Acidic pH and acidic enzymes in atherosclerosis

Abstract

Atherosclerosis is an inflammatory disease characterized by accumulation of lipids and fibrous connective tissue in the arterial wall. Recently, it has been suggested that decrease in the pH of extracellular fluid of the arterial intima may enhance LDL accumulation by increasing binding of the LDL to matrix proteoglycans and also by making the plaque more favorable for acidic enzymes to be active.

Many lysosomal acidic enzymes have been found in atherosclerotic plaques. In this thesis, we were able to induce secretion of lysosomal acidic cathepsin F from human monocyte-derived macrophages by stimulation with angiotensin II. We also showed that LDL pre-proteolyzed with cathepsin S was more prone to subsequent hydrolytic modifications by lipases. Especially acidic secretory sphingomyelinase was able to hydrolyze pre-proteolyzed LDL even at neutral pH. We also showed that the proteolyzed and lipolyzed LDL particles were able to bind more efficiently to human aortic proteoglycans. In addition, the role of extracellular acidic pH on the ability of macrophages to internalize LDL was studied. At acidic pH, the production of cell surface proteoglycans in macrophages was increased as well as the binding of native and modified LDL to cell surface proteoglycans. Furthermore, macrophages cultured at acidic pH showed increased internalization of modified and native LDL leading to foam cell formation.

This thesis revealed various mechanisms by which acidic pH can increase LDL retention and accumulation in the arterial intima and has the potential to increase the progression of atherosclerosis.

Ateroskleroosi on valtimon seinämän tulehdussairaus. Sen merkittävimmät ilmenemismuodot ovat sydäninfarkti ja aivoinfarkti. Ateroskleroosissa veren kolesterolia kuljettavat LDL-hiukkaset tunkeutuvat valtimoiden seinämään, jonka seurauksena kehittyy ateroskleroottinen plakki. Plakin kasvaminen ahtauttaa valtimon onteloa ja heikentää veren virtausta. Plakki voi myös revetä, jolloin muodostuu paikallinen verihyytymä, joka voi tukkia valtimon ja aiheuttaa hapen puutteessa olevaan kudokseen infarktin eli kuolion.

Viimeaikaisissa tutkimuksissa paksuntuneesta valtimon seinämästä on löydetty alueita, joissa solunulkoisen tilan pH on voimakkaasti laskenut, paikallisesti jopa alle pH kuuden. Happamassa LDL-hiukkasten on todettu sitoutuvan voimakkaammin seinämän proteoglykaaneihin, mikä edesauttaa LDL-hiukkasten kertymistä seinämään, sekä altistaa LDL-hiukkaset seinämässä sijaitsevien entsyymien aiheuttamalle muuntumiselle. Tässä väitöskirjassa on tutkittu happamuuden vaikutusta LDL-hiukkasten kertymiseen ateroskleroottisessa plakissa esiintyviin makrofageihin. Lisäksi väitöskirjassa tutkittiin happamien entsyymien eritystä makrofageista sekä niiden vaikutusta solunulkoisessa tilassa.

Tutkimuksemme osoittivat verisuonen seinämästä löytyvän angiotensiiini II:n pystyvän aiheuttamaan happaman katepsiini F-entsyymin erittymisen solunulkoiseen tilaan. Lisäksi katepsiini S:n todettiin muuntavan LDL-hiukkaset alttiimmaksi solunukoisten lipaasien vaikutukselle, minkä seurauksena muun muassa LDL-hiukkasten sitoutuminen soluväliaineen proteoglykaaneihin vahvistui. Happamassa makrofagit tuottivat enemmän solun pinnan proteoglykaaneita ja LDL-hiukkasten sitoutumisen näihin todettiin lisääntyvän. Tämän seurauksena muuntuneiden ja jopa muuntumattomien LDL-hiukkasten sisäänotto makrofageihin lisääntyi happamassa pH:ssa.

Hapan pH lisää LDL-hiukkasten tarttumista valtimon seinämästä eristettyihin rakenteisiin ja kiihdyttää ateroskleroosille tyypillisten kolesterolitäytteisten makrofagien muodostumista. Niinpä nämä valtimon seinämän happamat alueet voivat toimia ateroskleroosin kehittymistä voimakkaasti edistävinä keskuksina.