The effect of wall shear stress in a novel endothelial tissue culture model of arterial curvature

Abstract

Vessel wall shear stress (WSS) is hypothesized to cause focal endothelial cell (EC) dysfunction leading to a pro-inflammatory environment. Clinical observations of focal atherosclerosis have been documented in arterial bifurcations, branch points and in lesser arterial curvature. In both in vivo and in vitro experiments, it has been demonstrated that WSS can stimulate a cascade of biochemical interactions which activate the inflammatory pathway. The resultant functional changes include altered expression of inter- and vascular- cellular adhesion molecules (ICAM-1 and VCAM-1, respectively) on the luminal surface of the endothelium. This change in phenotype may indicate the early stages of lesion development by facilitating the adhesion of circulating leukocytes.We have created a three-dimensional tissue culture model using the non-dimensional Dean's number to model physiological hemodynamics in a curved artery (De=104). WSS within our tissue culture model is defined for the inner and outer walls using computational fluid dynamics to ensure well-defined stimuli. ECs cultured within the model are subjected to 24h perfusion experiments at an inlet WSS of 10 dynes/cm2. Regional changes in EC phenotype are evaluated using cell morphology (shape index), protein expression, and circulating leukocyte attachment. EC shape index suggests that ECs lining the inner wall exhibit an atheroprone phenotype relative to those seen lining the outer wall, with significance being observed throughout the entirety of the 180° curve. Similarly, leukocyte distribution favours the inner wall of the tissue culture model between 0°-90°. However, Western Blot analysis demonstrates a 54% decrease in endothelial ICAM-1 in the curve relative to the straight internal control. This study demonstrates that flow through a curved vessel results in significant regional variations in EC phenotype and preferential leukocyte adhesion in vitro, providing further insight into the role of localized hemodynamics in the early stages of atherosclerosis.Il existe une hypothèse spéculant que les variations locales des forces hémodynamiques, particulièrement la contrainte de cisaillement à la paroi (CCP), mènent à un dérèglement important des cellules endothéliales (CEs) causant un environnement pro-inflammatoire. Les observations cliniques d'athérosclérose ont été documentées principalement dans: les bifurcations artérielles, les points de branchement et à la courbure artérielle. Des expériences in vivo et in vitro ont démontré que la CCP peut engendrer une cascade d'interactions biochimiques qui finissent par activer la voie inflammatoire. Les changements fonctionnels incluent : une expression modifiée des molécules d'adhésion inter-vasculaires et-cellulaire (ICAM-1 et VCAM-1, respectivement) de la surface luminale de l'endothélium. Ce changement de phénotype peuvent aider à identifier les premières phases du développement d'une lésion en facilitant l'adhérence des leucocytes en circulation dans le sang.Nous avons créé un modèle tridimensionnel de culture cellulaire en utilisant le nombre adimensionnel de Dean pour modéliser l'hémodynamique physiologique dans une artère courbée (De = 104). La CCP au sein de notre modèle de culture cellulaire est définie par les murs intérieurs et extérieurs en utilisant une méthode de dynamique des fluides computationnelle. Les CEs cultivées dans le modèle sont soumis à des expériences de perfusion pour une durée de 24h et à une CCP a l'entrée de 10 dynes/cm2. Les changements régionaux dans le phénotype des CEs sont évaluées en utilisant des indices de morphologie cellulaire (indice de forme par exemple), l'expression de certaines protéines et l'attachement des leucocytes circulants. L'indice de forme suggère que les CEs tapissant la paroi interne de notre modèle courbé présentent un phénotype atheroprone important par rapport à ceux vus tapissant le mur extérieur observée dans l'ensemble de la courbe de 180°. De même, la distribution des leucocytes favorise le mur interne du modèle de culture cellulaire entre 0°-90°. Cependant, l'analyse Western Blot montre une réduction de 54% en concentration de protéine endothéliale ICAM-1 dans la courbe relative au contrôle interne de droites. Cette étude démontre que le flux à travers un vaisseau courbé donne des résultats avec d'importantes variations locales dans le phénotype des CEs et préférentielles d'adhérence des leucocytes in vitro, donnant un aperçu futur sur le rôle de l'hémodynamique local dans les premiers stades de l'athérosclérose