Dokument: Insights into the Regulation of Vascular Function by Reactive Oxygen and Nitrogen Species in Health and Disease
| Titel: | Insights into the Regulation of Vascular Function by Reactive Oxygen and Nitrogen Species in Health and Disease | |||||||
| Weiterer Titel: | Neue Einblicke in die Regulation der Gefäßfunktion durch reaktive Sauerstoff- und Stickstoffspezies im Kontext physiologischer und pathophysiologischer Bedingungen | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=65096 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20240308-111406-3 | |||||||
| Kollektion: | Publikationen | |||||||
| Sprache: | Englisch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Habilitation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Dr. Suvorava, Tatsiana [Autor] | |||||||
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| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften » 610 Medizin und Gesundheit | |||||||
| Beschreibungen: | This work was based on the hypothesis that vascular endogenous reactive oxygen and nitrogen species (ROS/RNS) are not only involved in the development of oxidative stress, but have distinct signaling properties and serve important regulatory functions. To test this hypothesis, the steady-state levels of hydrogen peroxide, superoxide and NO were modified in vivo by a vascular specific overexpression of proteins regulating their availability (catalase, wild-type endothelial NO-synthase (eNOS) and destabilized eNOS).
Studies in a mouse model with vascular-specific overexpression of catalase revealed that endogenous hydrogen peroxide contributes to maintenance of vascular tone and blood pressure but does not influence NO-bioavailability (§3.1). While singularization impairs endothelial function and reduces vascular eNOS expression in healthy mice (§3.2), in exercise training vascular hydrogen peroxide is crucial for the upregulation of arterial eNOS protein (§3.3) and inhibits the exercise-induced mobilization of endothelial progenitor cells from the bone marrow (§3.4). In striking difference to arterial vessels, in venous tissues the exercise-induced upregulation of vasoprotective proteins is prevented by physiological activity of catalase (§3.5). Experiments in mice and rabbits treated with NO-donors and mice with an endothelial specific overexpression of eNOS showed that endogenous and exogenous NO regulates soluble guanylyl cyclase (sGC) activity by its posttranslational S-nitrosylation, without changing sGC protein level (§3.6-3.7) and increases expression of important proteins of antioxidant defense and RAAS (§3.8, §3.9). Studies in double transgenic mice re-expressing wild-type eNOS in eNOS-deficient endothelium surprisingly revealed that endothelial-specific eNOS rescue normalized vascular reactivity in conduit and resistance arteries but did not lower blood pressure (§3.10). This paradox finding suggested the existence of a previously unrecognized but likely important role for non-endothelial eNOS in the regulation of blood pressure and put forward a new hypothesis that impairment of non-endothelial NO generation might contribute to the development of hypertension. More recently, the importance of the red blood cell eNOS-dependent pathway in the regulation of NO metabolism and blood pressure has been demonstrated using endothelial cell- and red blood cell-specific transgenic mice (§3.11). As there was ongoing intensive scientific interest on the role of eNOS itself as a source of oxidant stress in hypertension and atherosclerosis (“uncoupled” eNOS), several mutant eNOS transgenic mouse models were generated. A plasmid with a cysteine 101 alanine mutant (C101A) was used to express C101A-eNOS in cells and mice. This mutation destabilizes the normal dimer configuration of eNOS which results in reduced NO and increased superoxide production in a close proximity to each other. This resembles the in vivo situation where the parts of eNOS molecules are uncoupled while the others function normally. Examination of mutant young mice overexpressing C101A-eNOS in the endothelium revealed no apparent abnormalities despite selective impairment of blood pressure reducing activity of vascular eNOS (§3.12). Introduction of mutant C101A-eNOS in eNOS knockout mice (C101A-eNOS-Tg/KO) caused an increase in superoxide and peroxynitrite formation in the aorta and myocardium which was completely blunted by pharmacological inhibition of NOS. Surprisingly, despite greatly reduced eNOS expression, endothelial function in the mutant C101A-eNOS/KO mice was almost normal while blood pressure was similar to eNOS deficient mice (§3.13). Further detailed investigations showed correct localization and preserved vascular signaling in the conduit arteries and negligible effects of destabilized eNOS on vascular remodeling and neointima formation. These data suggest that increased ROS/RNS generation by destabilized eNOS is unlikely a pathologic factor promoting endothelial dysfunction and intima hyperplasia as long as concomitant production of NO is present. This research also identified a novel modulator of NO signaling, namely hyaluronan (HA). HA and specifically the HA synthase 3 (HAS3) was shown to critically interconnect NO and HA-mediated signaling pathways in mechanosensing and collateral vessels growth. HA, an unbranched glycosaminoglycan and major component of extracellular matrix, synthesized by HAS3 in medial vascular smooth muscle in the course of inflammatory disease has been found to enhance intimal hyperplasia (§3.14), whereas the HA matrix within endothelial glycocalyx is vasoproprotective (§3.15). The vascular protective effects of HAS3-derived HA are mediated via endothelial HA/eNOS axis: HAS3-derived HA appears to function as mechanosensor and contributes to acute (flow-mediated dilation) and chronic (hindlimb ischemia) changes in blood flow by hyaluronan/CD44-mediated stimulation of eNOS phosphorylation at Ser1177. Taken together, these studies provided novel insights into the control of vascular function by endogenous hydrogen peroxide, NO, superoxide and HA in health and disease.Diese Arbeit basiert auf der Hypothese, dass vaskuläre endogene reaktive Sauerstoff- und Stickstoffverbindungen (reactive oxygen species, ROS/reactive nitrogen species, RNS) nicht nur an der Entstehung von oxidativem Stress beteiligt sind, sondern darüber hinaus unterschiedliche Signaltransduktionseigenschaften besitzen und auf diese Weise wichtige regulatorische Funktionen erfüllen. Um diese Hypothese zu testen, wurden die endogenen Steady-State-Spiegel von Wasserstoffperoxid, Superoxidradikalanion und Stickstoffmonoxid (NO) modifiziert, indem wichtige, die Bioverfügbarkeit dieser ROS/RNS regulierenden Proteine (Katalase, endotheliale NO-Synthase (eNOS) und destabilisierte eNOS), gefäßspezifisch überexprimiert wurden. In einem Mausmodell mit gefäßspezifischer Überexpression der Katalase konnte gezeigt werden, dass endogenes Wasserstoffperoxid zur Aufrechterhaltung des Gefäßtonus und des Blutdrucks beiträgt, aber die NO Bioverfügbarkeit nicht beeinflusst (§3.1). Während eine Einzelhaltung gesunder Mäuse die Endothelfunktion beeinträchtigt und Expression vaskulärer eNOS reduziert (§3.2), wird diese bei körperlichem Training durch Wasserstoffperoxid hochreguliert (§3.3). Weiterhin konnte gezeigt werden, dass Wasserstoffperoxid die durch Bewegung induzierte Mobilisierung endothelialer Vorläuferzellen aus dem Knochenmark hemmt (§3.4). Im Gegensatz zu arteriellen Gefäßen wird in venösen Geweben die bewegungsinduzierte Hochregulation vasoprotektiver Proteine durch die physiologische Aktivität der Katalase verhindert (§3.5). Untersuchungen an Mäusen und Kaninchen, die mit NO-Donatoren behandelt wurden, sowie an Mäusen mit endothelspezifischer Überexpression der eNOS zeigten, dass exogenes und endogenes NO die Aktivität der löslichen Guanylylcyclase (soluble GC, sGC) durch posttranslationale S-Nitrosylierung reguliert, ohne den sGC-Proteinspiegel zu verändern (§§ 3.6-3.7). Zudem wurde die Expression wichtiger Proteine der antioxidativen Abwehr und des Renin-Angiotensin II-Systems erhöht (§§3.8-3.9). Experimente an transgenen Mäusen, die Wildtyp-eNOS in eNOS-defizientem Endothel reexprimierten, zeigten überraschenderweise, dass eine Wiederherstellung der endothelspezifischen eNOS die vaskuläre Reaktivität in Leitungs- und Widerstandsarterien normalisierte ohne jedoch den Blutdruck zu senken (§3.10). Dieser paradoxe Befund deutete auf die Existenz einer bisher unbekannten, aber wichtigen Rolle für nicht-endotheliale eNOS bei der Regulierung des Blutdrucks hin und führte zu der Hypothese, dass eine Beeinträchtigung der nicht-endothelialen NO Synthese zu Hypertonie beitragen könnte. Tatsächlich wurde vor kurzem die Existenz eines erythrozytären eNOS-abhängigen Signalweges bei der Regulation des NO-Metabolismus und des Blutdrucks unter Verwendung von endothelzell- und erythrozytenspezifischen transgenen Mäusen nachgewiesen (§3.11). Um die Forschung zur Bedeutung der eNOS-Entkopplung als unabhängige Quelle oxidativen Stresses im Kontext von Bluthochdruck und Atherosklerose voranzutreiben, wurden weitere transgene eNOS-Mausmodelle entwickelt. Ein Plasmid mit einer Cystein-101-Alaninmutante (C101A) wurde verwendet um C101A-eNOS in Zellen und Mäusen zu exprimieren. Diese Mutation destabilisiert die normale Dimerkonfiguration der eNOS was zu einer reduzierten NO- und erhöhten Superoxidproduktion in unmittelbarer räumlicher Nähe zueinander führt. Dies ähnelt der Situation in vivo, in der ein Teil der eNOS-Moleküle entkoppelt ist, während andere normal funktionieren. Die Untersuchung junger mutierter Mäuse, die C101A-eNOS im Endothel überexprimierten, ergab keine offensichtlichen phänotypischen Unterschiede trotz selektiver Beeinträchtigung der blutdrucksenkenden Aktivität der vaskulären eNOS (§3.12). Die Expression der mutierten C101A-eNOS im Endothel von eNOS-Knockout-Mäusen (C101A-eNOS-Tg/KO) verursachte einen Anstieg der Superoxid- und Peroxynitritbildung, welche durch pharmakologische NOS-Hemmung vollständig inhibiert werden konnte. Überraschenderweise war die Endothelfunktion in C101A-eNOS/KO-Mäusen trotz stark reduzierter eNOS-Expression fast normal, während der Blutdruck dem von eNOS-defizienten Mäusen ähnelte (§ 3.13). Weitere detaillierte Untersuchungen zeigten sowohl eine korrekte Lokalisation als auch eine erhaltene vaskuläre Signaltransduktion in den Leitungsarterien und geringfügige Auswirkungen von destabilisierter eNOS auf vaskuläres Remodelling und Neointimabildung. Diese Daten deuten darauf hin, dass eine erhöhte ROS/RNS-Generierung durch destabilisierte eNOS wahrscheinlich kein pathologischer Faktor ist, der endotheliale Dysfunktion und Intimahyperplasie fördert, zumindest solange die NO-Produktion erhalten bleibt. Im Weiteren konnte ein neuer Modulator des NO Signalweges identifiziert und im kardiovaskulären Kontext genauer charakterisiert werden. Hyaluronsäure (hyaluronic acid, HA) und spezifisch die HA-Synthase (HAS)3 wurde hier als wichtiges Molekül im Zusammenspiel von NO- und HA-vermittelten Signalwegen beim Mechanosensing identifiziert, was die Ausbildung von Kollateralen modulierte. HA ist eine wichtige Komponente der extrazellulären Matrix und wird in arteriellen Leitgefäßen insbesondere im Rahmen inflammatorischer Erkrankungen durch HAS3 in der medialen glatten Muskulatur synthetisiert. In einem Modell der Karotisstenose trägt die durch HAS3 synthetisierte HA-Matrix zur Ausbildung einer Intimahyperplasie bei (§ 3.14), während die HA-Matrix innerhalb der endothelialen Glykokalyx vasoprotektive Eigenschaften besitzt (§3.15). Untersuchungen konnten zeigen, dass die vaskulären Schutzwirkungen von HA, welche durch HAS3 synthetisiert wird, über eine endotheliale HA/eNOS-Achse vermittelt werden: HAS3-assoziierte HA, scheint als Mechanosensor zu fungieren und trägt durch HA/CD44-vermittelte Stimulation der eNOS-Phosphorylierung an Ser1177 zu akuten (flussvermittelte Vasodilatation) und chronischen (Hinterlaufischämiemodell) Veränderungen des Blutflusses bei. Zusammengefasst liefern diese Studien neue Erkenntnisse zur Regulation der Gefäßfunktion durch endogenes Wasserstoffperoxid, NO, Superoxid und HA im Kontext physiologischer und pathophysiologischer Bedingungen. | |||||||
| Lizenz: |  Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Medizinische Fakultät » Institute » Institut für Pharmakologie und Klinische Pharmakologie | |||||||
| Dokument erstellt am: | 08.03.2024 | |||||||
| Dateien geändert am: | 08.03.2024 |
