid accumulation in the aortic arterial wall and a decreased level of vascular inflammation as compared to mast-cell competent littermates. In vitro, mast cell chymase-induced smooth muscle cell apoptosis was mediated by inhibition of NF-kappaB activity, followed by downregulation of bcl-2, release of cytochrome c, and activation of caspase-8, -9 and -3. Mast cell-induced endothelial cell apoptosis was mediated by chymase and TNF-alpha, and involved chymase-mediated degradation of fibronectin and vitronectin, and inactivation of FAK- and Akt-mediated survival signaling. Subsequently, mast cells induced inhibition of NF-kappaB activity and activation of caspase-8 and -9. In addition, possible mast cell protease-mediated mechanisms of endothelial erosion may include degradation of fibronectin and VE-cadherin. Thus, the present results suggest a role for mast cells in destabilization of atherosclerotic plaques.

Ateroskleroosin komplikaatiot ovat merkittäviä kuolinsyitä erityisesti länsimaissa. Ateroskleroosi kehittyy vähitellen vuosikymmenten kuluessa ja kolesterolin kertyessä valtimoiden seinämiin muodostaen plakkeja. Pitkälle kehittynyt plakki voi revetä, jolloin syntyy suonen sisäinen verihyytymä, ja seurauksena voi olla sydän- tai aivoinfarkti. Samoin plakin pintavaurio voi aiheuttaa näitä ateroskleroosin komplikaatioita. Ajatellaan, että tärkein tekijä ateroskleroosin komplikaatioiden estämiselle olisi plakin stabilointi siten, että sen herkkyys repeämälle tai pintavauriolle pienenisi. Herkästi repeävässä plakissa on suuri kolesteroliydin, jota suojaa ohut sidekudoskatto, kun taas stabiilissa plakissa kolesteroliydin on pieni ja sidekudoskatto paksu.

Tulehduksella on merkittävä osuus ateroskleroosin kehittymisessä. Tärkeimpiä plakeissa esiintyviä tulehdussolutyyppejä ovat makrofagit, T-lymfosyytit ja syöttösolut, joita on erityisen paljon plakin niillä alueilla, jotka joko ovat herkkiä vaurioitumaan tai joissa jo on tapahtunut repeämä tai pintavaurio. Tässä työssä olemme selvittäneet syöttösolujen merkitystä ateroskleroottisen plakin vaurioitumisherkkyyteen eli plakin stabiliteettiin. Saimme selville, että syöttösolu- ja LDL-reseptoripuutteisilla ateroskleroottisilla hiirillä kehittyy rasvaisella ruokavaliolla pienempiä plakkeja kuin syöttösoluja sisältävillä LDL-reseptoripuutteisilla hiirillä. Lisäksi verisuoniston tulehdukseen viittaavan liukoisen solujen välisen adheesiomolekyylin (sICAM) pitoisuus verenkierrossa oli pienempi syöttösolupuutteisilla hiirillä verrattuna syöttösoluja sisältäviin hiiriin.

Tätä tutkimusta aloittaessamme tutkimusryhmä oli jo havainnut, että syöttösolut aiheuttavat sileiden lihassolujen ja endoteelisolujen apoptoosia (ohjelmoitua solukuolemaa). Nämä ovat tekijöitä, jotka edistävät plakin repeämistä ja pintavauriota. Saimme soluviljelymallien avulla selville, että syöttösolun erittämä kymaasi aiheuttaa sileiden lihassolujen apoptoosia estämällä transkriptiotekijä NF-kappaB-välitteistä solun elinkykyä ylläpitävää signalointia. Saimme myös selville, että syöttösolun erittämät kymaasi ja tuumorinekroositekijä-alfa (TNF-alfa) aiheuttavat endoteelisolun apoptoosia estämällä fokaaliadheesiokinaasi (FAK)- ja Akt (proteiinikinaasi-B)-välitteistä elinkykyä ylläpitävää signalointia. Lisäksi totesimme, että syöttösolun proteaaseilla on kyky pilkkoa soluväliaineen fibronektiiniä ja endoteelisolujen solu-soluliitosproteiinia VE-kadheriinia, mikä voi mahdollisesti johtaa pintavaurion syntyyn. Nämä syöttösolun aiheuttamat muutokset voisivat altistaa plakkia vaurioitumiselle ja siten vähentää plakin stabiliteettia.

Tämä tutkimus antaa viitteitä siitä, että syöttösoluilla on vaikutusta ateroskleroosin kehittymiseen ja plakin vaurioitumisherkkyyteen. Siten tutkimus nostaa esiin mahdollisuuden, että ateroskleroottisen plakin vaurioitumisherkkyyttä voitaisiin pienentää estämällä syöttösolujen paikallisia haittavaikutuksia.