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G-protein-coupled receptor (GPCR) expression is extensively studied in bulk cDNA, but heterogeneity and functional patterning of GPCR expression in individual vascular cells is poorly understood. Here, we perform a microfluidic-based single-cell GPCR expression analysis in primary smooth muscle cells (SMC) and endothelial cells (EC). GPCR expression is highly heterogeneous in all cell types, which is confirmed in reporter mice, on the protein level and in human cells. Inflammatory activation in murine models of sepsis or atherosclerosis results in characteristic changes in the GPCR repertoire, and we identify functionally relevant subgroups of cells that are characterized by specific GPCR patterns. We further show that dedifferentiating SMC upregulate GPCRs such as Gpr39, Gprc5b, Gprc5c or Gpr124, and that selective targeting of Gprc5b modulates their differentiation state. Taken together, single-cell profiling identifies receptors expressed on pathologically relevant subpopulations and provides a basis for the development of new therapeutic strategies in vascular diseases.
Aims: Carotid intima media thickness (CIMT) predicts cardiovascular (CVD) events, but the predictive value of CIMT change is debated. We assessed the relation between CIMT change and events in individuals at high cardiovascular risk.
Methods and results: From 31 cohorts with two CIMT scans (total n = 89070) on average 3.6 years apart and clinical follow-up, subcohorts were drawn: (A) individuals with at least 3 cardiovascular risk factors without previous CVD events, (B) individuals with carotid plaques without previous CVD events, and (C) individuals with previous CVD events. Cox regression models were fit to estimate the hazard ratio (HR) of the combined endpoint (myocardial infarction, stroke or vascular death) per standard deviation (SD) of CIMT change, adjusted for CVD risk factors. These HRs were pooled across studies.
In groups A, B and C we observed 3483, 2845 and 1165 endpoint events, respectively. Average common CIMT was 0.79mm (SD 0.16mm), and annual common CIMT change was 0.01mm (SD 0.07mm), both in group A. The pooled HR per SD of annual common CIMT change (0.02 to 0.43mm) was 0.99 (95% confidence interval: 0.95–1.02) in group A, 0.98 (0.93–1.04) in group B, and 0.95 (0.89–1.04) in group C. The HR per SD of common CIMT (average of the first and the second CIMT scan, 0.09 to 0.75mm) was 1.15 (1.07–1.23) in group A, 1.13 (1.05–1.22) in group B, and 1.12 (1.05–1.20) in group C.
Conclusions: We confirm that common CIMT is associated with future CVD events in individuals at high risk. CIMT change does not relate to future event risk in high-risk individuals.
Oxidized phospholipids (oxPAPC) induce endothelial dysfunction and atherosclerosis. Here we show that oxPAPC induce a gene network regulating serine-glycine metabolism with the mitochondrial methylenetetrahydrofolate dehydrogenase/cyclohydrolase (MTHFD2) as a causal regulator using integrative network modeling and Bayesian network analysis in human aortic endothelial cells. The cluster is activated in human plaque material and by atherogenic lipoproteins isolated from plasma of patients with coronary artery disease (CAD). Single nucleotide polymorphisms (SNPs) within the MTHFD2-controlled cluster associate with CAD. The MTHFD2-controlled cluster redirects metabolism to glycine synthesis to replenish purine nucleotides. Since endothelial cells secrete purines in response to oxPAPC, the MTHFD2-controlled response maintains endothelial ATP. Accordingly, MTHFD2-dependent glycine synthesis is a prerequisite for angiogenesis. Thus, we propose that endothelial cells undergo MTHFD2-mediated reprogramming toward serine-glycine and mitochondrial one-carbon metabolism to compensate for the loss of ATP in response to oxPAPC during atherosclerosis.
Recent advances in basic cardiovascular research as well as their translation into the clinical situation were the focus at the last "New Frontiers in Cardiovascular Research meeting". Major topics included the characterization of new targets and procedures in cardioprotection, deciphering new players and inflammatory mechanisms in ischemic heart disease as well as uncovering microRNAs and other biomarkers as versatile and possibly causal factors in cardiovascular pathogenesis. Although a number of pathological situations such as ischemia-reperfusion injury or atherosclerosis can be simulated and manipulated in diverse animal models, also to challenge new drugs for intervention, patient studies are the ultimate litmus test to obtain unequivocal information about the validity of biomedical concepts and their application in the clinics. Thus, the open and bidirectional exchange between bench and bedside is crucial to advance the field of ischemic heart disease with a particular emphasis of understanding long-lasting approaches in cardioprotection.
Background and aims: Despite the clinical importance of atherosclerosis, the origin of cells within atherosclerotic plaques is not fully understood. Due to the lack of a definitive lineage-tracing strategy, previous studies have provided controversial results about the origin of cells expressing smooth muscle and macrophage markers in atherosclerosis. We here aim to identify the origin of vascular smooth muscle (SM) cells and macrophages within atherosclerosis lesions.
Methods: We combined a genetic fate mapping approach with single cell expression analysis in a murine model of atherosclerosis.
Results: We found that 16% of CD68-positive plaque macrophage-like cells were derived from mature SM cells and not from myeloid sources, whereas 31% of αSMA-positive smooth muscle-like cells in plaques were not SM-derived. Further analysis at the single cell level showed that SM-derived CD68+ cells expressed higher levels of inflammatory markers such as cyclooxygenase 2 (Ptgs2, p = 0.02), and vascular cell adhesion molecule (Vcam1, p = 0.05), as well as increased mRNA levels of genes related to matrix synthesis such as Col1a2 (p = 0.01) and Fn1 (p = 0.04), than non SM-derived CD68+ cells.
Conclusions: These results demonstrate that smooth muscle cells within atherosclerotic lesions can switch to a macrophage-like phenotype characterized by higher expression of inflammatory and synthetic markers genes that may further contribute to plaque progression.
Die Atherosklerose stellt eine der Haupttodesursachen der westlichen Zivilisation dar. Die Karotisbifurkation ist eine der Lokalisationsorte für die Formierung einer atherosklerotischen Läsion, die sich nach Lumeneinengung schliesslich in neurologischen Symptomen bemerkbar machen kann. In einer fortgeschrittenen, symptomatisch gewordenen Karotisplaque kann als charakteristisches Merkmal oftmals ein in der Literatur unter dem Begriff der „Ruptur“ bekannte Oberflächendefekt ausgemacht werden. Es gibt allerdings gehäuft Hinweise über eine Thrombusausbildung auf einer intakten Plaqueoberfläche. Es wird vermutet, dass hier apoptotische Endothelzellen eine entscheidende Rolle bei Veränderungen der Gefässwand spielen, die letzlich für die Thrombusbildung verantwortlich ist. Aus diesen Überlegungen heraus untersuchten wir in der vorliegenden Studie das Ausmaß von Endothelzellapoptosen innerhalb eines Karotisplaque bei symptomatischen und asymptomatischen Patientengruppen. Insgesamt wurden 38 stationäre Patienten mit einer ≥70%-igen ACI-Stenose in die Studie eingeschlossen. Als symptomatisch galten die Patienten, die im Sinne von retinalen oder zerebralen TIA’s oder durch sog. „minor strokes“ in einem Zeitraum von 60 Tagen vor dem Operationstag auffällig geworden waren. Das asymptomatische Patientengut bestand aus den Patienten, bei denen die Karotisstenose als „Zufallsbefund“ aus Routineuntersuchungen in Klinik oder bei niedergelassenen Kollegen entdeckt wurde. Die Plaques wurden “en bloc” exzidiert. In den überwiesenden 33 Fällen wurde die Eversionstechnik durch den Operateur angewendet, bei der das Restlumen unbeschädigt bleibt. Nach Entfernung wurden die Präparate umgehend in 4%-iges Formalin fixiert. Nach Dekalzifizierung erfolgte die transversale Sektionierung in 2mm Scheiben. Jeder 2mm Block wurde in Paraffin eingebettet. Insgesamt wurde dann die Gesamtheit aller 279 Blöcke weiter in 3μm dicke Sektionen geschnitten. Das Vorliegen einer rupturierten Gefässwand wurde als ein intimaler Defekt grösser als 1000μm Breite definiert und für jedes Präparat dokumentiert. Die vitalen Zellen der Endothelschicht wurden durch ein standardisiertes Färbeprotokoll (CD31 Immunhistochemie) sichtbar gemacht. Apoptotische Endothelzellen konnten nach Anwendung der TUNEL-Technik visualisiert werden. Die Färbemethoden wurden jeweils zur Orientierung an angrenzenden Sektionen des Plaques durchgeführt. Die Bilder wurden digitalisiert und bei 40-facher Vergrösserung ausgezählt. Eine Endothelzelle wurde als apoptotisch gewertet, wenn sie jeweils eine positive CD31-Markierung sowie eine positive TUNEL-Färbung in angrenzenden Gewebsschnitten auf sich vereinte. Um das Ausmass der Apoptosen in den Reihen des Endothels zu quantifizieren wurde zunächst die Prozentzahl apoptotischer Endothelzellen pro Plaque Sektion ermittelt und anschliessend durch Berechnung des Medians aller konsekutiven Sektionen die mittlere Prozentzahl apoptotischer Zellen erhoben. Insgesamt war das Auftreten von Apoptose innerhalb des Endothel rar; trotzdem zeigte die symptomatischen Patientengruppe eine signifikant höhere mittlere Prozentsatz apoptotischer Endothelzellen im Vergleich zu dem asymptomatischen Kollektiv. Zwischen den rupturierten und unrupturierten Plaques konnte kein signifikantes Ergebnis erzielt werden, beide Gruppen unterschieden sich kaum. Trotz des möglichen Stellenwerts apoptotischer Endothelzellen bei der fortgeschrittenen Atherosklerose existieren bis heute keine Studien, die das Ausmass derselben in Beziehung zu klinischen Symptomen gebracht haben. Bislang konnte der Nachweis dieser Zellreihe in atherosklerotischen Karotisplaques besonders im poststenotischen Bereich erbracht werden. Veränderungen lokaler Hämodynamik scheinen hier eine Rolle bei der Induktion von Apoptose zu spielen. Da in der hier vorliegenden Arbeit sich der Grad der Stenose kaum unterscheidet müssen alternative Wege bestehen, die Apoptose in atheromatösen Plaques fördert. Apoptotische Endothelien fördern ihrerseits prokoagulatorische Eigenschaften durch vermehrte Expression von thrombogenen Faktoren der Gerinnungskaskade. Das klassische Dogma der Plaqueruptur mit konsekutiver Freilegung des nekrotischen Kerns und Thrombusbildung muss daher erweitert werden, da nicht alle Plaques der vorliegenden Studie diese Oberflächendefekte aufwiesen. Durch das leichte Übergewicht des symptomatischen Kollektivs lassen sich diese Theorien der Apoptose als kritischer Faktor in der Progression atherosklerotischer Herde weiter untermauern, benötigen aber weitere Studien um unter Umständen völlig andere Mechanismen aufzudecken.