Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L’hypertension systolique isolée (HSI) est le résultat de changements au niveau de la paroi vasculaire qui ont pour conséquence d’augmenter la rigidité artérielle. Ces modifications surviennent surtout au niveau des grosses artères comme l’aorte et sont associées au vieillissement. La fragmentation des fibres élastiques, leur calcification (élastocalcinose) et la fibrose font partie des changements majeurs observés avec l’âge. En plus de ces changements, le vieillissement vasculaire provoque des modifications au niveau des cellules qui composent la paroi. Les cellules endothéliales sécrètent moins de monoxyde d’azote (NO) provoquant une dysfonction endothéliale et les cellules musculaires lisses vasculaires (CMLVs) synthétisent maintenant des protéines matricielles et osseuses. Situé entre le sang et les CMLVs, l’endothélium contrôle le tonus vasculaire par la sécrétion de plusieurs substances vasoactives qui interagissent entre elles afin de maintenir l’homéostasie du système vasculaire. Parmi celles-ci, on note l’endothéline (ET), un puissant vasoconstricteur et le NO, un gaz vasorelaxants. Ce dernier est aussi reconnu pour bloquer la production d’ET par un mécanisme dépendant du guanosine monophosphate cyclique (GMPc). Comme il y a une interaction entre le NO et l’ET, et que cette dernière est impliquée dans la calcification artérielle, le NO pourrait être impliqué dans la modulation de l’élastocalcinose et de la rigidité artérielle par l’inhibition de l’ET et la modification de la composition de la paroi. Cet effet, qui se produirait au delà des effets vasorelaxants du NO, offre un potentiel thérapeutique intéressant pour l’HSI. Afin d’évaluer l’implication du NO dans la calcification vasculaire et la rigidité artérielle, un modèle animal d’HSI a été utilisé (modèle warfarine vitamine K, WVK). Ce modèle d’élastocalcinose est basé sur l’inhibition de la maturation d’une protéine anti-calcifiante, la matrix Gla protein (MGP), par la warfarine. Afin de déterminer l’implication physiologique du NO dans l’initiation et la progression de l’élastocalcinose, sa production a été inhibée par un analogue de la L-arginine, le L-NG-nitroarginine methyl ester (L-NAME). Lors des processus d’initiation de la calcification, le L-NAME a prévenu l’élastocalcinose sans toutefois modifier la vitesse de l’onde de pouls (PWV). Suite au traitement L-NAME, l’expression de la NO synthase inductible (iNOS) a été diminuée alors qu’elle a été augmentée lors du traitement WVK. Elle pourrait donc être impliquée dans les processus de calcification vasculaire. De plus, la NO synthase endothéliale (eNOS) semble également impliquée puisqu’elle a été augmentée dans le modèle WVK. Cette hausse pourrait être bénéfique pour limiter l’élastocalcinose alors que l’expression de la iNOS serait délétère. Lors de la progression de la calcification, le L-NAME a augmenté l’élastocalcinose et le PWV. Dans ce contexte, l’ET serait impliquée dans l’amplification de la calcification vasculaire entrainant une hausse de la rigidité artérielle. Comme le NO endogène limite la progression de la calcification et conséquemment la rigidité artérielle, il semble être protecteur. L’efficacité d’une modulation de la voie du NO dans le modèle WVK a été étudiée par l’administration d’un donneur de NO, le sinitrodil, ou d’un inhibiteur de la phosphosdiestérase 5 (PDE5), le tadalafil. La modulation de la voie du NO semble être bénéfique sur la rigidité artérielle, mais seulement de façon aiguë. En effet, le sinitrodil a modifié de transitoirement la rigidité au niveau de l’aorte possiblement par la modulation du tonus vasculaire sans toutefois avoir des effets sur la composition de la paroi. Comme le modèle WVK n’affecte pas la fonction endothéliale, les concentrations endogènes de NO semblent être optimales puisque le sinitrodil provoque une augmentation de l’élastocalcinose possiblement par le développement d’une tolérance. Tout comme le sinitrodil, le tadalafil a modulé de manière aiguë la rigidité artérielle sans modifier la composition de la paroi. Globalement, ces travaux ont permis de mettre en évidence les effets bénéfiques du NO endogène pour limiter le développement de l’HSI, suggérant qu’une dysfonction endothéliale, tel qu’observé lors du vieillissement, a un impact négatif sur la maladie. / Isolated systolic hypertension (ISH) is the result of complex changes in the vascular wall and consequently the increase of arterial stiffness. These modifications occur mainly in conductance arteries, like the aorta, and are associated with aging. The fragmentation of elastic fibers, calcification (elastocalcinosis), and fibrosis are major changes with age. In addition to these changes in the extracellular matrix, vascular aging also induces vascular cell wall modifications. These include decreased production of nitric oxide (NO) by endothelial cells, which induces endothelial dysfunction, and the production of matrix and bone proteins by vascular smooth muscle cells (VSMCs). Located between the blood and VSMCs, the endothelium controls vascular tone by secreting various vasoactive factors. These factors interact with each other to maintain the hemodynamic of the vascular system. Among these factors, the vasoconstrictor endothelin (ET) and the vasodilator NO. The latter has been shown to block ET production via a cyclic guanosine monophosphates-(cGMP) dependent mechanism, whereas ET has been implicated in arterial calcification. Therefore, NO might be involved in the modulation of elastocalcinosis and arterial stiffness by inhibiting ET and modifying the vascular wall composition. This effect of NO could offer interesting therapeutic potential for ISH. To evaluate the implication of NO in the vascular calcification and arterial stiffness, an animal model of ISH was used. This model of elastocalcinosis is based on the inhibition of the maturation of the anti-calcific protein, matrix Gla protein (MGP), by warfarin (WVK model). To gain insight into the physiological role of endogenous NO in the initiation and progression of elastocalcinosis, its production was inhibited by the administration of L-NAME. Interestingly, elastocalcinosis was prevented by L-NG-nitroarginine methyl ester (L-NAME) administration without any modifications of the pulse wave velocity (PWV) during the initiation of the calcification processes. After the L-NAME treatment, the expression of inducible NO synthase (iNOS) was decreased, whereas upon treatment with warfarin alone the expression of iNOS was increased, which could be implicated in vascular calcification and arterial stiffness. In addition, endothelial NO synthase (eNOS) seems to be implicated in this process as its expression was also increased upon WVK treatment. This increase could be beneficial to limit elastocalcinosis, whereas the increase in iNOS expression could be harmful. L-NAME administration during the progression of calcification increased elastocalcinosis and PWV. In an endothelial dysfunction context, ET has been shown to be involved in the amplification process of vascular calcification causing an increase in arterial stiffness. As NO limits the progression of calcification and consequently arterial stiffness, endogenous NO seems to be protective in the aorta. The efficacy of exogenous modulation of the NO pathway in the WVK model was studied upon administration of the NO donor, sinitrodil, or the phosphodiesterase type 5 inhibitor (PDE5), tadalafil. The exogenous modulation of the NO pathway seemed to be beneficial for arterial stiffness, but only in an acute manner. Indeed, sinitrodil modified the acute stiffness in the aorta potentially by vascular tone modulation, without having any effect on vascular wall composition. Since endothelial function was not affected upon WVK model, endogenous NO concentrations seem to be optimal. Thus, exogenous NO potentially caused an increase of elastocalcinosis by inducing tolerance to NO. As well as sinitrodil, tadalafil modulated the arterial stiffness in an acute manner without modifying the composition of the vascular wall. Broadly, these studies provide evidence that endogenous NO can limit ISH development, suggesting that endothelial dysfunction, as observed in aging, has a negative impact on this pathology.

La paroi vasculaire est composée de cellules endothéliales, de cellules musculaires lisses vasculaires et de fibroblastes qui sont entourés d’un réseau structuré et complexe de protéines, la matrice extracellulaire. Les interactions réciproques entre la matrice et les cellules sont nécessaires à la croissance, au développement et au remodelage. Or, différents contextes pathologiques entraînent la perturbation de ces interactions et sont la cause de différentes maladies. Au cours du vieillissement, la matrice extracellulaire des grosses artères élastiques est modifiée. Ainsi, les lamelles élastiques de la paroi vasculaire se fragmentent ou sont dégradées, en plus de calcifier. De même, l’accumulation de protéines plus rigides, comme le collagène, entraîne le développement de la fibrose. Ces modulations vont mener à l’augmentation de la rigidité artérielle et au développement de l’hypertension systolique isolée. En utilisant un modèle animal de calcification basé sur l’inhibition d’une protéine anti-calcifiante, la matrix Gla protein, avec la warfarine, nous avons étudié la séquence des événements impliqués dans le développement de l’hypertension systolique isolée. Nous avons observé l’activation précoce et transitoire de MMP-9, puis du TGF-ß, précédant la modulation phénotypique des cellules musculaires lisses vasculaires, la calcification et les changements hémodynamiques. L’inhibition des métalloprotéinases et du TGF-ß a permis de prévenir la calcification vasculaire. Nous avons également étudié le rôle joué par une enzyme de la matrice extracellulaire, la transglutaminase 2, dans le développement de la calcification associée à l’hypertension systolique isolée. À l’aide d’un nouvel inhibiteur de cette enzyme, qui a permis de prévenir la calcification, nous avons établi que la transglutaminase était un élément clé dans le processus pathologique. Ces travaux ont permis de démontré l’intérêt de nouvelles avenues thérapeutiques ciblant directement la matrice extracellulaire, particulièrement la MMP-9, le TGF-ß et la transglutaminase 2, dans la pathologie de l’hypertension systolique isolée. / Within the vascular wall, endothelial cells, vascular smooth muscle cells and fibroblasts are surrounded by a complex and structured network of secreted macromolecules and proteins, the extracellular matrix. Reciprocal interactions between matrix and cells are essential to growth, development and remodeling. However, in pathological situations, the alteration of these interactions can lead to the development of different disease states. With aging, the extracellular matrix of large elastic arteries undergoes several modifications. The elastic lamellae are fragmented or degraded and calcify, whereas more rigid proteins, such as collagen, accumulate and cause fibrosis. These alterations are associated with the stiffening of arteries, which results in the development of isolated systolic hypertension. In order to study the sequence of events occuring in the development of this pathology, we used an animal model of calcification based on the inhibition of a matrix Gla protein, which physiologically prevents calcification, with warfarin. We observed an acute and transient activation of MMP-9 and TGF-ß, which preceded the phenotypic modulation of vascular smooth muscle cells, calcification and changes to hemodynamic parameters. Moreover, the inhibition of MMPs and TGF-ß prevented vascular calcification. We also studied the role of an extracellular matrix enzyme, transglutaminase 2, in the development of vascular calcification associated with isolated systolic hypertension. Using a novel inhibitor of this enzyme, we established a key role for transglutaminase 2 in this pathological process. This thesis demonstrates the relevance of directly targeting the extracellular matrix, particularly MMP-9, TGF-ß and transglutaminase 2, as a novel therapeutic avenue in the treatment of isolated systolic hypertension.

L’hypertension systolique isolée (HSI) est le résultat de changements au niveau de la paroi vasculaire qui ont pour conséquence d’augmenter la rigidité artérielle. Ces modifications surviennent surtout au niveau des grosses artères comme l’aorte et sont associées au vieillissement. La fragmentation des fibres élastiques, leur calcification (élastocalcinose) et la fibrose font partie des changements majeurs observés avec l’âge. En plus de ces changements, le vieillissement vasculaire provoque des modifications au niveau des cellules qui composent la paroi. Les cellules endothéliales sécrètent moins de monoxyde d’azote (NO) provoquant une dysfonction endothéliale et les cellules musculaires lisses vasculaires (CMLVs) synthétisent maintenant des protéines matricielles et osseuses. Situé entre le sang et les CMLVs, l’endothélium contrôle le tonus vasculaire par la sécrétion de plusieurs substances vasoactives qui interagissent entre elles afin de maintenir l’homéostasie du système vasculaire. Parmi celles-ci, on note l’endothéline (ET), un puissant vasoconstricteur et le NO, un gaz vasorelaxants. Ce dernier est aussi reconnu pour bloquer la production d’ET par un mécanisme dépendant du guanosine monophosphate cyclique (GMPc). Comme il y a une interaction entre le NO et l’ET, et que cette dernière est impliquée dans la calcification artérielle, le NO pourrait être impliqué dans la modulation de l’élastocalcinose et de la rigidité artérielle par l’inhibition de l’ET et la modification de la composition de la paroi. Cet effet, qui se produirait au delà des effets vasorelaxants du NO, offre un potentiel thérapeutique intéressant pour l’HSI. Afin d’évaluer l’implication du NO dans la calcification vasculaire et la rigidité artérielle, un modèle animal d’HSI a été utilisé (modèle warfarine vitamine K, WVK). Ce modèle d’élastocalcinose est basé sur l’inhibition de la maturation d’une protéine anti-calcifiante, la matrix Gla protein (MGP), par la warfarine. Afin de déterminer l’implication physiologique du NO dans l’initiation et la progression de l’élastocalcinose, sa production a été inhibée par un analogue de la L-arginine, le L-NG-nitroarginine methyl ester (L-NAME). Lors des processus d’initiation de la calcification, le L-NAME a prévenu l’élastocalcinose sans toutefois modifier la vitesse de l’onde de pouls (PWV). Suite au traitement L-NAME, l’expression de la NO synthase inductible (iNOS) a été diminuée alors qu’elle a été augmentée lors du traitement WVK. Elle pourrait donc être impliquée dans les processus de calcification vasculaire. De plus, la NO synthase endothéliale (eNOS) semble également impliquée puisqu’elle a été augmentée dans le modèle WVK. Cette hausse pourrait être bénéfique pour limiter l’élastocalcinose alors que l’expression de la iNOS serait délétère. Lors de la progression de la calcification, le L-NAME a augmenté l’élastocalcinose et le PWV. Dans ce contexte, l’ET serait impliquée dans l’amplification de la calcification vasculaire entrainant une hausse de la rigidité artérielle. Comme le NO endogène limite la progression de la calcification et conséquemment la rigidité artérielle, il semble être protecteur. L’efficacité d’une modulation de la voie du NO dans le modèle WVK a été étudiée par l’administration d’un donneur de NO, le sinitrodil, ou d’un inhibiteur de la phosphosdiestérase 5 (PDE5), le tadalafil. La modulation de la voie du NO semble être bénéfique sur la rigidité artérielle, mais seulement de façon aiguë. En effet, le sinitrodil a modifié de transitoirement la rigidité au niveau de l’aorte possiblement par la modulation du tonus vasculaire sans toutefois avoir des effets sur la composition de la paroi. Comme le modèle WVK n’affecte pas la fonction endothéliale, les concentrations endogènes de NO semblent être optimales puisque le sinitrodil provoque une augmentation de l’élastocalcinose possiblement par le développement d’une tolérance. Tout comme le sinitrodil, le tadalafil a modulé de manière aiguë la rigidité artérielle sans modifier la composition de la paroi. Globalement, ces travaux ont permis de mettre en évidence les effets bénéfiques du NO endogène pour limiter le développement de l’HSI, suggérant qu’une dysfonction endothéliale, tel qu’observé lors du vieillissement, a un impact négatif sur la maladie. / Isolated systolic hypertension (ISH) is the result of complex changes in the vascular wall and consequently the increase of arterial stiffness. These modifications occur mainly in conductance arteries, like the aorta, and are associated with aging. The fragmentation of elastic fibers, calcification (elastocalcinosis), and fibrosis are major changes with age. In addition to these changes in the extracellular matrix, vascular aging also induces vascular cell wall modifications. These include decreased production of nitric oxide (NO) by endothelial cells, which induces endothelial dysfunction, and the production of matrix and bone proteins by vascular smooth muscle cells (VSMCs). Located between the blood and VSMCs, the endothelium controls vascular tone by secreting various vasoactive factors. These factors interact with each other to maintain the hemodynamic of the vascular system. Among these factors, the vasoconstrictor endothelin (ET) and the vasodilator NO. The latter has been shown to block ET production via a cyclic guanosine monophosphates-(cGMP) dependent mechanism, whereas ET has been implicated in arterial calcification. Therefore, NO might be involved in the modulation of elastocalcinosis and arterial stiffness by inhibiting ET and modifying the vascular wall composition. This effect of NO could offer interesting therapeutic potential for ISH. To evaluate the implication of NO in the vascular calcification and arterial stiffness, an animal model of ISH was used. This model of elastocalcinosis is based on the inhibition of the maturation of the anti-calcific protein, matrix Gla protein (MGP), by warfarin (WVK model). To gain insight into the physiological role of endogenous NO in the initiation and progression of elastocalcinosis, its production was inhibited by the administration of L-NAME. Interestingly, elastocalcinosis was prevented by L-NG-nitroarginine methyl ester (L-NAME) administration without any modifications of the pulse wave velocity (PWV) during the initiation of the calcification processes. After the L-NAME treatment, the expression of inducible NO synthase (iNOS) was decreased, whereas upon treatment with warfarin alone the expression of iNOS was increased, which could be implicated in vascular calcification and arterial stiffness. In addition, endothelial NO synthase (eNOS) seems to be implicated in this process as its expression was also increased upon WVK treatment. This increase could be beneficial to limit elastocalcinosis, whereas the increase in iNOS expression could be harmful. L-NAME administration during the progression of calcification increased elastocalcinosis and PWV. In an endothelial dysfunction context, ET has been shown to be involved in the amplification process of vascular calcification causing an increase in arterial stiffness. As NO limits the progression of calcification and consequently arterial stiffness, endogenous NO seems to be protective in the aorta. The efficacy of exogenous modulation of the NO pathway in the WVK model was studied upon administration of the NO donor, sinitrodil, or the phosphodiesterase type 5 inhibitor (PDE5), tadalafil. The exogenous modulation of the NO pathway seemed to be beneficial for arterial stiffness, but only in an acute manner. Indeed, sinitrodil modified the acute stiffness in the aorta potentially by vascular tone modulation, without having any effect on vascular wall composition. Since endothelial function was not affected upon WVK model, endogenous NO concentrations seem to be optimal. Thus, exogenous NO potentially caused an increase of elastocalcinosis by inducing tolerance to NO. As well as sinitrodil, tadalafil modulated the arterial stiffness in an acute manner without modifying the composition of the vascular wall. Broadly, these studies provide evidence that endogenous NO can limit ISH development, suggesting that endothelial dysfunction, as observed in aging, has a negative impact on this pathology.

La paroi vasculaire est composée de cellules endothéliales, de cellules musculaires lisses vasculaires et de fibroblastes qui sont entourés d’un réseau structuré et complexe de protéines, la matrice extracellulaire. Les interactions réciproques entre la matrice et les cellules sont nécessaires à la croissance, au développement et au remodelage. Or, différents contextes pathologiques entraînent la perturbation de ces interactions et sont la cause de différentes maladies. Au cours du vieillissement, la matrice extracellulaire des grosses artères élastiques est modifiée. Ainsi, les lamelles élastiques de la paroi vasculaire se fragmentent ou sont dégradées, en plus de calcifier. De même, l’accumulation de protéines plus rigides, comme le collagène, entraîne le développement de la fibrose. Ces modulations vont mener à l’augmentation de la rigidité artérielle et au développement de l’hypertension systolique isolée. En utilisant un modèle animal de calcification basé sur l’inhibition d’une protéine anti-calcifiante, la matrix Gla protein, avec la warfarine, nous avons étudié la séquence des événements impliqués dans le développement de l’hypertension systolique isolée. Nous avons observé l’activation précoce et transitoire de MMP-9, puis du TGF-ß, précédant la modulation phénotypique des cellules musculaires lisses vasculaires, la calcification et les changements hémodynamiques. L’inhibition des métalloprotéinases et du TGF-ß a permis de prévenir la calcification vasculaire. Nous avons également étudié le rôle joué par une enzyme de la matrice extracellulaire, la transglutaminase 2, dans le développement de la calcification associée à l’hypertension systolique isolée. À l’aide d’un nouvel inhibiteur de cette enzyme, qui a permis de prévenir la calcification, nous avons établi que la transglutaminase était un élément clé dans le processus pathologique. Ces travaux ont permis de démontré l’intérêt de nouvelles avenues thérapeutiques ciblant directement la matrice extracellulaire, particulièrement la MMP-9, le TGF-ß et la transglutaminase 2, dans la pathologie de l’hypertension systolique isolée. / Within the vascular wall, endothelial cells, vascular smooth muscle cells and fibroblasts are surrounded by a complex and structured network of secreted macromolecules and proteins, the extracellular matrix. Reciprocal interactions between matrix and cells are essential to growth, development and remodeling. However, in pathological situations, the alteration of these interactions can lead to the development of different disease states. With aging, the extracellular matrix of large elastic arteries undergoes several modifications. The elastic lamellae are fragmented or degraded and calcify, whereas more rigid proteins, such as collagen, accumulate and cause fibrosis. These alterations are associated with the stiffening of arteries, which results in the development of isolated systolic hypertension. In order to study the sequence of events occuring in the development of this pathology, we used an animal model of calcification based on the inhibition of a matrix Gla protein, which physiologically prevents calcification, with warfarin. We observed an acute and transient activation of MMP-9 and TGF-ß, which preceded the phenotypic modulation of vascular smooth muscle cells, calcification and changes to hemodynamic parameters. Moreover, the inhibition of MMPs and TGF-ß prevented vascular calcification. We also studied the role of an extracellular matrix enzyme, transglutaminase 2, in the development of vascular calcification associated with isolated systolic hypertension. Using a novel inhibitor of this enzyme, we established a key role for transglutaminase 2 in this pathological process. This thesis demonstrates the relevance of directly targeting the extracellular matrix, particularly MMP-9, TGF-ß and transglutaminase 2, as a novel therapeutic avenue in the treatment of isolated systolic hypertension.