The role of the endothelial cell glycocalyx in mechanotransduction of wall shear stress

• Main Author: Cooper, Scott
• Other Authors: Richard L Leask (Internal/Supervisor)
• Format: Others
• Language: en
• Published: McGill University 2013
• Subjects: Health Sciences - General
• Online Access: http://digitool.Library.McGill.CA:80/R/?func=dbin-jump-full&object_id=116995

Atherosclerosis, an inflammatory disease of medium and large sized arteries, is a leading cause of death in North America. Local variations in hemodynamic forces have been hypothesized to cause focal endothelial cell (EC) dysfunction leading to a pro-inflammatory environment prone to atherosclerotic lesion development. It is still unclear how ECs sense and respond to hemodynamic forces, however the glycocalyx covering the cell surface has been increasingly implicated in mechanotransduction. This layer is comprised of several glycosaminoglycans with heparan sulphate (HS) being the most abundant. This thesis aims to further define the role of the glycocalyx in mechanotransduction. In vitro perfusion experiments were performed in three-dimensional tissue culture models under physiological levels of steady laminar wall shear stress (WSS). Through enzymatic digestion, cell-surface HS was selectively degraded on human abdominal aortic ECs to impair its functionality. Both HS degraded and non-degraded (control) tissue culture models were exposed to 10 dyne/cm2 WSS and the response was quantified. Experiments showed that HS degraded ECs had a significantly different morphological response to WSS than control ECs. Control ECs exhibited a characteristic elongation and HS degraded cells showed no change. Control ECs, preconditioned with WSS, also showed a decrease in circulating leukocyte (NB4 cell) adhesion. HS degraded ECs showed no significant change in leukocyte adhesion. Interestingly, the effect of WSS on inflammatory protein expression, evaluated by analyzing intracellular adhesions molecule 1 (ICAM-1), was not noticeably affected by the degradation of HS. These findings support the hypothesis that the glycocalyx is involved in certain EC mechanotransduction pathways and provides insight into its role in the development of atherosclerosis. === L'athérosclérose, une maladie inflammatoire des artères de moyennes et grandes tailles, est une cause majeure de décès en Amérique du Nord. Les variations locales dans les forces hémodynamiques pourraient causer un dysfonctionnement focal des cellules endothéliales (CE) conduisant à un environnement pro-inflammatoire sujet au développement des lésions d'athérosclérose. Il est encore difficile de savoir comment les CEs perçoivent et répondent aux forces hémodynamiques, mais le glycocalyx qui couvre la surface de la cellule est de plus en plus impliqué dans la mécanotransduction. Cette couche est composée de plusieurs glycosaminoglycanes dont l'héparane sulfate (HS), le plus abondant. Cette thèse vise à mieux définir le rôle du glycocalyx dans la mécanotransduction. Des expériences de perfusion ont été réalisées in vitro dans des modèles tridimensionnels de culture de tissu sous les niveaux physiologiques du stress laminaire de cisaillement (WSS). Par digestion enzymatique, la surface des cellules HS a été dégradée de manière sélective sur les CEs de l'aorte abdominale humaine de manière à nuire à son fonctionnement. Les deux HS dégradé et non dégradé (contrôle) des modèles de culture de tissus ont été exposés à 10 dynes/cm2 WSS et la réponse a été quantifiée. Les expériences ont montré que les CEs HS dégradées ont eu une réponse morphologiquement très différente en réaction à WSS que les CEs contrôles. Les CEs contrôles ont montré une élongation caractéristique et les cellules HS dégradées n'ont montré aucun changement. Les CEs contrôles, préconditionnées avec WSS ont également montré une diminution de l'adhésion des leucocytes (cellules NB4). HS dégradé des CEs n'a montré aucun changement significatif dans l'adhésion des leucocytes. Fait intéressant, l'effet de WSS sur l'expression des protéines inflammatoires, évaluée par l'analyse des adhérences intracellulaires de la molécule 1 (ICAM-1), n'a pas été sensiblement affectée par la dégradation des HS. Ces résultats soutiennent l'hypothèse que le glycocalyx est impliqué dans certaines voies de mécanotransduction des CEs et donne un aperçu de son rôle dans le développement de l'athérosclérose.