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2016年8月1:5:e17536。
doi:10.7554/eLife.17536。

TIMP3敏感性通路参与脑血流动力学调节的机制研究

附属公司

TIMP3敏感性通路参与脑血流动力学调节的机制研究

卡门·卡彭等。 埃利夫

摘要

脑小血管病(SVD)是中风和痴呆的主要病因。CADASIL是一种遗传性SVD,可改变大脑动脉功能,损害工作大脑的血流。TIMP3(金属蛋白酶组织抑制剂3)在CADASIL血管细胞外基质中的积聚是脑血管功能障碍的关键因素。然而,TIMP3升高与脑血流(CBF)受损之间的联系尚不清楚。在这里,我们表明TIMP3通过抑制金属蛋白酶ADAM17和HB-EGF来调节脑动脉张力和血流反应。在临床相关的CADASIL小鼠模型中,我们发现外源性ADAM17或HB-EGF可恢复脑动脉张力和血流反应,并确定脑动脉肌细胞中上调的电压依赖性钾通道(KV)数量是迄今为止尚未认识到的TIMP3诱导缺陷的下游效应器。这些结果支持了TIMP3和ADAM17活性平衡通过调节心肌细胞KV通道数调节CBF的概念。

关键词:ADAM17;地籍;脑血流;脑小血管病;人类生物学;药物;小鼠;肌源性张力;神经科学;电压门控钾通道。

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数字

图1。
图1.外源性TIMP3特别损害脑血管反应性。
(A类)用于测试重组TIMP1(50 nM)、TIMP2(50 nM)或TIMP3(40 nM)超流对2个月大野生型小鼠体感皮层的影响的实验方案的示意图。(B类D类)休息CBF(B类)和CBF对触须刺激的反应(C类,D类)通过载体或TIMP蛋白的过度灌注进行评估。(C类)过量输注载体或TIMP蛋白后CBF对触须刺激反应的代表性痕迹(C类). (E类)触须刺激载体或TIMP3灌注后诱发的场电位的代表性轨迹,显示典型的尖锐正负波(P1),随后在刺激后80 ms内出现较慢的正负波形(Di和Barth,1991)。(F类)负波振幅(N1,星号E类)TIMP3灌注对场电位的影响不显著(p=0.79)。(G公司,H(H))局部应用腺苷的CBF反应(G公司)或乙酰胆碱(H(H))当载体或TIMP蛋白过度融合时。通过单向方差分析和Tukey的事后检验确定显著性(B类,D类G公司,H(H))或未配对学生的t检验(F类). (与溶媒相比,*p<0.05,***p<0.001;n=5只小鼠/组)。误差条表示SEM。内政部: http://dx.doi.org/10.7554/eLife.17536.003
图1——图补充1。
图1-图补充1:评估过量涂抹在颅骨窗上的异硫氰酸荧光素标记血清白蛋白(FITC-BSA)的脑渗透性。
(A类)将FITC-BSA局部涂抹在体感皮层上30分钟,在处死时取出大脑,固定后,使用振捣器将其切成50µm厚的冠状切片,通过灌注部位,并用与Alexa 594(a-SMA)结合的抗光滑肌α肌动蛋白进行免疫染色。所示为用DAPI复染并用表观荧光显微镜(DAPI和FITC图像合并)检查的典型振动体冠状切片。视窗下(左侧)的软膜物质和穿透血管显示自发FITC荧光。(B类D类)窗口同侧(1-B,2-C)或窗口对侧(3-D)所选区域的放大倍数较高,如A类显示FITC-BSA沿着颅窗下方的穿透动脉(白色箭头)进入皮质(B类,C类). 比例尺代表500µm(A类)和100µm(B类D类).内政部: http://dx.doi.org/10.7554/eLife.17536.007
图1—图补充2。
图1补充图2。外源性TIMP3(8 nM)损害脑血管反应性。
(A类D类)休息CBF(A类)和CBF对触须刺激的反应(B类)或局部应用乙酰胆碱(C类)或腺苷(D类)通过过量注射TIMP3(8 nM)或载体进行评估。通过单向方差分析和Tukey的事后检验确定显著性。(与溶媒相比***p<0.001;n=5只小鼠/组)。内政部: http://dx.doi.org/10.7554/eLife.17536.008
图2。
图2脑血管反应受到ADAM17的药理或基因抑制的损害,并被外源性sADAM17挽救。
(A类)脑动脉解剖的免疫印迹亚当17+/+亚当17汇率/汇率用抗ADAM17或抗平滑肌α-肌动蛋白(α-SMA)抗体孵育的小鼠(n=3个生物样品/基因型)。(B类)ADAM17相对蛋白水平的定量(A类). (C类E类)休息CBF(C类)和CBF对触须刺激的反应(D类)或局部应用腺苷(E类)通过过量注射双重ADAM10/ADAM17抑制剂GW413333X(GW;5µM)或ADAM10抑制剂GI254023X(GI;5和20µM***与车辆相比p<0.05。(F类,G公司)CBF对触须刺激的反应(F类)或局部应用腺苷(G公司)年大幅减少亚当17除价/+小鼠和进一步减少亚当17汇率/汇率小鼠与野生型同胞对照组进行比较。(H(H)J型)外源性sADAM17(16 nM)显著改善了CBF对触须刺激的反应()或局部应用腺苷(J型)英寸亚当17除价/+而ADAM17对野生型同卵鼠没有影响。(K(K)M(M))静息CBF和CBF反应在TgBAC-TIMP3型灌服ADAM17前后的小鼠和非转基因窝友(WT)。CBF对触须刺激的反应(L(左))或局部应用腺苷(M(M))年大幅减少TgBAC公司-如前所述(Capone等人,2016年),TIMP3小鼠与WT小鼠进行比较,并通过sADAM17灌流进行标准化。通过单向方差分析和Tukey的事后检验确定显著性(B类G公司)和双向重复测量方差分析,然后进行Bonferroni事后检验(H(H)M(M))(n=5只小鼠/组)。误差条表示SEM。内政部: http://dx.doi.org/10.7554/eLife.17536.009
图2——图补充1。
图2补充图1。通过ADAM17的药理或基因抑制,CBF对乙酰胆碱的反应减弱,但在过量注射外源性sADAM17后恢复。
(A类)在2个月大的野生型小鼠中,在灌流双ADAM10/ADAM17抑制剂GW413333X(GW;5µM)或ADAM10抑制剂GI254023X(GI;5和20µM***与车辆相比p<0.001。(B类)局部应用乙酰胆碱的CBF反应在亚当17前任/+小鼠和进一步减少亚当17汇率/汇率小鼠与同窝野生型(WT)小鼠进行比较。(C类)外源性可溶性ADAM17活性外结构域(sADAM17;16 nM)显著改善了CBF对局部应用乙酰胆碱的反应亚当17除价/+而它对野生型同卵鼠没有影响。(D类)局部应用乙酰胆碱的CBF反应在TgBAC-TIMP3型小鼠与先前报告的WT小鼠进行比较(Capone等人,2016年),并通过sADAM17灌注使其正常化。通过单向方差分析和Tukey的事后检验确定显著性(A类,B类)和双向重复测量方差分析,然后进行Bonferroni事后检验(C类,D类)(n=5只小鼠/组)。内政部: http://dx.doi.org/10.7554/eLife.17536.013
图2——图补充2。
图2-图补充2:静止CBF的绝对测量亚当17除价/+TgBAC-TIMP3型有无sADAM17的小鼠。
静止CBF表示为激光多普勒血流任意单位(LDFU),在亚当17除价/+小鼠(A类),TgBAC-TIMP3型小鼠(B类)以及合适的野生型同窝伴侣,在灌服可溶性ADAM17(16 nM)前后。通过双向重复测量ANOVA和Bonferroni事后测试(n=5只小鼠/组)确定显著性。内政部: http://dx.doi.org/10.7554/eLife.17536.014
图3。
图3.完整的CBF响应需要ErbB1/ErbB4和HB-EGF。
(A类,B类)ErbB信号通路的示意图。配体都是以膜结合前体蛋白的形式产生的,这些前体蛋白被细胞表面脱落酶裂解,产生活性生长因子物种。配体可溶性形式的结合诱导ErbB受体同二聚或异二聚,将受体转换为活性二聚构象(A类). 配体根据其受体特异性分为四行(顶部;箭头);外结构域脱落主要由ADAM17介导的六个配体以黑色字符出现,其余五个以灰色字符出现(B类). (C类K(K))休息CBF(C类,F类,)和CBF对胡须刺激的反应(D类,G公司,J型)或局部应用腺苷(E类,H(H),K(K))在灌注ErbB信号通路的各种抑制剂(包括ErbB1/ErbB4抑制剂AG1478(10和20µM))前后进行评估;ErbB2抑制剂AG825(50和200µM)(C类E类)、可溶性ErbB受体陷阱(ErbB1-Fc,66.7nM;ErbB3-Fc,71.4nM;ErbB4-Fc,71.4 nM)和相应的对照IgG1-Fc和IgG2-Fc片段(286nM)(F类H(H))、肝素和合成肽p21(12µM)以及对照非活性肽p21-mut(12µ)(K(K)). 除ErbB4-Fc产生轻微增加外,这些化合物均未影响休息时的CBF。(C类K(K))通过单因素方差分析和Tukey事后检验确定显著性(与溶媒相比,*p<0.05,**p<0.01,***p<0.001;n=5/组)。误差条表示SEM。内政部: http://dx.doi.org/10.7554/eLife.17536.015
图3-图补充1。
图3补充图1。阻断ErbB1/ErbB4或HB-EGF会损害CBF对乙酰胆碱的反应。
(A类,B类)在过量注射ErbB信号通路的各种抑制剂(包括可溶性ErbB受体陷阱(ErbB1-Fc,66.7nM;ErbB3-Fc,71.4nM;ErbB4-Fc,71.4 nM)以及相应的对照IgG1-Fc和IgG2-Fc片段(286nM)之前和之后,评估了应用乙酰胆碱对CBF的反应(A类),肝素和合成肽p21(12µM)以及对照非活性肽p21-mut(12µM)(B类). 通过单向方差分析和Tukey的事后检验确定显著性。(与车辆相比***p<0.001;n=5/组)。内政部: http://dx.doi.org/10.7554/eLife.17536.019
图4。
图4:sHB-EGF克服了ADAM17抑制引起的CBF缺陷。
sHB-EGF(20 nM)对静息CBF的影响(A类,D类,G公司)和胡须刺激(B类,E类,H(H))-和腺苷(C类,F类,)-在存在和不存在ErbB1/ErbB4抑制剂AG1478(10和20µM)的情况下评估诱导的CBF反应(A类C类),TIMP3(40 nM)(D类F类)或ADAM10/ADAM17抑制剂GW413333X(GW;5µM)(G公司)使用颅骨窗模型。通过重复测量ANOVA和Tukey的事后检验确定显著性(与溶媒相比,*p<0.05,***p<0.001;###p<0.001 TIMP3+sHB-EGF对TIMP3和GW+sHB-EGF对GW;n=5/组)。误差条表示SEM。内政部: http://dx.doi.org/10.7554/eLife.17536.020
图4——图补充1。
图4补充图1。外源性sHB-EGF改善了ADAM17抑制受损的乙酰胆碱诱导的CBF反应。
(A类,B类)在有无TIMP3(40 nM)的情况下,评估sHB-EGF(20 nM)对乙酰胆碱诱导的CBF反应的影响(A类)或ADAM10/ADAM17抑制剂GW413333X(GW;5µM)(B类). ***与车辆相比p<0.001;###第页内政部: http://dx.doi.org/10.7554/eLife.17536.024
图4——图补充2。
图4补充图2。sHB-EGF改善了ADAM17缺陷引起的CBF缺陷。
sHB-EGF(20 nM)对静息CBF的影响(A类)和胡须刺激(B类)和腺苷(C类)-在Adam17中评估诱导的CBF反应汇率/汇率和野生型室友(Adam17+/+)老鼠。通过重复测量ANOVA和Bonferroni事后检验确定显著性(**p<0.01,**p<0.001;n=5/组)。内政部: 网址:http://dx.doi.org/10.7554/eLife17536.025
图5。
图5 ADAM17/HB-EGF/(ErbB1/ErbB4)信号模块参与调节大脑动脉肌源性张力。
(A类C类)TIMP蛋白对大脑后动脉对腔内压力增加的肌源性反应的影响。(A类,B类)TIMP2(10 nM)下的代表性内径记录(A类)或TIMP3(8 nM)(B类). (C类)结果汇总数据(A类)和(B类). (D类F类)在存在和不存在双重ADAM10/ADAM17抑制剂GW413333X(GW;1µM)和ADAM10抑制剂GI254023X(GI;1μM)的情况下测试大脑后动脉的肌原性张力(D类),ErbB1/ErbB4抑制剂AG1478(2µM)(E类),p21肽(2.4µM)和突变的无活性肽p21-mut(2.4µM)(F类). (C类F类)**p<0.01,**p<0.001与车辆相比。(G公司,H(H))TIMP3(8 nM)(g)或GW(1µM)的影响(H(H))在可溶性HB-EGF(3nM)或载体存在的情况下,对大脑后动脉肌源性张力进行测试。##p<0.01,###p<0.001,TIMP3+HB-EGF与TIMP3和GW+HB-EGF与GW()杂合子检测大脑后动脉肌原性张力亚当17除价/+(ex/wt)和亚当17+/+(wt/wt)小鼠在有或无可溶性HB-EGF(3 nM)的情况下**p<0.01,***p<0.001亚当17除价/+亚当17+/+;##p<0.01,###p<0.001,亚当17除价/+/HB-EGF与亚当17除价/+). 通过双向重复测量ANOVA和Bonferroni事后检验确定显著性(n=6-8条动脉/组)。误差条表示SEM。内政部: http://dx.doi.org/10.7554/eLife.17536.026
图5——图补充1。
图5补充图1。TIMP3严重损害实质小动脉的肌源性张力。
(A类C类)TIMP蛋白对实质小动脉对管腔内压力增加的肌源性反应的影响。(A类,B类)TIMP2(10 nM)下的代表性内径记录(A类)或TIMP3(8 nM)(B类). (C类)结果汇总数据(A类)和(B类). 通过双向重复测量ANOVA和Bonferroni事后检验确定显著性。(**p<0.01,***p<0.0001 n=8小动脉/组)。内政部: http://dx.doi.org/10.7554/eLife.17536.029
图5——图补充2。
图5:图补充2。sADAM17改善了亚当17除价/+老鼠。
杂合子检测大脑后动脉肌原性张力亚当17除价/+在存在或不存在可溶性ADAM17(3.2 nM)的情况下。通过双向重复测量ANOVA和Bonferroni事后检验确定显著性(**p<0.01,**p<0.001,***p<0.0001)。n=5-6条动脉/组)。内政部: http://dx.doi.org/10.7554/eLife.17536.030
图6。
图6.外源性sADAM17和sHB-EGF改善小鼠CBF缺陷和动脉张力Tg缺口3169C兰特老鼠。
(A类)大脑后动脉肌源性张力Tg缺口3169C兰特小鼠(TgN3169C兰特)在可溶性ADAM17或载体存在下对非转基因窝友(WT)进行测试*与WT+车辆相比,p<0.05,**p<0.01,***p<0.001;#p<0.05,##p<0.01,###p<0.001 TgN3169C兰特+车辆与TgN3169C兰特+sADAM17(n=5-7条动脉/组;1条动脉/小鼠)。(B类D类)休息CBF(B类)和CBF对触须刺激的反应(C类)或腺苷(D类)在TgN3中进行了测试169C兰特和WT小鼠,在灌服可溶性ADAM17前后。(E类G公司)在第二批TgN3中测试可溶性HB-EGF的效果169C兰特和WT小鼠。通过双向重复测量ANOVA和Bonferroni事后测试(n=5-6只小鼠/组)确定显著性。误差条表示SEM。内政部: http://dx.doi.org/10.7554/eLife.17536.031
图6——图补充1。
图6补充图1。外源性sADAM17改善了因R169C-Notch3突变受损的静止CBF和乙酰胆碱诱导的CBF反应。
静止CBF,表示为激光多普勒流量任意单位(LDFU)(A类)和CBF对乙酰胆碱的反应(B类)在TgNotch3中测试169C兰特小鼠(TgN3169C兰特)和非转基因窝友(WT)在超剂量注射sADAM17(16 nM)前后***p<0.001。通过双向重复测量ANOVA和Bonferroni事后测试(n=5-6只小鼠/组)确定显著性。内政部: http://dx.doi.org/10.7554/eLife.17536.034
图7。
图7 TIMP3单倍体不充分和外源sADAM17降低KV(V)脑平滑肌细胞的通道电流密度Tg缺口3169C兰特老鼠。
(A类,B类)K的典型家族V(V)双突变体离体脑平滑肌细胞的电流记录Tg缺口3169C兰特;时间3+/-小鼠,带有时间3单倍体不足槽口3169C兰特过度表达(B类)、和Tg缺口3169C兰特;时间3+/+野生型小鼠时间3在…的背景下槽口3169C兰特过度表达(A类)在1μM帕西林(包括阻断BK通道电流)的存在下,由−70 mV至+60 mV的电压脉冲引发。(C类)电流密度结果摘要,显示Tg缺口3169C兰特;时间3+/-小鼠与Tg缺口3169C兰特;时间3+/+老鼠。(D类)K的典型家族V(V)离体脑平滑肌细胞中记录的电流Tg缺口3169C兰特用可溶性ADAM17(3.2 nM)孵育小鼠。(E类)电流密度结果汇总,表明Tg缺口3169C兰特sADAM17存在时,小鼠体重下降。通过双向重复测量ANOVA分析显著性,然后进行Bonferroni事后检验(n=7-8个细胞/组;1个细胞/小鼠)。误差条表示SEM。内政部: http://dx.doi.org/10.7554/eLife.17536.035
图7——图补充1。
图7补充图1.外源性TIMP3增加电压门控钾(KV(V))脑平滑肌细胞的通道电流密度。
(A类)K的典型家族V(V)用TIMP3(8 nM)或载体孵育的非Tg(WT)小鼠的分离脑平滑肌细胞中记录的电流,在1μM帕西林存在下由−70 mV至+60 mV的电压脉冲引发(包括阻断BK通道电流)。(B类)电流密度结果总结表明,外源性TIMP3增加了电流密度。通过双向重复测量ANOVA分析显著性,然后进行Bonferroni事后检验(n=5个细胞/组;1个细胞/小鼠)。内政部: http://dx.doi.org/10.7554/eLife.17536.038
图7——补充图2。
图7-图补充2.大脑钾的分析V(V)当前属性。
(A类)激活时间常数(τ激活)根据单个电压激励电流轨迹的指数拟合确定。(B类)失活时间常数(τ失活)根据−40 mV时尾电流的指数拟合得出(C类)K的稳态活化特性V(V)从标准化尾流测量的电流。半最大激活电压(V1/2)以及因子k是从数据与Boltzman方程的拟合中获得的。内政部: http://dx.doi.org/10.7554/eLife.17536.039
图8。
图8 TIMP3调节脑动脉张力和CBF反应的拟议模型。
(A类)在生理条件下(上图),TIMP3在脑动脉的细胞外基质中含量较低。因此,脑动脉肌细胞表面的ADAM17活性高,能够裂解和释放sHB-EGF,导致ErbB1/ErbB4活化和KV(V)1通道内吞作用。K的内化V(V)1通道减轻这些通道对动脉肌细胞膜电位的紧张性超极化影响,从而使脑动脉的压力诱导血管收缩(肌源性张力)得到充分发展,并使CBF对触须刺激和血管扩张剂产生全面反应。(B类)在CADASIL(下面板)中,槽口3电子海图积聚在平滑肌细胞表面,导致TIMP3数量增加,TIMP3结合并抑制ADAM17,减缓sHB-EGF释放和ErbB1/ErbB4活性,从而降低KV(V)1内吞作用。由此导致的K增加V(V)1电流密度使动脉肌细胞超极化,起到制动作用,限制肌源性张力的发展并诱发CBF反应。内政部: http://dx.doi.org/10.7554/eLife.17536.040

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