СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ К МОДЕЛИРОВАНИЮ ДИСФУНКЦИИ ЭНДОТЕЛИЯ И СИСТЕМНОМУ ПОИСКУ ЕЕ ЦИРКУЛИРУЮЩИХ МАРКЕРОВ

Основные положения

• Моделирование провоспалительной дисфункции эндотелия in vitro осуществляется при помощи индукции митохондриально-окислительного стресса (алкилирующий агент митомицин С), лизосомально-кальциевого стресса (кальципротеиновые частицы), цитокинового стресса (добавление липополисахарида) или метаболического стресса (добавление свободных жирных кислот), in vivo – при помощи сравнения пожилых и юных лабораторных грызунов, в частности гиперлипидемических мышей.
• Для моделирования вазоспастической дисфункции эндотелия in vitro целесообразно использовать ингибиторы эндотелиальной NO-синтазы, для моделирования in vivo – крыс с наследственной индуцируемой стрессом артериальной гипертензией, сравнивая их в экспериментах с нормотензивными крысами Wistar.
• Для моделирования протромботической дисфункции эндотелия представляется целесообразным использовать S1-субъединицу Spike-белка вируса SARS-CoV-2 или ее рецептор-связывающий домен (RBD), а также трансгенных мышей K18-hACE2, экспрессирующих человеческий рецептор ACE2.

Резюме

Несмотря на высокую клиническую актуальность применительно к ряду острых (COVID-19, сепсис, полиорганная недостаточность) и хронических (артериальная гипертензия, синдром старческой астении, тромбоз глубоких вен) состояний и прямое влияние на развитие неблагоприятного исхода, понятие о дисфункции эндотелия остается размытым. С учетом различных пусковых факторов, механизмов развития, молекулярных признаков и патологических последствий целесообразно классифицировать дисфункцию эндотелия как типовой патологический процесс на три вида в зависимости от ведущего звена патогенеза: провоспалительную, вазоспастическую и протромботическую. За исключением гемостатически активных высокомолекулярных мультимеров фактора фон Виллебранда, сопровождающих развитие протромботической дисфункции эндотелия при COVID-19, надежные и клинически применимые циркулирующие маркеры дисфункции эндотелия остаются неизвестными, что существенно осложняет изучение способов ее терапевтической коррекции. В данном обзоре рассматриваются подходы к моделированию указанных вариантов дисфункции эндотелия на клеточных культурах и животных моделях, а также клинические сценарии верификации ее потенциальных маркеров, выявляемых в эксперименте. В качестве модельных триггеров провоспалительной дисфункции эндотелия in vitro оптимально использовать митомицин С, кальципротеиновые частицы, липополисахарид и свободные жирные кислоты, вазоспастической дисфункции – ингибиторы эндотелиальной NO-синтазы, протромботической дисфункции – S1-субъединицу Spike-белка SARS-CoV-2 или ее рецептор-связывающий домен. Для моделирования провоспалительной дисфункции эндотелия in vivo предлагается использовать митомицин С, вазоспастической дисфункции – крыс с наследственной базальной и индуцируемой стрессом артериальной гипертензией, протромботической дисфункции – внутривенное введение S1-субъединицы или ее рецептор-связывающего домена трансгенным мышам, экспрессирующим человеческий рецептор ACE2 (K18-hACE2). Системный поиск маркеров дисфункции эндотелия основывается на поэтапном масс-спектрометрическом профилировании и дот-блот-профилировании (либо мультиплексном иммунофлуоресцентном анализе на основе магнитных микросфер) клеточного секретома (в бессывороточной культуральной среде) и сыворотки крови (после ее фракционирования и удаления высокомолекулярных белков и надмолекулярных комплексов) с последующей верификацией отобранных маркеров методом иммуноферментного анализа.

1. Cahill P.A., Redmond E.M. Vascular endothelium - Gatekeeper of vessel health. Atherosclerosis. 2016;248:97-109. doi: 10.1016/j.atherosclerosis.2016.03.007.

2. Trimm E., Red-Horse K. Vascular endothelial cell development and diversity. Nat Rev Cardiol. 2023;20(3):197-210. doi: 10.1038/s41569-022-00770-1.

3. Gimbrone M.A.Jr., García-Cardeña .G. Endothelial Cell Dysfunction and the Pathobiology of Atherosclerosis. Circ Res. 2016;118(4):620-36. doi: 10.1161/CIRCRESAHA.115.306301.

4. Ungvari Z., Tarantini S., Kiss T., Wren J.D., Giles C.B., Griffin C.T., Murfee W.L., Pacher P., Csiszar A. Endothelial dysfunction and angiogenesis impairment in the ageing vasculature. Nat Rev Cardiol. 2018;15(9):555-565. doi: 10.1038/s41569-018-0030-z.

5. Evans P.C., Rainger G.E., Mason J.C., Guzik T.J., Osto E., Stamataki Z., Neil D., Hoefer I.E., Fragiadaki M., Waltenberger J., Weber C., Bochaton-Piallat M.L., Bäck M. Endothelial dysfunction in COVID-19: a position paper of the ESC Working Group for Atherosclerosis and Vascular Biology, and the ESC Council of Basic Cardiovascular Science. Cardiovasc Res. 2020;116(14):2177-2184. doi: 10.1093/cvr/cvaa230.

6. Bonaventura A., Vecchié A., Dagna L., Martinod K., Dixon D.L., Van Tassell B.W., Dentali F., Montecucco F., Massberg S., Levi M., Abbate A. Endothelial dysfunction and immunothrombosis as key pathogenic mechanisms in COVID-19. Nat Rev Immunol. 2021;21(5):319-329. doi: 10.1038/s41577-021-00536-9.

7. Kutikhin A.G., Shishkova D.K., Velikanova E.A., Sinitsky M.Y., Sinitskaya A.V., Markova V.E. Endothelial Dysfunction in the Context of Blood-Brain Barrier Modeling. J Evol Biochem Physiol. 2022;58(3):781-806. doi: 10.1134/S0022093022030139.

8. Segers V.F.M., Bringmans T., De Keulenaer G.W.. Endothelial dysfunction at the cellular level in three dimensions: severity, acuteness, and distribution. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 2023;325(2):H398-H413. doi: 10.1152/ajpheart.00256.2023.

9. Baaten C.C.F.M.J., Vondenhoff S., Noels H. Endothelial Cell Dysfunction and Increased Cardiovascular Risk in Patients With Chronic Kidney Disease. Circ Res. 2023;132(8):970-992. doi: 10.1161/CIRCRESAHA.123.321752.

10. Kozlov S., Okhota S., Avtaeva Y., Melnikov I., Matroze E., Gabbasov Z. Von Willebrand factor in diagnostics and treatment of cardiovascular disease: Recent advances and prospects. Front Cardiovasc Med. 2022;9:1038030. doi: 10.3389/fcvm.2022.1038030.

11. Okhota S., Melnikov I., Avtaeva Y., Kozlov S., Gabbasov Z. Shear Stress-Induced Activation of von Willebrand Factor and Cardiovascular Pathology. Int J Mol Sci. 2020;21(20):7804. doi: 10.3390/ijms21207804.

12. Авдонин П.П., Цветаева Н.В., Гончаров Н.В., Рыбакова Е.Ю., Труфанов С.К., Цитрина А.А., Авдонин П.В. Фактор Виллебранда в норме и при патологии. Биологические мембраны. 2021;38(4):237-256. doi: 10.31857/S0233475521040034.

13. Alexander Y., Osto E., Schmidt-Trucksäss A., Shechter M., Trifunovic D., Duncker D.J., Aboyans V., Bäck M., Badimon L., Cosentino F., De Carlo M., Dorobantu M., Harrison D.G., Guzik T.J., Hoefer I., Morris P.D., Norata G.D., Suades R., Taddei S., Vilahur G., Waltenberger J., Weber C., Wilkinson F., Bochaton-Piallat M.L., Evans P.C. Endothelial function in cardiovascular medicine: a consensus paper of the European Society of Cardiology Working Groups on Atherosclerosis and Vascular Biology, Aorta and Peripheral Vascular Diseases, Coronary Pathophysiology and Microcirculation, and Thrombosis. Cardiovasc Res. 2021;117(1):29-42. doi: 10.1093/cvr/cvaa085.

14. Donato A.J., Machin D.R., Lesniewski L.A. Mechanisms of Dysfunction in the Aging Vasculature and Role in Age-Related Disease. Circ Res. 2018;123(7):825-848. doi: 10.1161/CIRCRESAHA.118.312563.

15. Bloom S.I., Islam M.T., Lesniewski L.A., Donato A.J. Mechanisms and consequences of endothelial cell senescence. Nat Rev Cardiol. 2023;20(1):38-51. doi: 10.1038/s41569-022-00739-0.

16. Kutikhin A.G., Velikanova E.A., Mukhamadiyarov R.A., Glushkova T.V., Borisov V.V., Matveeva V.G., Antonova L.V., Filip'ev D.E., Golovkin A.S., Shishkova D.K., Burago A.Y., Frolov A.V., Dolgov V.Y., Efimova O.S., Popova A.N., Malysheva V.Y., Vladimirov A.A., Sozinov S.A., Ismagilov Z.R., Russakov D.M., Lomzov A.A., Pyshnyi D.V., Gutakovsky A.K., Zhivodkov Y.A., Demidov E.A., Peltek S.E., Dolganyuk V.F., Babich O.O., Grigoriev E.V., Brusina E.B., Barbarash O.L., Yuzhalin A.E. Apoptosis-mediated endothelial toxicity but not direct calcification or functional changes in anti-calcification proteins defines pathogenic effects of calcium phosphate bions. Sci Rep. 2016;6:27255. doi: 10.1038/srep27255.

17. Shishkova D., Markova V., Sinitsky M., Tsepokina A., Velikanova E., Bogdanov L., Glushkova T., Kutikhin A. Calciprotein Particles Cause Endothelial Dysfunction under Flow. Int J Mol Sci. 2020;21(22):8802. doi: 10.3390/ijms21228802.

18. Shishkova D.K., Velikanova E.A., Bogdanov L.A., Sinitsky M.Y., Kostyunin A.E., Tsepokina A.V., Gruzdeva O.V., Mironov A.V., Mukhamadiyarov R.A., Glushkova T.V., Krivkina E.O., Matveeva V.G., Hryachkova O.N., Markova V.E., Dyleva Y.A., Belik E.V., Frolov A.V., Shabaev A.R., Efimova O.S., Popova A.N., Malysheva V.Y., Kolmykov R.P., Sevostyanov O.G., Russakov D.M., Dolganyuk V.F., Gutakovsky A.K., Zhivodkov Y.A., Kozhukhov A.S., Brusina E.B., Ismagilov Z.R., Barbarash O.L., Yuzhalin A.E., Kutikhin A.G. Calciprotein Particles Link Disturbed Mineral Homeostasis with Cardiovascular Disease by Causing Endothelial Dysfunction and Vascular Inflammation. Int J Mol Sci. 2021;22(22):12458. doi: 10.3390/ijms222212458.

19. Shishkova D, Lobov A., Zainullina B., Matveeva V., Markova V., Sinitskaya A., Velikanova E., Sinitsky M., Kanonykina A., Dyleva Y., Kutikhin A. Calciprotein Particles Cause Physiologically Significant Pro-Inflammatory Response in Endothelial Cells and Systemic Circulation. Int J Mol Sci. 2022;23(23):14941. doi: 10.3390/ijms232314941.

20. Shishkova D., Lobov A., Repkin E., Markova V., Markova Y., Sinitskaya A., Sinitsky M., Kondratiev E., Torgunakova E., Kutikhin A. Calciprotein Particles Induce Cellular Compartment-Specific Proteome Alterations in Human Arterial Endothelial Cells. J Cardiovasc Dev Dis. 2023;11(1):5. doi: 10.3390/jcdd11010005.

21. Sinitsky M., Repkin E., Sinitskaya A., Markova V., Shishkova D., Barbarash O. Proteomic Profiling of Endothelial Cells Exposed to Mitomycin C: Key Proteins and Pathways Underlying Genotoxic Stress-Induced Endothelial Dysfunction. Int J Mol Sci. 2024;25(7):4044. doi: 10.3390/ijms25074044.

22. Faure E., Equils O., Sieling P.A., Thomas L., Zhang F.X., Kirschning C.J., Polentarutti N., Muzio M., Arditi M. Bacterial lipopolysaccharide activates NF-kappaB through toll-like receptor 4 (TLR-4) in cultured human dermal endothelial cells. Differential expression of TLR-4 and TLR-2 in endothelial cells. J Biol Chem. 2000;275(15):11058-63. doi: 10.1074/jbc.275.15.11058.

23. Hansen C., Olsen K., Pilegaard H., Bangsbo J, Gliemann L., Hellsten Y. High metabolic substrate load induces mitochondrial dysfunction in rat skeletal muscle microvascular endothelial cells. Physiol Rep. 2021;9(14):e14855. doi: 10.14814/phy2.14855.

24. Verweij J., Kerpel-Fronius S., Stuurman M, van Triet A.J., van Hattum L., de Vries J., Pinedo H.M. Mitomycin C-induced organ toxicity in Wistar rats: a study with special focus on the kidney. J Cancer Res Clin Oncol. 1988;114(2):137-41. doi: 10.1007/BF00417827.

25. Fang Y.P., Hu P.Y., Huang Y.B. Diminishing the side effect of mitomycin C by using pH-sensitive liposomes: in vitro characterization and in vivo pharmacokinetics. Drug Des Devel Ther. 2018;12:159-169. doi: 10.2147/DDDT.S150201.

26. Ferrucci L., Fabbri E. Inflammageing: chronic inflammation in ageing, cardiovascular disease, and frailty. Nat Rev Cardiol. 2018;15(9):505-522. doi: 10.1038/s41569-018-0064-2.

27. Franceschi C., Garagnani P., Parini P, Giuliani C., Santoro A. Inflammaging: a new immune-metabolic viewpoint for age-related diseases. Nat Rev Endocrinol. 2018;14(10):576-590. doi: 10.1038/s41574-018-0059-4.

28. Walker K.A., Basisty N., Wilson D.M. 3rd, Ferrucci L. Connecting aging biology and inflammation in the omics era. J Clin Invest. 2022;132(14):e158448. doi: 10.1172/JCI158448.

29. Violi F., Cammisotto V., Bartimoccia S., Pignatelli P., Carnevale R., Nocella C. Gut-derived low-grade endotoxaemia, atherothrombosis and cardiovascular disease. Nat Rev Cardiol. 2023;20(1):24-37. doi: 10.1038/s41569-022-00737-2.

30. Wang B., Han J., Elisseeff J.H., Demaria M. The senescence-associated secretory phenotype and its physiological and pathological implications. Nat Rev Mol Cell Biol. 2024 Apr 23. doi: 10.1038/s41580-024-00727-x. Online ahead of print.

31. Libby P., Buring J.E., Badimon L., Hansson G.K., Deanfield J., Bittencourt M.S., Tokgözoğlu L., Lewis E.F. Atherosclerosis. Nat Rev Dis Primers. 2019;5(1):56. doi: 10.1038/s41572-019-0.

32. Sandoo A., van Zanten J.J., Metsios G.S., Carroll D., Kitas G.D. The endothelium and its role in regulating vascular tone. Open Cardiovasc Med J. 2010;4:302-12. doi: 10.2174/1874192401004010302.

33. Cyr A.R., Huckaby L.V., Shiva S.S., Zuckerbraun B.S. Nitric Oxide and Endothelial Dysfunction. Crit Care Clin. 2020 =;36(2):307-321. doi: 10.1016/j.ccc.2019.12.009.

34. Förstermann U., Sessa W.C. Nitric oxide synthases: regulation and function. Eur Heart J. 2012;33(7):829-37, 837a-837d. doi: 10.1093/eurheartj/ehr304.

35. Farah C., Michel L.Y.M., Balligand J.L. Nitric oxide signalling in cardiovascular health and disease. Nat Rev Cardiol. 2018;15(5):292-316. doi: 10.1038/nrcardio.2017.224.

36. Ryazanova M.A., Plekanchuk V.S., Prokudina O.I., Makovka Y.V., Alekhina T.A., Redina O.E., Markel A.L. Animal Models of Hypertension (ISIAH Rats), Catatonia (GC Rats), and Audiogenic Epilepsy (PM Rats) Developed by Breeding. Biomedicines. 2023;11(7):1814. doi: 10.3390/biomedicines11071814.

37. Higashi Y., Kihara Y., Noma K. Endothelial dysfunction and hypertension in aging. Hypertens Res. 2012;35(11):1039-47. doi: 10.1038/hr.2012.138.

38. Ambrosino P., Bachetti T., D'Anna S.E., Galloway B., Bianco A., D'Agnano V, Papa A., Motta A., Perrotta F., Maniscalco M. Mechanisms and Clinical Implications of Endothelial Dysfunction in Arterial Hypertension. J Cardiovasc Dev Dis. 2022;9(5):136. doi: 10.3390/jcdd9050136.

39. Yap C., Mieremet A., de Vries C.J.M., Micha D., de Waard V. Six Shades of Vascular Smooth Muscle Cells Illuminated by KLF4 (Kruppel-Like Factor 4). Arterioscler Thromb Vasc Biol. 2021;41(11):2693-2707. doi: 10.1161/ATVBAHA.121.316600.

40. Lin P.K., Davis G.E. Extracellular Matrix Remodeling in Vascular Disease: Defining Its Regulators and Pathological Influence. Arterioscler Thromb Vasc Biol. 2023;43(9):1599-1616. doi: 10.1161/ATVBAHA.123.318237.

41. Sutton N.R., Malhotra R., St Hilaire C., Aikawa E., Blumenthal R.S., Gackenbach G., Goyal P., Johnson A., Nigwekar S.U., Shanahan C.M., Towler D.A., Wolford B.N., Chen Y. Molecular Mechanisms of Vascular Health: Insights From Vascular Aging and Calcification. Arterioscler Thromb Vasc Biol. 2023;43(1):15-29. doi: 10.1161/ATVBAHA.122.317332.

42. Pilard M., Ollivier E.L., Gourdou-Latyszenok V., Couturaud F., Lemarié C.A. Endothelial Cell Phenotype, a Major Determinant of Venous Thrombo-Inflammation. Front Cardiovasc Med. 2022;9:864735. doi: 10.3389/fcvm.2022.864735.

43. Poredos P., Jezovnik M.K. Endothelial Dysfunction and Venous Thrombosis. Angiology. 2018;69(7):564-567. doi: 10.1177/0003319717732238.

44. Wang M., Hao H., Leeper N.J., Zhu L.; Early Career Committee. Thrombotic Regulation From the Endothelial Cell Perspectives. Arterioscler Thromb Vasc Biol. 2018;38(6):e90-e95. doi: 10.1161/ATVBAHA.118.310367.

45. Robles J.P., Zamora M., Adan-Castro E., Siqueiros-Marquez L., Martinez de la Escalera G., Clapp C. The spike protein of SARS-CoV-2 induces endothelial inflammation through integrin alpha5beta1 and NF-kappaB signaling. J Biol Chem. 2022;298(3):101695. doi: 10.1016/j.jbc.2022.101695.

46. Montezano A.C., Camargo L.L., Mary S., Neves K.B., Rios F.J., Stein R., Lopes R.A., Beattie W., Thomson J., Herder V., Szemiel A.M., McFarlane S., Palmarini M., Touyz R.M. SARS-CoV-2 spike protein induces endothelial inflammation via ACE2 independently of viral replication. Sci Rep. 2023;13(1):14086. doi: 10.1038/s41598-023-41115-3.

47. Winkler E.S., Bailey A.L., Kafai N.M., Nair S., McCune B.T., Yu J., Fox J.M., Chen R.E., Earnest J.T., Keeler S.P., Ritter J.H., Kang L.I., Dort S., Robichaud A., Head R., Holtzman M.J., Diamond M.S. SARS-CoV-2 infection of human ACE2-transgenic mice causes severe lung inflammation and impaired function. Nat Immunol. 2020;21(11):1327-1335. doi: 10.1038/s41590-020-0778-2.

48. Dong W., Mead H., Tian L., Park J.G., Garcia J.I., Jaramillo S., Barr T., Kollath D.S., Coyne V.K., Stone N.E., Jones A., Zhang J., Li A., Wang L.S., Milanes-Yearsley M., Torrelles J.B., Martinez-Sobrido L., Keim P.S., Barker B.M., Caligiuri M.A., Yu J. The K18-Human ACE2 Transgenic Mouse Model Recapitulates Non-severe and Severe COVID-19 in Response to an Infectious Dose of the SARS-CoV-2 Virus. J Virol. 2022;96(1):e0096421. doi: 10.1128/JVI.00964-21.

49. Gao Y., Galis Z.S. Exploring the Role of Endothelial Cell Resilience in Cardiovascular Health and Disease. Arterioscler Thromb Vasc Biol. 2021;41(1):179-185. doi: 10.1161/ATVBAHA.120.314346.

50. Tombor L.S., Dimmeler S. Why is endothelial resilience key to maintain cardiac health? Basic Res Cardiol. 2022;117(1):35. doi: 10.1007/s00395-022-00941-8.