Calcium dynamics and related alterations in pulmonary hypertension associated with heart failure

Abstract

Congestive heart failure (CHF) represents an important Canadian health problem. Most patients with CHF develop pulmonary hypertension (PH), which is an important marker that signals progression of the disease and its poor outcome. Significant advances have been made for the treatment of heart failure (HF). Nevertheless, the morbidity and mortality among patients with advanced heart HF, who have developed PH remains high. Increased pulmonary vascular pressure (PVP) observed in PH leads to increased vascular tone and vascular remodelling associated with altered vasodilatory responses. It is noteworthy that a decrease in vasodilatory responses has been observed in PH. At the core of vasodilatory alterations lies endothelial dysfunction. This hallmark of most cardiovascular diseases is associated with alterations in calcium (Ca2+) homeostasis. Although global Ca2+ plays a role in a wide range of cellular functions, this thesis work focused on the impact of local Ca2+ signalling in endothelial cells (ECs). Among the different types of local Ca2+ signals, Ca2+ pulsars were identified. Ca2+ pulsars are local endothelial Ca2+ signals whose activity is finely regulated by physiological agents that modulate intracellular levels of inositol 1,4,5-triphosphate (IP3) and Ca2+. Ca2+ pulsars have been shown to have an effect on several important cellular functions. In mesenteric arteries, Ca2+ pulsars induce endotheliuminduced relaxation of vascular smooth muscle cells. Up until now, the regulatory mechanisms of Ca2+ pulsars remain to be uncovered. The spatio-temporal characteristics of Ca2+ pulsars suggest that they could play a role in the control of pulmonary vascular tone, potentially involving more transmembrane ion channels, as well as regulatory proteins. Transient receptor potential vanilloid 4 (TRPV4) channels are non-selective mechanosensitive osmo-regulated cation channels broadly expressed in a number of tissues. Activation of TRPV4 channels allows Ca2+ entry into the cell. A number of studies have shown the implication of TRPV4 as well as other channels from the TRP family in PH. Endothelial Ca2+-related pathophysiological mechanisms modulating pulmonary vascular tone and leading to the development of group II PH are poorly defined. In addition, the scarcity of studies exploring the pathophysiology and therapies of group II PH resides in the lack of validated small animal models with an adequate determination of the presence and severity of PH. The work in this thesis identified and characterized for the first time intracellular Ca2+ pulsars in pulmonary endothelium and their alterations in a clinically relevant mouse model of group II PH that was developed. In addition, this work revealed the implication of endothelial TRPV4 channels in Ca2+ pulsars dysregulation in group II-PH.

L'insuffisance cardiaque (IC) représente un problème de santé important au Canada. La plupart des patients atteints d'IC développent une hypertension pulmonaire (HP), qui est un marqueur de la progression de la maladie et de son mauvais pronostic. Des progrès significatifs ont été réalisés pour le traitement de l'IC. Néanmoins, la morbidité et la mortalité chez les patients atteints d'IC avancée, qui ont développé l’HP reste élevée. L'augmentation de la pression vasculaire pulmonaire (PVP) observée en HP entraîne une augmentation du tonus vasculaire et un remodelage vasculaire associés à des réponses vasodilatatrices altérées. En effet, une diminution des réponses vasodilatatrices a été observée dans l'HP. La dysfonction endothéliale est au coeur des altérations vasodilatatrices. Cette caractéristique de la plupart des maladies cardiovasculaires est associée à des altérations de l'homéostasie du calcium (Ca2+). Bien que le Ca2+ global joue un rôle dans un grand nombre de fonctions cellulaires, la présente thèse est concentrée sur l'impact de la signalisation calcique locale dans les cellules endothéliales (CE). Parmi les différents types de signaux calciques locaux, les pulsars ont été identifiés. Les pulsars calciques sont des évènements endothéliaux locaux dont l'activité est finement régulée par des agents physiologiques qui modulent les niveaux intracellulaires d'inositol 1,4,5-triphosphate (IP3) et de Ca2+. Les pulsars ont un effet sur plusieurs fonctions cellulaires importantes. Dans les artères mésentériques, les pulsars induisent une relaxation des cellules musculaires lisses vasculaires. Jusqu'à présent, les mécanismes de régulation des pulsars Ca2+ restent à découvrir. Les caractéristiques spatio-temporelles des pulsars suggèrent qu'ils pourraient jouer un rôle dans le contrôle du tonus vasculaire pulmonaire, impliquant potentiellement plus de canaux ioniques transmembranaires, ainsi que des protéines régulatrices. Les canaux TRP de la famille vanilloïde 4 (TRPV4) sont des canaux cationiques méchanosensitifs, non sélectifs, largement exprimés dans un nombre de tissus. L'activation des canaux TRPV4 permet l'entrée de Ca2+ dans la cellule. Des études ont montré l'implication de TRPV4 ainsi que d'autres canaux de la famille TRP dans l’HP. Les mécanismes physiopathologiques liés au Ca2+ endothélial modulant le tonus vasculaire pulmonaire et conduisant au développement de l’HP du groupe II sont mal définis. En outre, la rareté des études explorant la physiopathologie et les thérapies de l’HP du groupe II réside dans l'absence de modèles animaux validés pour l’étude de l’HP du groupe II, avec une détermination adéquate de la présence et de la sévérité de l'HP. Les travaux issus de cette thèse ont identifié et caractérisé pour la première fois des pulsars Ca2+ intracellulaires dans l'endothélium pulmonaire et leurs altérations dans un modèle de souris cliniquement significatif de l’HP de groupe II qui a été développé. En outre, ce travail a révélé l'implication des canaux TRPV4 endothéliaux dans la dérégulation des pulsars Ca2+ dans l’HP du groupe II.