Der Einfluß von endothelständigen Proteoglycanen und subendothelialer Matrix auf die flußabhängige Gefäßmodulation isolierter gesunder und arteriosklerotischer Koronararterien des Menschen

Abstract

Die Bedeutung eines intakten Endothels für die flußabhängige Dilatation arterieller Gefäße ist unbestritten und methodologisch befriedigend untersucht. Weniger Aufmerksamkeit wurde der Rolle der extrazellulären Matrix bei der Vermittlung des Flussreizes gewidmet sowie dem Anteil, den beide, Endothel und Matrix, an Membranpotential und Gefäßtonus arteriosklerotischer Gefäße haben. Diese Arbeit stellt eine erste systematische vergleichende Untersuchung des Beitrags von Endothel und Matrix zu Membranpotential- und Tonusentwicklung in Abhängigkeit von systematisch variierten Flußraten in normalen und arteriosklerotischen Gefäßen unter jeweils identischen Versuchsbedingungen dar. Hierzu wurden unbehandelte, intakte humane Koronar- Präparate wurden mit mechanisch deendothelialisierten Präparaten verglichen sowie mit Präparaten, die zuvor mit einer niedrig-konzentrierten Trypsinlösung inkubiert worden waren. Die Trypsinbehandlung führte zur Lösung der Ektodomäne des endothelialen transmembranalen Proteoglykans Syndecan sowie zur Desintegration von Teilen der subendothelialen Matrix. Das Membranpotential wurde intrazellulär mit Glaskapillar-Mikroelektroden, die Kraftentwicklung mit einem induktiven Kraftaufnehmer gemessen. Mit zunehmender Flußrate von 3 ml/min auf 100 ml/min hyperpolarisierte die glattmuskuläre Zellmembran unbehandelten nicht-arteriosklerotischen Präparate. Hiermit ging eine Tonusabnahme in Höhe von 0,512 g einher. Die deendothelialisierten nicht- arteriosklerotischen Präparate wiesen eine deutlich geringfügigere Hyperpolarisation und eine Relaxation um lediglich 0,280 g auf. Trypsinisierte nicht-arteriosklerotische Gefäße zeigten eine Depolarisation sowie eine Kontraktion von 0,391 g. Unbehandelte arteriosklerotische Präparate wiesen gegenüber unbehandelten nicht-arteriosklerotischen Präparaten eine Hyperpolarisation und eine signifikant geringfügigere Abnahme der Wandspannung um 0,102 g auf. Deendothelialisierte arteriosklerotische Präparate zeigten eine flußabhängige Hyperpolarisierung mit einer minimalen flußabhängigen Relaxation um 0,070 g. Trypsinisierte arteriosklerotische Präparate zeigten eine ausgeprägte flußabhängige Tonusabnahme von 0,612 g. Hieraus lässt sich ableiten, dass bei physiologischen Flußraten zwischen 20 ml/min und 40 ml/min das endotheliale Kompartiment normaler humaner Koronararterien zu etwa 65% an der flußabhängigen Relaxation beteiligt ist, während bei Flußraten von 100 ml/min die flußabhängige Tonusabnahme zu 72% von der subendothelialen Matrix getragen wird. In arteriosklerotisch veränderten Gefäßen kommt es zu einer flußabhängigen Kontraktion, an der das endotheliale Kompartiment ab einer Flußrate von 20 ml/min in zunehmendem Maß beteiligt ist. Bei Flußraten von 100 ml/min vermittelt das endotheliale Kompartiment eine Kontraktion in Höhe von 44% der maximalen Dilatation eines normalen Gefäßes; diese Kontraktion wird zum größeren Teil von einer matrixvermittelten flußabhängigen Relaxation in Höhe von 27% der maximalen Tonusabnahme eines normalen Gefäßes aufgehoben. Diese Ergebnisse weisen auf das Ausmaß der durch Arteriosklerose induzierten endothelialen Dysfunktion in den untersuchten Gefäßen hin und unterstreichen die vitale Bedeutung einer intakten subendothelialen Matrix für die Aufrechterhaltung physiologischer Flußmuster in arteriosklerotisch veränderten Koronararterien.

Despite its clinical importance and augmented research activity, the exact mechanisms of mechanoperception at the luminal surface of the coronary artery endothelium and of mechanotransduction on to the arterial smooth muscle cell remain elusive. This research quantifies the impact of the luminal proteoglycan syndecan as a potential mechanosensor, and the subendothelial matrix as the site of mechanotransduction, in maintaining flow-dependent vasodilatation in healthy and atherosclerotic human coronary arteries. We measured the development of membrane potential and tension in non- atherosclerotic and atherosclerotic segments of human coronary arteries under flow rates of between 5 and 100 ml/min and compared these with the development in de-endothelialised and trypsinised non-atherosclerotic and atherosclerotic segments. Trypsinisation lead to the cleavage of the ectodomain of the luminal proteoglycan syndecan as well as to the interruption of matrix integrity. The membrane potential was measured intermittently with glass electrodes; vascular wall tension was measured continuously by mounting the segment in the force transduction unit of a flow chamber supplied with aerated, heated Krebs solution at regularly increased flow rates. Untreated non-atherosclerotic vessel segments showed a marked flow-dependent hyperpolarisation and a relaxation of 0.512 g. In de-endothelialised non-atherosclerotic vessel segments, membrane potential and tension were higher at baseline and decreased less under flow, with a net relaxation of 0.280. Trypsinised non- atherosclerotic vessel segments had still higher membrane potential and tension at baseline and showed a marked flow-dependent depolarisation and contraction of 0.391 g. In untreated atherosclerotic vessel segments, baseline values for membrane potential and tension were higher than in healthy vessel segments; under flow conditions, these segments exhibited a stunted hyperpolarisation and relaxation at low flow rates, with subsequent depolarisation and contraction under higher flow rates (net relaxation 0.102 g). De-endothelialised atherosclerotic vessel segments had higher baseline values than de-endothelialised non-atherosclerotic vessel segments and showed a minimal hyperpolarisation after initial depolarisation as well as a minimal relaxation (0.070 g). Trypsinised atherosclerotic vessel segments had a significantly lower baseline membrane potential and tension than untreated atherosclerotic as well as trypsinised non-atherosclerotic vessel segments and showed a marked flow-dependent relaxation (0.612). Based on these values, we calculated the contribution of the luminal flow-sensor syndecan and the subendothelial matrix to overall vasomotion to be 47% vs. 11% at flow rates of 5 ml/min, 65% vs. 25% at 20 ml/min, 65% vs. 38% at 40 ml/min, and 28% vs. 72% at 100 ml/min in non-atherosclerotic vessels. In atherosclerotic vessels, endothelium-induced contraction was 18% at 20 ml/min rising to 43,8% at 100 ml/min, with the matrix partly compensating this with a relaxation of 13% at 5 ml/min and 26% to 27% between 20 and 100 ml/min (100% = 0.461g, maximal net relaxation of non-atherosclerotic, intact vessel segments).