Vascular aspects of the tPA / NMDA-R interaction : implications for neurovascular coupling and ischemic stroke

L’activateur tissulaire du plasminogène (tPA) est une sérine protéase initialement découverte dans le sang pour sa capacité à convertir le plasminogène en plasmine, une enzyme capable de dégrader les chaînes de fibrine des caillots sanguins. Pour cette fonction pro-fibrinolytique, le tPA est le seul traitement pharmacologique aujourd’hui utilisé dans la phase aiguë de l’accident vasculaire cérébral (AVC) de type ischémique, même s’il présente plusieurs limites. Outre son rôle dans la fibrinolyse, le tPA est aussi capable de moduler différents phénomènes physiologiques et pathologiques au sein du système nerveux central et de l’unité neurovasculaire, tels que la mémoire, l’excitotoxicité ou encore le couplage neurovasculaire comme décrit plus récemment. Plusieurs fonctions du tPA impliquent son interaction avec les récepteurs N-Methyl-D-Aspartate (NMDA), qui permet de potentialiser leur signalisation. Sur le plan structurel, deux formes du tPA ont été identifiées : une forme simple chaîne (sc-tPA) et une forme double chaîne (tc-tPA). Ces deux formes, dont les proportions peuvent varier dans la solution administrée aux patients pour la thrombolyse post-AVC ischémique, partagent certaines fonctions communes mais peuvent aussi avoir des actions différentes. Le premier objectif de nos travaux visait à mieux comprendre l’implication du tPA dans le couplage neurovasculaire, un phénomène essentiel au fonctionnement cérébral permettant aux régions en activité de bénéficier d’un apport accru en sang afin de subvenir à la demande énergétique des neurones. Dans une seconde partie, nous nous sommes intéressés aux effets des formes sc-tPA et tc-tPA utilisées lors de la thrombolyse dans un modèle murin d’AVC ischémique thromboembolique.Premièrement, nos résultats mettent en évidence la capacité du tPA vasculaire à augmenter l’hyperhémie fonctionnelle dans le cadre du couplage neurovasculaire. En effet, nous montrons chez la souris que le tPA vasculaire peut interagir avec les récepteurs NMDA présents à la surface des cellules endothéliales des artères et artérioles, et augmenter leur dilatation lors d’une activité neuronale. D’autre part, dans le cadre de l’ischémie cérébrale, nos résultats indiquent que lorsqu’ils sont utilisés pour la thrombolyse précoce, le sc-tPA et le tc-tPA ont des effets différents et parfois opposés. Le sc-tPA permet de réduire les volumes de lésion et d’améliorer la récupération fonctionnelle, alors que le tc-tPA est moins efficace pour réduire la lésion et ne diminue pas les déficits fonctionnels. De fait, nos données montrent que le tc-tPA aggrave l’altération de l’intégrité de la barrière hématoencéphalique par rapport au sc-tPA. Dans l’ensemble, ces données permettent d’améliorer les connaissances sur les mécanismes d’actions du tPA dans des phénomènes physiologiques et pathologiques importants. Nos travaux soulignent également la nécessité de prendre en compte les différences entre les formes de tPA dans l’amélioration du traitement actuel des AVC et dans l’élaboration de futures stratégies thérapeutiques impliquant cette molécule.The tissue-type plasminogen activator (tPA) is a serine protease initially discovered in the blood for its ability to convert plasminogen into plasmin, an enzyme capable of degrading fibrin chains of blood clots. tPA is the only pharmacological treatment currently used for the acute phase of ischemic stroke, although it has several limitations. Besides its role in fibrinolysis, tPA also modulates various physiological and pathological phenomena within the central nervous system and neurovascular unit, such as memory, excitotoxicity and neurovascular coupling, which has been described recently. Several functions of tPA involve its interaction with N-Methyl-D-Aspartate (NMDA) receptors, which leads to an increase in NMDA signaling. Structurally, two forms of tPA have been identified: a single chain form (sc-tPA) and a double chain form (tc-tPA). These two forms, whose proportions vary in the solution administered for thrombolysis during ischemic stroke, share some common functions but may also differ in their therapeutic action. The first objective of our work was to better understand the implication of tPA in neurovascular coupling, which is an essential phenomenon for cerebral functioning that allows active brain regions to benefit from increased blood supply in order to meet local energy demands. In the second part of our work, we investigated the effects of sc-tPA and tc-tPA in a murine model of ischemic thromboembolic stroke.Our results establish a role for vascular tPA in increasing functional hyperemia in neurovascular coupling. We show that vascular tPA interacts with NMDA receptors present at the surface of endothelial cells of arteries and arterioles to increase their dilation during neuronal activity. In the context of cerebral ischemia, our results indicate that when administered during early thrombolysis, sc-tPA and tc-tPA have different and sometimes opposite effects. tc-tPA is less effective than sc-tPA in reducing lesion volume and protecting against functional impairment. In fact, our data show that tc-tPA worsens the integrity of the blood-brain barrier compared to sc-tPA. Overall, these data improve our knowledge of the mechanisms of action of tPA in important physiological and pathological phenomena. Our work underlines the need to take into account differences between sc-tPA and tc-tPA when trying to improve the current treatment for stroke and in the development of future therapeutic strategies involving this molecule

Aspect vasculaire de l'interaction tPA / R-NMDA : implications dans le couplage neurovasculaire et dans l'AVC ischémique

The tissue-type plasminogen activator (tPA) is a serine protease initially discovered in the blood for its ability to convert plasminogen into plasmin, an enzyme capable of degrading fibrin chains of blood clots. tPA is the only pharmacological treatment currently used for the acute phase of ischemic stroke, although it has several limitations. Besides its role in fibrinolysis, tPA also modulates various physiological and pathological phenomena within the central nervous system and neurovascular unit, such as memory, excitotoxicity and neurovascular coupling, which has been described recently. Several functions of tPA involve its interaction with N-Methyl-D-Aspartate (NMDA) receptors, which leads to an increase in NMDA signaling. Structurally, two forms of tPA have been identified: a single chain form (sc-tPA) and a double chain form (tc-tPA). These two forms, whose proportions vary in the solution administered for thrombolysis during ischemic stroke, share some common functions but may also differ in their therapeutic action. The first objective of our work was to better understand the implication of tPA in neurovascular coupling, which is an essential phenomenon for cerebral functioning that allows active brain regions to benefit from increased blood supply in order to meet local energy demands. In the second part of our work, we investigated the effects of sc-tPA and tc-tPA in a murine model of ischemic thromboembolic stroke.Our results establish a role for vascular tPA in increasing functional hyperemia in neurovascular coupling. We show that vascular tPA interacts with NMDA receptors present at the surface of endothelial cells of arteries and arterioles to increase their dilation during neuronal activity. In the context of cerebral ischemia, our results indicate that when administered during early thrombolysis, sc-tPA and tc-tPA have different and sometimes opposite effects. tc-tPA is less effective than sc-tPA in reducing lesion volume and protecting against functional impairment. In fact, our data show that tc-tPA worsens the integrity of the blood-brain barrier compared to sc-tPA. Overall, these data improve our knowledge of the mechanisms of action of tPA in important physiological and pathological phenomena. Our work underlines the need to take into account differences between sc-tPA and tc-tPA when trying to improve the current treatment for stroke and in the development of future therapeutic strategies involving this molecule.L’activateur tissulaire du plasminogène (tPA) est une sérine protéase initialement découverte dans le sang pour sa capacité à convertir le plasminogène en plasmine, une enzyme capable de dégrader les chaînes de fibrine des caillots sanguins. Pour cette fonction pro-fibrinolytique, le tPA est le seul traitement pharmacologique aujourd’hui utilisé dans la phase aiguë de l’accident vasculaire cérébral (AVC) de type ischémique, même s’il présente plusieurs limites. Outre son rôle dans la fibrinolyse, le tPA est aussi capable de moduler différents phénomènes physiologiques et pathologiques au sein du système nerveux central et de l’unité neurovasculaire, tels que la mémoire, l’excitotoxicité ou encore le couplage neurovasculaire comme décrit plus récemment. Plusieurs fonctions du tPA impliquent son interaction avec les récepteurs N-Methyl-D-Aspartate (NMDA), qui permet de potentialiser leur signalisation. Sur le plan structurel, deux formes du tPA ont été identifiées : une forme simple chaîne (sc-tPA) et une forme double chaîne (tc-tPA). Ces deux formes, dont les proportions peuvent varier dans la solution administrée aux patients pour la thrombolyse post-AVC ischémique, partagent certaines fonctions communes mais peuvent aussi avoir des actions différentes. Le premier objectif de nos travaux visait à mieux comprendre l’implication du tPA dans le couplage neurovasculaire, un phénomène essentiel au fonctionnement cérébral permettant aux régions en activité de bénéficier d’un apport accru en sang afin de subvenir à la demande énergétique des neurones. Dans une seconde partie, nous nous sommes intéressés aux effets des formes sc-tPA et tc-tPA utilisées lors de la thrombolyse dans un modèle murin d’AVC ischémique thromboembolique.Premièrement, nos résultats mettent en évidence la capacité du tPA vasculaire à augmenter l’hyperhémie fonctionnelle dans le cadre du couplage neurovasculaire. En effet, nous montrons chez la souris que le tPA vasculaire peut interagir avec les récepteurs NMDA présents à la surface des cellules endothéliales des artères et artérioles, et augmenter leur dilatation lors d’une activité neuronale. D’autre part, dans le cadre de l’ischémie cérébrale, nos résultats indiquent que lorsqu’ils sont utilisés pour la thrombolyse précoce, le sc-tPA et le tc-tPA ont des effets différents et parfois opposés. Le sc-tPA permet de réduire les volumes de lésion et d’améliorer la récupération fonctionnelle, alors que le tc-tPA est moins efficace pour réduire la lésion et ne diminue pas les déficits fonctionnels. De fait, nos données montrent que le tc-tPA aggrave l’altération de l’intégrité de la barrière hématoencéphalique par rapport au sc-tPA. Dans l’ensemble, ces données permettent d’améliorer les connaissances sur les mécanismes d’actions du tPA dans des phénomènes physiologiques et pathologiques importants. Nos travaux soulignent également la nécessité de prendre en compte les différences entre les formes de tPA dans l’amélioration du traitement actuel des AVC et dans l’élaboration de futures stratégies thérapeutiques impliquant cette molécule

Combination treatment with U0126 and rt-PA prevents adverse effects of the delayed rt-PA treatment after acute ischemic stroke

Abstract In acute ischemic stroke, the only FDA-approved drug; recombinant tissue plasminogen activator (rt-PA) is limited by restricted time-window due to an enhanced risk of hemorrhagic transformation which is thought to be caused by metalloproteinase (MMP). In experimental stroke inhibitors of the mitogen–activated protein kinase kinase extracellular signal–regulated kinase kinase (MEK) 1/2 pathways reduce the MMPs. This study evaluated whether a MEK1/2 inhibitor in combination with rt-PA can prevent the detrimental effects of delayed rt-PA therapy in stroke. Thromboembolic stroke was induced in C57 black/6J mice and the MEK1/2 inhibitor U0126 was administrated 3.5 h and rt-PA 4 h post stroke-onset. Treatment with rt-PA demonstrated enhanced MMP-9 protein levels and hemorrhagic transformation which was prevented when U0126 was given in conjunction with rt-PA. By blocking the MMP-9 with U0126 the safety of rt-PA administration was improved and demonstrates a promising adjuvant strategy to reduce the harmful effects of delayed rt-PA treatment in acute ischemic stroke

Circulating tPA contributes to neurovascular coupling by a mechanism involving the endothelial NMDA receptors

The increase of cerebral blood flow evoked by neuronal activity is essential to ensure enough energy supply to the brain. In the neurovascular unit, endothelial cells are ideally placed to regulate key neurovascular functions of the brain. Nevertheless, some outstanding questions remain about their exact role neurovascular coupling (NVC). Here, we postulated that the tissue-type plasminogen activator (tPA) present in the circulation might contribute to NVC by a mechanism dependent of its interaction with endothelial N-Methyl-D-Aspartate Receptor (NMDAR). To address this question, we used pharmacological and genetic approaches to interfere with vascular tPA-dependent NMDAR signaling, combined with laser speckle flowmetry, intravital microscopy and ultrafast functional ultrasound in vivo imaging. We found that the tPA present in the blood circulation is capable of potentiating the cerebral blood flow increase induced by the activation of the mouse somatosensorial cortex, and that this effect is mediated by a tPA-dependent activation of NMDAR expressed at the luminal part of endothelial cells of arteries. Although blood molecules, such as acetylcholine, bradykinin or ATP are known to regulate vascular tone and induce vessel dilation, our present data provide the first evidence that circulating tPA is capable of influencing neurovascular coupling (NVC)

Molecular imaging of endothelial activation and mineralization in a mouse model of accelerated atherosclerosis

International audiencePurpose Preclinical imaging of endothelial activation and mineralization using both positron emission tomography (PET) and magnetic resonance (MR) remains scarce. Procedures A group of uremic ApoE(-/-) (Ur), non-uremic ApoE(-/-) (NUr), and control C57Bl/6 J mice (Ctl) were investigated. Mineralization process was assessed using sodium fluoride ([18F]NaF) PET, and MR imaging combined with intravenous injection of MPIO-alpha VCAM-1 was used to evaluate endothelial activation. Micro- and macrocalcifications were evaluated by flame atomic absorption spectroscopy and von Kossa staining, respectively. Results Ur mice showed an active and sustained mineralization process compared to Ctl mice (p = 0.002) using [18F]NaF PET imaging. Calcium plasma level was increased in Ur (2.54 +/- 0.09 mM, n = 17) compared to NUr and Ctl mice (2.24 +/- 0.01, n = 22, and 2.14 +/- 0.02, n = 27, respectively; p < 0.0001). Likewise, vascular calcium content was increased in Ur (0.51 +/- 0.06 mu g Ca2+ per milligram of dry weight aorta, n = 11) compared to NUr (0.27 +/- 0.05, n = 9, p = 0.013) and Ctl (0.28 +/- 0.05, n = 11, p = 0.014). Ur mice also had a higher inflammatory state using MPIO-alpha VCAM-1 MR (p global = 0.01, post hoc analysis Ur vs. Ctl p = 0.003) associated with increased VCAM-1 expression (p global = 0.02). Aortic remodeling at the level of the brachiocephalic trunk, brachiocephalic trunk itself, and aortic arch in Ur mice was also demonstrated using MR. Conclusions Preclinical molecular imaging allowed in vivo characterization of the early phase of atherosclerosis. [18F]NaF PET showed early and sustained vascular mineralization in uremic ApoE(-/-) mice. MPIO-alpha VCAM-1 MR imaging demonstrated aortic endothelial activation, predominantly in segments with vascular remodeling

Brain-released alarmins and stress response synergize in accelerating atherosclerosis progression after stroke.

Stroke induces a multiphasic systemic immune response, but the consequences of this response on atherosclerosis-a major source of recurrent vascular events-have not been thoroughly investigated. We show that stroke exacerbates atheroprogression via alarmin-mediated propagation of vascular inflammation. The prototypic brain-released alarmin high-mobility group box 1 protein induced monocyte and endothelial activation via the receptor for advanced glycation end products (RAGE)-signaling cascade and increased plaque load and vulnerability. Recruitment of activated monocytes via the CC-chemokine ligand 2-CC-chemokine receptor type 2 pathway was critical in stroke-induced vascular inflammation. Neutralization of circulating alarmins or knockdown of RAGE attenuated atheroprogression. Blockage of. 3-adrenoreceptors attenuated the egress of myeloid monocytes after stroke, whereas neutralization of circulating alarmins was required to reduce systemic monocyte activation and aortic invasion. Our findings identify a synergistic effect of the sympathetic stress response and alarmin-driven inflammation via RAGE as a critical mechanism of exacerbated atheroprogression after stroke