Microcirculatory vessels are lined by endothelial cells (ECs) which are surrounded by a single or multiple layer of smooth muscle cells (SMCs). Spontaneous and agonist induced spatiotemporal calcium (Ca2+) events are generated in ECs and SMCs, and regulated by complex bi-directional signaling between the two layers which ultimately determines the vessel tone. The contractile state of microcirculatory vessels is an important factor in the determination of vascular resistance, blood flow and blood pressure. This dissertation presents theoretical insights into some of the important and currently unresolved phenomena in microvascular tone regulation. Compartmental and continuum models of isolated EC and SMC, coupled EC-SMC and a multi-cellular vessel segment with deterministic and stochastic descriptions of the cellular components were developed, and the intra- and inter-cellular spatiotemporal Ca2+ mobilization was examined. Coupled EC-SMC model simulations captured the experimentally observed localized subcellular EC Ca2+ events arising from the opening of EC transient receptor vanilloid 4 (TRPV4) channels and inositol triphosphate receptors (IP3Rs). These localized EC Ca2+ events result in endothelium-derived hyperpolarization (EDH) and Nitric Oxide (NO) production which transmit to the adjacent SMCs to ultimately result in vasodilation. The model examined the effect of heterogeneous distribution of cellular components and channel gating kinetics in determination of the amplitude and spread of the Ca2+ events. The simulations suggested the necessity of co-localization of certain cellular components for modulation of EDH and NO responses. Isolated EC and SMC models captured intracellular Ca2+ wave like activity and predicted the necessity of non-uniform distribution of cellular components for the generation of Ca2+ waves. The simulations also suggested the role of membrane potential dynamics in regulating Ca2+ wave velocity. The multi-cellular vessel segment model examined the underlying mechanisms for the intercellular synchronization of spontaneous oscillatory Ca2+ waves in individual SMC. From local subcellular events to integrated macro-scale behavior at the vessel level, the developed multi-scale models captured basic features of vascular Ca2+ signaling and provide insights for their physiological relevance. The models provide a theoretical framework for assisting investigations on the regulation of vascular tone in health and disease.

Durante o processo de reparação tecidual, o fator de transformação de crescimento <font face=\"symbol\">b1 (TGF-<font face=\"symbol\">b1) apresenta um importante papel na regulação da expressão da <font face=\"symbol\">a-actina de músculo liso (<font face=\"symbol\">a-AML) e portanto, na diferenciação miofibroblástica. Como os fibroblastos pulpares apresentam características peculiares, com a expressão de proteínas específicas que os diferem de fibroblastos de outros tecidos conjuntivos, o presente estudo avaliou in vitro se o TGF-<font face=\"symbol\">b1 aumenta a expressão de <font face=\"symbol\">a-AML em fibroblastos pulpares humanos comparando-os com fibroblastos de gengiva. Para tal, diferentes doses de TGF-<font face=\"symbol\">b1 (5 à 10 ng/ml) foram adicionadas às culturas de células, sendo a expressão da <font face=\"symbol\">a-AML analisada por imunofluorescência e western-blotting. Ambos os tipos celulares imunoexpressaram <font face=\"symbol\">a-AML mesmo sem o tratamento com o TGF-<font face=\"symbol\">b1, estando aumentada consideravelmente, quando o TGF-<font face=\"symbol\">b1 foi adicionado às culturas. Os resultados do presente estudo demonstraram que o TGF-<font face=\"symbol\">b1 induz a expressão de <font face=\"symbol\">a-AML, sugerindo a indução do fenótipo miofibroblástico em fibroblastos pulpares. / Transforming growth factor-beta 1 (TGF-<font face=\"symbol\">b1) has been related to induce the expression of <font face=\"symbol\">a-smooth muscle actin (<font face=\"symbol\">a-SMA) in fibroblasts during repair. Since pulpal fibroblasts seem to be somewhat different from other fibroblasts, the present study investigated in vitro whether TGF-<font face=\"symbol\">b1 enhances the expression of <font face=\"symbol\">a-SMA in human pulpal fibroblasts. TGF-<font face=\"symbol\">b1 was added in doses between 5-10 ng/ml to cultures of both dental pulp and gingiva human fibroblasts. The expression of <font face=\"symbol\">a-SMA was analyzed by immunofluorescence and western-blotting. Both cell types were immunoreactive for <font face=\"symbol\">a-SMA even without TGF-<font face=\"symbol\">b1. When TGF-<font face=\"symbol\">b1 was added to cell cultures, the expression of <font face=\"symbol\">a-SMA increased dramatically in pulpal fibroblasts, independent of the concentration used. It was confirmed by the western blot analysis. The present findings showed that TGF-<font face=\"symbol\">b1 up-regulated the expression of <font face=\"symbol\">a-SMA thus inducing pulpal fibroblasts to acquire the myofibroblast phenotype.

O remodelamento vascular é um determinante fundamental do lúmen em doenças vasculares, porém os mecanismos envolvidos não estão completamente elucidados. Nós investigamos o papel da chaperona redox residente do retículo endoplasmático Dissulfeto Isomerase Proteica (PDI) e sua fração localizada na superfície celular (peri/epicelular=pecPDI) no calibre e arquitetura vascular durante reparação à lesão. Em artérias ilíacas de coelho submetidas à lesão in vivo, houve importante aumento do mRNA e expressão proteica (~25x aumento 14 dias pós-lesão vs. controle) da PDI. O silenciamento da PDI por siRNA (cultura de órgãos) acentuou o estresse do retículo e apoptose, diferentemente da inibição da pecPDI com anticorpo neutralizante (PDI Ab). Bloqueio in vivo da pecPDI por aplicação de gel perivascular contendo PDI Ab no 12° dia após lesão, com análise após 48 h, promoveu ca.25% redução no calibre vascular analisado por arteriografia e diminuição similar na área total do vaso detectada por tomografia de coerência óptica. Neste processo, não ocorreu alteração no tamanho da neoíntima, indicando assim, que PDI Ab acentuou remodelamento constrictivo. Neutralização da pecPDI promoveu importantes alterações na arquitetura da matriz de colágeno e citoesqueleto, resultando em fibras com orientação invertida e desorganizadas. Diminuição na produção de espécies reativas de oxigênio e óxidos de nitrogênio também ocorreu. Análise de propriedades viscoelásticas nas artérias indicou redução na ductilidade vascular, evidenciada pela menor distância para ruptura. As alterações subcelulares no citoesqueleto observadas in vivo após PDI Ab foram recapituladas em um modelo de estiramento cíclico em células musculares lisas vasculares, com importante redução na formação das fibras de estresse. Em modelo de migração randômica de células musculares lisas, a exposição a PDI Ab reduziu a resiliência de regulação da polaridade. Embora a neutralização da pecPDI não tenha afetado a atividade global de RhoA, ela promoveu alterações no padrão de marcação em resposta ao estiramento, na redistribuição de RhoA na superfície celular e na associação com regiões contendo caveolina. Além disso, em aterosclerose nativa em humanos, a expressão da PDI correlacionou-se inversamente com remodelamento constrictivo. Dessa forma, PDI é fortemente expressa após a lesão e sua fração peri/epicelular remodela a arquitetura da matriz e citoesqueleto, promovendo um efeito anti-remodelamento constrictivo / Whole-vessel remodeling is a critical lumen caliber determinant in vascular disease, but underlying mechanisms are poorly understood. We investigated the role of endoplasmic reticulum chaperone Protein Disulfide Isomerase(PDI) and cell-surface PDI(peri/epicellular=pecPDI) pool in vascular caliber and architecture during vascular repair after injury(AI). After rabbit iliac artery balloon injury, there was marked increase in PDI mRNA and protein (25-fold vs. basal at day 14AI), with increase in both intracellular and pecPDI. Silencing PDI by siRNA (organ culture) induced ER stress augmentation and apoptosis, contrarily to pecPDI neutralization with PDI-antibody(PDI Ab). PecPDI neutralization in vivo with PDIAb-containing perivascular gel from days 12-14AI promoted ca.25% decrease in vascular caliber at arteriography and similar decreases in total vessel circumference at optical coherence tomography, without changing neointima, indicating increased constrictive remodeling. PecPDI neutralization promoted marked changes in collagen and cytoskeleton architecture, with inverted fiber orientation and disorganization. Decreased ROS and nitrogen oxide production also occurred. Viscoelastic artery properties assessment showed decreased ductility, evidenced by decreased distance to rupture. Subcellular cytoskeletal disruption by PDI Ab was recapitulated in vascular smooth muscle cell stretch model, with marked decrease in stress fiber buildup. Also, PDI Ab incubation promoted decreased regulation resilience of vascular smooth muscle migration properties. While pecPDI neutralization did not affect global RhoA activity, there was altered RhoA redistribution to the cell surface and association with caveolin-containing clusters, which mislocalized after stretch. In human coronary atheromas, PDI expression inversely correlated with constrictive remodeling. Thus, strongly-expressed PDI after injury reshapes matrix and cytoskeleton architecture to support an anticonstrictive remodeling effect

L'athérosclérose est la principale cause de maladies coronariennes, affectant les artères de grand et moyen calibre. C'est une maladie inflammatoire chronique caractérisée par des plaques situées dans la couche de l’intima, composées de cellules inflammatoires, de cellules musculaires lisses, de composants fibreux et de lipides. Qu'il provienne de source alimentaire ou hépatique, le cholestérol qui s'accumule dans les macrophages des tissus périphériques, comme la paroi artérielle, engendre une réaction inflammatoire et doit être conséquemment mobilisé à l'aide d’accepteurs de cholestérol comme les lipoprotéines de haute densité (HDL). Ce processus spécifique est appelé transport inverse du cholestérol (mRCT). Des études ont démontré que l'apolipoprotéine A-I (apoA-I) pourrait être un acteur clé dans la régulation du mRCT, exerçant des effets différents de ceux du HDL. Plus important encore, le système lymphatique a récemment été identifié comme un nouvel acteur essentiel dans l'élimination du cholestérol de la lésion athérosclérotique (Martel et al., JCI 2013). Il a été démontré que sans vaisseaux lymphatiques fonctionnels, la mobilisation du cholestérol hors de la plaque ne peut pas être réalisée correctement et aggrave la maladie. Le réseau lymphatique est parallèle au système sanguin et il est présent dans presque tous les tissus du corps. C'est un acteur essentiel dans le maintien de l'homéostase des fluides, dans le transport des cellules immunitaires de la périphérie vers les ganglions lymphatiques correspondants, ainsi que dans l’absorption des lipides alimentaires de l'intestin vers la circulation sanguine. Le système lymphatique comprend les vaisseaux lymphatiques (LVs) initiaux et collecteurs, ainsi que les ganglions lymphatiques, qui ont une anatomie spécifique et des rôles distincts. La lymphe, le liquide clair qui circule dans les LVs, se jette dans la circulation sanguine au niveau de la veine sous-clavière. Les plaquettes sont responsables de la régulation de cette séparation des vaisseaux sanguins et lymphatiques via la formation d’un thrombus formé lors de l’interaction de leur récepteur CLEC-2 avec la podoplanine présente sur les cellules endothéliales lymphatiques. Il a également été démontré que l’activité plaquettaire était nécessaire tout au long de la vie pour maintenir l’intégrité des jonctions des LVs. L'athérosclérose est également caractérisée par une activation cellulaire et une apoptose accrue. Par conséquent, ces activités cellulaires peuvent entraîner la formation de particules submicroniques appelées vésicules extracellulaires qui ont des effets variables, mais souvent néfastes, sur l'endothélium sanguin et l'évolution de la plaque. La maladie cardiovasculaire a été associée à une augmentation du nombre des vésicules extracellulaires (EVs) en circulation, et nous croyons que ces véhicules pourraient être impliqués dans le dysfonctionnement lymphatique lié à l'athérosclérose. D'après des données récentes publiées au cours de ma maîtrise, l'amélioration du transport lymphatique pourrait limiter la progression de l'athérosclérose et favoriser la régression de la plaque. Nous avons montré que le transport lymphatique est altéré chez les jeunes souris prédisposés à développer l'athérosclérose, même avant l'apparition de la plaque. Nous avons prouvé que cet effet est d’abord associé à un défaut au niveau des vaisseaux collecteurs et nous suggérons que l'amélioration de la liaison du VEGF-C/ VEGFR3 puisse supprimer ce défaut spécifique. L'objectif global de cette thèse était de poursuivre dans cette voie et de mieux définir le rôle de l’important facteur de croissance lymphatique, VEGF-C, et de la lipoprotéine apoA-I dans la maintenance de l’intégrité et la fonction des vaisseaux lymphatiques. En outre, une meilleure description des composants de la lymphe, en particulier des agents libérés par les cellules, a été jugée nécessaire. La première publication nous a permis de montrer que, lorsqu'elles étaient injectées avec un mutant du facteur de croissance VEGF-C ciblant spécifiquement le récepteur VEGFR-3 (VEGF-C 152s), avant l'administration d'une diète pro-athérogène, les souris Ldlr-/- étaient protégées contre l’accumulation excessive dans la plaque et celle-ci était plus stable à long terme. La capacité de contraction soutenue des vaisseaux lymphatiques collecteurs et l'expression accrue de VEGFR-3 et de FOXC2 observée chez ces souris traitées avec VEGF-C-152s ont contribué à la clairance des composants nocifs contenus dans les tissus périphériques tels que les macrophages et le cholestérol. La deuxième publication a montré que des souris Ldlr-/- athérosclérotiques traitées à faible dose avec de l’apoA-I, présentaient un transport lymphatique accru et une hyperperméabilité des vaisseaux lymphatiques collecteurs abrogée, possiblement par une modulation de l’activité plaquettaire. La troisième publication est la première à démontrer la présence de vésicules extracellulaires d'origines hétérogènes dans la lymphe des souris et que le nombre de différents sous-types augmente chez les souris athérosclérotiques. Collectivement, ces études confirment la présence d'un dysfonctionnement lymphatique chez la souris avant même l'apparition de la plaque, et il est intéressant de noter que ce dysfonctionnement est principalement associé à un défaut des vaisseaux lymphatiques collecteurs, limitant ainsi le transport de la lymphe des tissus périphériques vers le sang. Différents traitements avec des facteurs de croissance et des lipoprotéines peuvent potentiellement moduler l’apparition et la progression de la lésion en améliorant la fonction lymphatique à différents stades de la maladie athérosclérotique. Nos découvertes concernant la présence de EVs dans la lymphe représentent leur potentiel en tant que biomarqueurs, mais également une nouvelle cible pour mieux comprendre la dysfonction lymphatique. / Atherosclerosis is the principal cause of coronary artery disease (CAD), affecting large- and medium-sized arteries. It is a chronic inflammatory disease characterized by intimal plaques composed of inflammatory cells, smooth muscle cells, fibrous components and lipids. Cholesterol that accumulates within macrophages in peripheral tissues, like the arterial wall, whether from dietary or synthetic sources, promotes inflammatory responses and needs to be excreted with the help of the cholesterol acceptor high density lipoprotein (HDL). This specific process is termed macrophage reverse cholesterol transport (mRCT) and studies have demonstrated that lipid free apolipoprotein A-I (apoA-I) could be a key player in mRCT regulation, exuding different effects than HDL. More importantly, recently, the lymphatic system has been identified as a novel prerequisite player in the removal of cholesterol out of the atherosclerotic lesion (Martel et al., JCI 2013). It has been demonstrated that without functioning lymphatic vessels cholesterol mobilization from the plaque cannot be properly achieved and aggravates the disease. The lymphatic network runs in parallel to the blood vasculature and is present in almost all the tissues of the body. It is a crucial player in maintaining fluid homeostasis, trafficking immune cells from the periphery to corresponding lymph nodes, as well as transporting lipids from the intestine to the circulation. The lymphatic system comprises the initial and collecting lymphatic vessels (LVs), as well as lymph nodes, all with a specific anatomy and distinctive roles. Lymph, the clear fluid that circulates within LVs drains towards the bloodstream at the level of the subclavian vein. Platelets are responsible to regulate this blood/lymphatic vessel separation by forming a clog, upon the interaction of their C-type lectin-like receptor 2 (CLEC-2) with podoplanin, present on lymphatic endothelial cells. Platelet activity has also been shown to be required throughout life in order to maintain LV junction integrity. Atherosclerosis is also characterized by increased cellular activation and apoptosis. Consequently, these cellular activities may result in the formation of submicron particles called extracellular vesicles (EVs) that have variable effects on the blood endothelium and subsequent plaque evolution. CAD has been associated with increased circulating EVs, and we suspect that these EVs might be involved in atherosclerosis-related lymphatic dysfunction. Based on recent data collected during my master’s degree, there is evidence that enhancing lymphatic transport could limit atherosclerosis progression and favour plaque regression. We showed that lymphatic transport is impaired in young, atherosclerosis-prone mice, even before atherosclerosis onset. We believe it to be potentially associated with a defect in the lymphatic pumping capacity, and we suggest that enhancing VEGF-C/VEGFR-3 binding can abolish this specific defect. The global objective of this thesis was to pursue along this path and better delineate the role of the important lymphatic-specific growth factor, VEGF-C and the lipoprotein apoA-I, on collecting LVs function. Furthermore, a better understanding of lymph components, especially cellular releasants was deemed necessary. The first publication allowed us to show that when injected with VEGF-C 152s, before the administration of a pro-atherogenic regimen, Ldlr-/- mice were protected from excessive plaque formation and long-term, had a more stable plaque. The sustained contraction capacity of the collecting lymphatic vessels and the enhanced expression of VEGFR-3 and FOXC2 observed in these VEGF-C-152s treated mice contributed to the clearance of harmful components contained in peripheral tissues such as the macrophages and cholesterol. The second publication showed that atherosclerotic Ldlr-/- mice treated with low-dose lipid-free apoA-I had enhanced lymphatic transport and abrogated collecting LV permeability possibly through modulation of platelet activity. The third publication is the first ever to demonstrate the presence of extracellular vesicles of heterogeneous origins in the lymph of mice, and that their levels differ in atherosclerosis. Collectively, these studies confirm that lymphatic dysfunction is present before the onset of atherosclerosis, and particularly of interest, that this dysfunction is primarily associated with a defect in the collecting vessels, thereby limiting the lymph transport from peripheral tissues to the blood. Different treatments with growth factors and lipoproteins have the potential to modulate the lesion onset and progression through the enhancement of lymphatic function, while our findings regarding the presence of EVs in lymph represents their potential as biomarkers, but also a new venue to better understand lymphatic dysfunction.

Cardiovascular diseases are a broad group of diseases, such as heart attack and heart failureaffecting the cardiovascular system. The primary cause of cardiovascular diseases isatherosclerosis, and its progression is brought about by oxidative stress and a complex chronicinflammation reaction cascade. Of central importance are proinflammatory cytokines, regulatedby multiple factors, including interleukin (IL) 17A. This project aims to investigate the effectof IL-17A on the inflammatory response of human vascular endothelial cells by quantifyingchemokine C-X-C motif ligand-1 (CXCL1) release when exposed or not to otherproinflammatory mediators such as TNF-𝛼, IL-6 and IL-1β. To investigate this, humanumbilical cord endothelial cells were cultured and then stimulated with IL-17A alone or incombination with other cytokines, namely IL-6/sIL6R, IL-1β, or TNF-𝛼. After an appropriateincubation time following the stimulations, the supernatants of the cells were collected, and theamount of CXCL1 was analysed with ELISA or qPCR, respectively. At a lower concentration(10ng/ml), IL-17A failed to induce a significant level of CXCL1 release from endothelial cells.However, IL-17A + TNF-𝛼 (5ng/ml) greatly enhanced, higher than inductions from individualtreatments combined, level of CXCL1 release from endothelial cells. Furthermore, combiningIL-17A with IL-1β or IL-6 induced non-abundant and abundant upregulation in CXCL1 release,respectively. On transcription level, the amount of CXCL1 mRNA induced by IL-17A alonewas non-significant, but stimulation with TNF-𝛼 and IL-17A + TNF-𝛼 induced significantlyupregulated expression of CXCL1. In conclusion, we found that IL-17A induced synergeticrelease of CXCL1 in human vascular endothelial cells with TNF-𝛼. In addition, the synergisticimpact of IL-17A and TNF-𝛼 in terms of CXCL1 induction in vascular endothelial cells wasevident on a transcriptional level. Our data imply that combined blockage of IL-17A and TNF-𝛼 could have an enhanced therapeutic effect on vascular inflammation.

Typ 2-cytokiner, IL-4 och IL-13 är kända för att spela en viktig roll i airway hyperresponsiveness (AHR) eller luftvägshyperreaktivitet, där de glatta muskelcellerna (ASM) drar ihop sig för lätt och för mycket som svar på direkta eller indirekta stimuli. Detta gör AHR till en avgörande egenskap hos astmatiker. Det har gjorts studier som har visat involvering av typ 2-cytokiner i AHR, men deras specifika inflammatoriska mekanismer är ännu outforskade. Denna experimentella studie på glatta muskelceller från luftvägarna (ASM) syftade till att undersöka involveringen av typ 2-cytokin inducerad kontraktilitet genom att fokusera på receptoraktivering, receptoruttryck samt ge insikter om frisättning av proteiner relaterade till luftvägsfibros, så kallad remodelling. Dessutom studerar den också effekten av IL- 4/IL-13 receptor antagonisten Dupilumab (anti-IL4Ra) på cytokinbehandlade HASM. Efter stimulering av HASM med IL-13 under 24 timmar visade resultaten att IL-13 orsakar en ospecifik, icke-receptormedierad ökning av intracellulärt kalciumflöde som svar på kalciumjonoforen A23187. Detta skulle potentiellt kunna öka kontraktiliteten hos glatta muskelceller som svar på flera olika kontraktila stimuli. Denna forskning ger också preliminära resultat som tyder på att IL-13 och IL-4 också ökar kalciumflödet som svar på aktivering av receptorer för specifika kontraktila mediatorer (Histamin, Carbachol, Leukotriene D4 och Substance P), och att effekten förmedlas via IL-4/IL-13-receptorn vilket blockeras med dupilumab som verkade minska effekten. Närvaron av fler receptorer för kontraktila mediatorer kan också öka kontraktiliteten hos glatta muskelceller som svar på IL-4 och IL-13. Återigen sågs ökat uttryck av receptorer för kontraktila stimuli efter behandling med cytokinerna som inhiberades av dupilumab. Dessutom undersökte vi effekten av IL-13 och IL-4 på frisättning av prokollagen 1 (en prekursor för mogna kollagena former) från mänskliga glatta muskelceller i luftvägarna. Våra resultat visade inte några signifikanta effekter på frisättningen av just detta kollagenprotein. Sammantaget visar vi att typ 2 cytokiner kan på flera olika sätt öka kontraktiliteten av glatta muskelceller vilket ökar vår kunskap om mekanismerna som orsakar luftvägshyperreaktivitet hos astmatiker. / Type 2 cytokines, IL-4 and IL-13 are known to play an essential role in airway hyperresponsiveness (AHR) - in response to direct or indirect stimulus the smooth muscle cells (ASM) contract too easily and too heavily. This makes AHR a defining feature of asthma. There have been studies that have demonstrated involvement of type 2 cytokines in AHR. However, the specific mechanisms involved remain undefined. This experimental study in airway smooth muscle (ASM) was aimed to investigate the involvement of type 2 cytokine on AHR by focusing on the expression and activation of receptors for contractile mediators as well as provide insights on the release of proteins related to airway remodelling. Experiments were performed where human airway smooth muscle cells were treated with IL-4 and/or IL-13, with or without Dupilumab, an antagonist of the joint IL-4/IL-13 receptor (anti-IL4Ra). After stimulating HASMs with IL-13 for 24 hours, results showed that IL-13 caused a non-specific, non-receptor-mediated increase in intracellular calcium flux in response to the calcium ionophore A23187. This could potentially increase the contractility of smooth muscle cells in response to any contractile stimulus. This study also suggests that IL-13 and IL-4 increased calcium flux in response to activation of receptors for specific contractile mediators (Histamine, Carbachol, Leukotriene D4 and Substance P). The mechanism involved likely involves the common IL-4/IL-13 receptor as blocking this with dupilumab seemed to reduce the effect. The presence of more receptors for contractile mediators could also increase contractility of smooth muscle cells in response to IL-4 and IL-13. Preliminary results show that mRNA expression of receptors for Histamine (H1) and LTD4 (CYSLT1) were upregulated by type 2 cytokines and again, this upregulation appeared to be inhibited by dupilumab. Moreover, we examined the effect of IL-13 and IL-4 on release of procollagen 1 (a precursor of mature collagen forms) from human airway smooth muscle cells. Our results did not show any significant effects on the release of this particular collagen protein. Taken together these findings increase our understanding of the mechanisms whereby type 2 cytokines may increase the contractility of airway smooth muscle and provide a basis for follow-up investigations. Improved knowledge of the mechanisms underlying AHR could ultimately lead to improved treatment of asthma.

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Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal. / L'anion superoxyde peut agir comme une molécule de signalisation ou comme un facteur préjudiciable selon sa concentration, l'organe cible, et selon la présence ou non d'antioxydants neutralisants. Actuellement, dans les cellules musculaires lisses (CMLs) vasculaires, les effets de l'anion superoxyde sur les différentes voies de transduction du signal et sur les interactions croisées entre ces voies ne sont pas encore définies. Par conséquent, une meilleure connaissance des effets de l'anion superoxyde sur les différentes voies de signalisation pourrait fournir une meilleure compréhension des mécanismes sous-jacents aux fonctions altérées des CMLs vasculaires observées dans des conditions pathologiques. L'objectif général de cette étude était de caractériser et d'évaluer le rôle modulateur de l'anion superoxyde, produit par la réaction de l'hypoxanthine avec la xanthine oxidase, sur les activités de différentes voies de signalisation dans les CMLs vasculaires, et de déterminer si la sensibilité de différentes voies de signalisation à l'anion superoxyde était altérée dans l'hypertension artérielle. Le projet de ce programme de recherche était basé sur les principaux postulats suivants : (1) l'anion superoxyde pourrait affecter sélectivement la production d'inositol 1,4,5-triphosphates (IP3), de GMPc, ou d'AMPc dans les CMLs vasculaires; (2) le rôle modulateur de l'anion superoxyde pourrait être dû à une altération des interactions croisées entre différentes voies de signalisation; et (3) les anomalies observées dans les CMLs vasculaires chez le rat spontanément hypertendu (SHR) pourraient être reliées à des altérations des différentes voies de signalisation induites par l'anion superoxyde. Une production augmentée d'1P3induite par l'anion superoxyde dans les CMLs d'aorte de rat ou d'artère mésentérique en culture a été démontrée pour la première fois dans cette étude. L'anion superoxyde a augmenté la formation d'IP3d'une manière concentration-dépendante et temps-dépendante. La superoxyde dismutase (SOD), mais non la catalase, a inhibé significativement la formation d'IP3 induite par l'anion superoxyde. L'inhibition de la phospholipase C (PLC) a aboli l'effet de l'anion superoxyde sur la formation d'1P3. La génistéine et la tyrphostine A25, deux inhibiteurs de la tyrosine kinase, ont aussi inhibé significativement la formation d'IP3induite par l'anion superoxyde. L'utilisation d'anticorps anti-PLCy a atténué significativement la formation d'1P3induite par l'anion superoxyde. De plus, le taux d'expression des protéines de la PLCy a été augmenté après l'exposition des CMLs à l'anion superoxyde. Ces observations suggèrent donc que dans les CMLs vasculaires la formation d'1P3 induite par l'anion superoxyde pourrait être en grande partie secondaire à une augmentation de l'activité de la tyrosine kinase liée aux voies de signalisation de la PLCy. En ce qui concerne la voie du GMPc, l'anion superoxyde a diminué significativement les niveaux de base de GMPc et supprimé aussi l'augmentation des niveaux de GMPc induite par des stimulateurs de la guanylyl cyclase, le nitroprussiate de sodium (NPS) ou la s-nitroso-nacétylpénicillamine (SNAP). La formation d'1P3stimulée par l'anion superoxyde a été significativement inhibée par le NPS ou la SNAP, mais potentialisée de façon importante par un inhibiteur de la guanylyl cyclase l'ODQ ou par le KT5823 (un inhibiteur de la protéine kinase dépendant du GMPc). Cependant, l'anion superoxyde n'a pas eu d'effet sur les niveaux de base d'AMPc ou sur la production d'AMPc induite par la forskoline et de plus, l'inhibition de l'adénylyl cyclase ou de la protéine kinase dépendante de l'AMPe n'a pas affecté la formation d'lP3stimulée par l'anion superoxyde. Ces données, par conséquent, suggèrent que l'inhibition de la formation de GMPc par l'anion superoxyde contribue probablement à l'activation de la formation d'1P3induite par l'anion superoxyde en atténuant le rétrocontrôle inhibiteur du GMPc sur les voies de signalisation liées à la PLC, tandis que la voie de signalisation de l'AMPc ne serait pas impliquée dans la formation d'EP3induite par l'anion superoxyde. Dans les CMLs vasculaires de rat SHR, les effets de l'anion superoxyde ont été plus puissants que dans les CMLs de rat WKY, en ce qui concerne l'augmentation de formation d'1P3, la diminution des taux de GMPc et la facilitation induite par l'anion superoxyde des interactions croisées entre les voies du GMPc et de 1'IP3. Dans les CMLs vasculaires des deux souches de rat, la formation d'IP3induite par l'anion superoxyde a été inhibée par une variété d'antioxydants, dont la N-acétylcystéine, l'acide a-lipoïque, la mélatonine et la SOD. Il apparaît donc vraisemblable que l'hypersensibilité à l'anion superoxyde des voies de 1'IP3et du GMPc puissent contribuer à l'augmentation du tonus vasculaire et de la réactivité des CMLs dans l'hypertension artérielle. Nous avons aussi investigué si l'effet de la mélatonine était dû à ses propriétés antioxydantes. Un effet inhibiteur plus important de la mélatonine sur la contraction aortique induite par la norépinéphrine (NE) a été observé chez les rats SHR en comparaison avec les rats Wistar-Kyoto (WKY). L'inhibition par la mélatonine de la formation d'IP induite par la NE a été aussi plus importante dans les CMLs aortiques de rat SHR que dans celles de rat WKY. Les effets plus puissants de la mélatonine chez le rat SHR, qui ont été aussi observés avec la SOD, mais non avec la catalase, ne sont pas dûs à l'activation des récepteurs à la mélatonine ou des récepteurs a-adrénergiques. Ces résultats indiquent que les effets anti-hypertenseurs de la mélatonine sont largement dûs à l'inactivation de l'anion superoxyde, et que les niveaux endogènes d' antioxydants ne parviennent pas à contrecarrer les niveaux accrus d'anion superoxyde produits chez le rat SHR. En conclusion, cette étude révèle une variété de nouveaux mécanismes de signalisation de l'anion superoxyde. Pour la première fois, il a été démontré que l'anion superoxyde active l'hydrolyse des phosphoinositides et augmente les taux d'IP3dans les CMLs vasculaires, principalement par la stimulation de la tyrosine kinase liée à la voie de signalisation de la PLCy. Il a aussi été observé que l'anion superoxyde réduit la formation de GMPc et supprime l'inhibition croisée de 1'1P3par le GMPc, facilitant ainsi la formation d'1P3. Les effets sélectifs de l'anion superoxyde sur les voies de 1'IP3et du GMPc, ainsi que l'existence d'une inhibition croisée de la formation d'1P3par la voie du GMPc, révèlent des mécanismes nouveaux pour expliquer le rôle modulateur de l'anion superoxyde sur les voies de signalisation dans les CMLs. Par conséquent, les effets plus puissants de l'anion superoxyde sur la signalisation de la voie de 1'IP3et de la voie du GMPc dans les CMLs vasculaires de rat SHR, effets qui ont été démontrés pour la première fois dans cette étude, pourraient être responsables des altérations des mécanismes de transduction du signal cellulaire chez le rat SHR et ainsi contribuer au développement et/ou au maintien de l'hypertension artérielle. Ces observations permettent donc d'imaginer de nouvelles orientations pour le développement de nouvelles stratégies pour la prévention ou le traitement de l'hypertension artérielle. / Superoxide anion can act as a signalling molecule or a detrimental factor depending on its concentration, the targeted organ, and the presence of counteracting antioxidants. The effects of superoxide on different signal transduction pathways and on the cross-talk interactions among these pathways in vascular smooth muscle cells (SMCs) are presently still unsettled. Therefore, a better knowledge on the effects of superoxide on different signalling pathways may provide a better understanding of the mechanisms underlying the altered functions in vascular SMCs observed in pathological conditions. The general objective of this study was to characterize and evaluate the modulating role of superoxide generated by the hypoxanthine and xanthine oxidase reaction on the activities of different signalling pathways in vascular SMCs and to investigate whether the sensitivities of different signalling pathways to superoxide were altered in hypertension. The design of the present research program was based on the following major postulates. (1) superoxide might selectively affect the generation of inositol 1,4,5-triphosphates (IP3), cGMP, or cAMP in vascular SMCs; (2) the modulating role of superoxide might be mediated by alteration in the cross-talk interactions among different signalling pathways; and (3) the abnormalities observed in vascular SMCs from spontaneously hypertensive rats (SHR) might be related to the alterations induced by superoxide on different signalling pathways. An enhanced production of 1P3induced by superoxide in cultured SMCs from rat aorta or mesenteric artery was demonstrated, for the first time, in this study. Superoxide increased 1P3 formation in a concentration- and time-dependent manner. Superoxide dismutase (SOD), but not catalase, significantly inhibited the superoxide-increased 1P3formation. The inhibition of phospholipase C (PLC) abolished the effect of superoxide on IP3formation. Genistein and tyrphostin A25, two tyrosine kinase inhibitors, also significantly inhibited the superoxideinduced IP3formation. The application of antibody against PLCI, significantly attenuated the superoxide-induced 1P3formation. Moreover, the expression level of PLC7proteins was increased after exposing SMCs to superoxide. These observations thus suggest that superoxideinduced IP3 formation may be in a great part secondary to an increase in the activity of tyrosine kinase-link PLCy signalling pathways in vascular SMCs. Concerning the cGMP pathway, superoxide significantly decreased the basal levels of cGMP and also suppressed the rise in cGMP levels induced by guanylyl cyclase stimulator sodium nitroprusside (SNP) or s-nitroso-n-acetylpenicillamine (SNAP). The superoxide-induced IP3 formation was significantly inhibited by SNP or SNAP, but markedly potentiated by a guanylyl cyclase inhibitor ODQ or KT5823 (a cGMP-dependent protein kinase inhibitor). However, superoxide had no effect on the basal levels of cAMP or the forskolin-induced cAMP production and moreover, the inhibition of adenylyl cyclase or cAMP-dependent protein kinase did not affect the superoxide-enhanced IP3formation. These data, therefore, suggest that the reduced cGMP formation by superoxide probably contributes to the superoxide induced activation of 1P3 formation by lifting the inhibitory feedback of cGMP on the PLC pathway(s), whereas, the cAMP pathway may not be involved in the superoxide-induced IP3formation. In vascular SMCs from SHR, the effects of superoxide were more potent than in SMCs from WKY, including the increase in 1P3 formation, the decrease in cGMP levels, and the superoxide-induced facilitation of the cross-talk interaction between cGMP and IP3pathways. The superoxide-induced 1P3formation was inhibited by a variety of antioxidants, including nacetylcysteine, cc-lipoic acid, melatonin and SOD, in vascular SMCs from both strains. It thus appears that the hypersensitivity of 1P3and cGMP pathways to superoxide is likely to contribute to the increased vascular tone and reactivity of SMCs in hypertension. Whether the effect of melatonin is due to its antioxidant properties was also explored. A greater inhibitory effect of melatonin on the norepinephrine (NE)-induced aortic contraction was observed in SHR than in Wistar-Kyoto rats (WKY). The inhibition of the NE-induced IP formation by melatonin was also greater in aortic SMCs from SHR than that from WKY. The enhanced effects of melatonin in SHR, which were found to be similarly enhanced with SOD but not with catalase, were not mediated by melatonin receptors or oc-adrenoceptors. These results indicate that the anti-hypertensive effects of melatonin are largely due to the scavenging of superoxide, and that the levels of endogenous antioxidants may not counteract the levels of overproduced superoxide in SHR. In conclusion, this study reveals a variety of novel signalling mechanisms for superoxide. For the first time, it was demonstrated that superoxide activates the hydrolysis of phosphoinositides and increases IP3levels in vascular SMCs mainly through the stimulation of tyrosine kinase-link PLCy signal pathway. It was also found that superoxide reduces cGMP formation and suppresses the cross-inhibition of IP3by cGMP, thus facilitating 1133formation. The selective effects of superoxide on 1133and cGMP pathways as well as the existence of a cross-inhibition of IP3formation by cGMP pathway provide novel mechanisms for the signalling role of superoxide in vascular SMCs. Therefore, the altered signalling effects of superoxide on the IP3pathway and the cGMP pathway, which were demonstrated in vascular SMCs from SHR for the first time in this study, could thus be responsible for the alterations in cellular signal transduction mechanisms in SHR and might contribute to the development and/or maintenance of hypertension. These observations could provide new avenues for the development of new strategies for the prevention or treatment of hypertension.

Les maladies cardio-vasculaires (MCV), telles que l’hypertension et l’athérosclérose, s’accompagnent de modifications structurales et fonctionnelles au niveau vasculaire. Un fonctionnement aberrant de la migration, l’hypertrophie et la prolifération des cellules musculaires lisses vasculaires (CMLV) sont des évènements cellulaires à l’origine de ces changements. L’endothéline-1 (ET-1) contribue à la pathogénèse des anomalies vasculaires, notamment via l’activation des protéines MAPK et PI3-K/PKB, des composantes clés impliquées dans les voies prolifératives et de croissance cellulaires. Il a été suggéré que le stress oxydant jouerait un rôle intermédiaire dans les effets pathophysiologiques vasculaires de l’ET-1. En conséquence, une modulation de la signalisation induite par l’ET-1 peut servir comme éventuelle stratégie thérapeutique contre le développement des MCV. Il apparaît de nos jours un regain d’intérêt dans l’utilisation des agents phyto-chimiques pour traiter plusieurs maladies. La curcumine, constituant essentiel de l’épice curcuma, est dotée de plusieurs propriétés biologiques parmi lesquelles des propriétés anti-oxydantes, anti-prolifératrices et cardio-protectrices. Cependant, les mécanismes moléculaires de son effet cardio-protecteur demeurent obscurs. Dans cette optique, l’objectif de cette étude a été d’examiner l’efficacité de la curcumine à inhiber la signalisation induite par l’ET-1 dans les CMLV. La curcumine a inhibé la phosphorylation des protéines IGF-1R, PKB, c-Raf et ERK1/2, induite par l’ET-1 et l’IGF-1. De plus, la curcumine a inhibé l’expression du facteur de transcription Egr-1 induite par l’ET-1 et l’IGF-1, dans les CMLV. Ces résultats suggèrent que la capacité de la curcumine à atténuer ces voies de signalisation serait un mécanisme d’action potentiel de ses effets protecteurs au niveau cardiovasculaire. / Cardiovascular diseases (CVDs), including hypertension and atherosclerosis, are associated with vascular functional and structural changes. Some of the cellular events underlying these processes include aberrant vascular smooth muscle cell (VSMC) proliferation, hypertrophy and migration. Endothelin-1 (ET-1) has been implicated in the pathogenesis of vascular abnormalities through the hyperactivation of key components of growth promoting and proliferative signaling pathways, including MAPKs and PI3-K/PKB. Vascular oxidative stress has also been suggested to play an intermediary role in mediating ET-1-induced pathophysiological effects. Interference with ET-1-induced signaling may therefore serve as a potential therapeutic strategy against the progression of cardiovascular disorders. There is presently a surge of interest in the use of plant-derived phytochemicals for the treatment of various diseases. Curcumin, the main constituent of the spice turmeric, exhibits multiple biological properties, amongst them, antioxidant, anti-proliferative and cardioprotective properties. However, the molecular mechanisms of its cardiovascular protective action remain obscure. Therefore, in the present studies, we investigated the effectiveness of curcumin to inhibit ET-1-induced signaling events in VSMC. Curcumin inhibited ET-1-induced as well as IGF-1-induced phosphorylation of IGF-1R, PKB, c-Raf and ERK1/2, in VSMC. Furthermore, curcumin inhibited the expression of transcription factor early growth response-1 (Egr-1) induced by ET-1 and IGF-1, in VSMC. In summary, these results demonstrate that curcumin is a potent inhibitor of ET-1 and IGF-1-induced mitogenic and proliferative signaling events in VSMC, suggesting that the ability of curcumin to attenuate these effects may contribute as potential mechanism for its cardiovascular protective response.