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Nom original: Cytosquelette.pdf
Titre: Aucun titre de diapositive
Auteur: DANIEL HENRION

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Laurent Loufrani,
UMR CNRS 6214 – INSERM 771,
Université d ’Angers

Patho-Physiologie
des Artères de
Résistance.
Mécanotransduction de la pression et
du flux (shear stress/forces de
cisaillement) et modulation par les
Systèmes neurohumoraux locaux
et le cytosquelette

Système cardiovasculaire : place et rôle des artères de résistance (artérioles)

Introduction générale

Les artères de résistance

cœur

organe
Artères de
conductance

Artères de
résistance
(<300µm)

Capillaires

endothélium
fibres élastiques
cellules musculaires lisses
fibres collagène
50 cm.s-1

Vélocité sanguine
0,05 cm.s-1
Systolique
120 mmHg

Pression sanguine

Résistance vasculaire

Diastolique
80 mmHg

Moyenne
25 mmHg

Introduction générale

intima
(cellules endothéliales)
media

Le débit
Contrainte de cisaillement τ (shear stress)

Pression

(cellules musculaires lisses)

dans le cas d’un écoulement laminaire

τ = 4.µ.Q
π . r3

adventice

Loi de Poiseuille
Flux sanguin

ΔP = R * Q

τ : contrainte de cisaillement (dyn*cm-2)
ΔP : pression artérielle (Pa)
µ: viscosité du sang (Pa*s)
Q : débit volumique (m3*s-1)
l : longueur du vaisseau (m)
r : rayon du vaisseau (m)

8.µ.l
π.r4
résistance vasculaire périphérique

Contrôle du tonus des vaisseaux par la pression:
A court terme --> réponse myogénique (vaisseaux de
résistance) et modification du tonus basal.
A long terme --> réponse adaptative
•modification de la structure (diminution du diamètre et
augmentation de l’épaisseur des parois).
•modification de la densité vasculaire.

Contrôle du tonus des vaisseaux par le Flux:

A court terme:
S’oppose au tonus vasoconstricteur ( tonus myogénique).
Dilatation du vaisseaux.
A long terme:
Une augmentation chronique de flux entraîne un
remodelage vasculaire (augmentation du diamètre et
diminution de l’épaisseur des parois des vaisseaux).

Blood stream

Pressure

Ang II
ET-1, TxA2

Stretch-activated channels
Calcium-sensitization
Cytoskeletal rearrangement

Ang II
ET-1,TxA2

Hypertension
Cerebral vsp
Diabetes ?

Myogenic tone

vasoconstriction

Shear stress
NO
PGs

EDHF

Hyperpolarization,
cGMP production,
Calcium efflux

Flow-mediated dilation

balance

vasodilation

NO
PGs

Stretch-activated channels
Calcium-sensitization
Cytoskeletal rearrangement

Pressure
vasoconstriction
Myogenic tone

EDHF

Hyperpolarization,
cGMP production,
Calcium efflux

Ang II
ET-1, TxA2

Shear stress
balance

vasodilation

Myogenic tone : definition

100

Pressure (mmHg)
25

75
50

•Bayliss (1902) concept of myogenic
response
•property of resistance arteries (<300µm)

Diameter (µm)
120

100

75

•regulation of local blood flow
•Vasoconstriction to pressure.
•Myogenic tone, together with vascular
structure, is the background upon which
other vasomotor influences act.

100
µm

J Clin Invest. 1997; 100: 2909-2914.

Loutzenhiser et al.,
Circ Res. 2002;90:1316-1324.)

Multiple pathways of transduction of mechanical stretch in vascular cells.
(Tedgui & Lehoux, Hypertension, 1998; 32: 338-345).

NO
PGs

Stretch-activated channels
Calcium-sensitization
Cytoskeletal rearrangement

Pressure
vasoconstriction

EDHF

Hyperpolarization,
cGMP production,
Calcium efflux

Ang II
ET-1, TxA2

Shear stress
balance

vasodilation
Flow-mediated
dilation

EFFET DE L'ENDOTHELIUM SUR LA VASOCONSTRICTION INDUITE PAR
L'ANGIOTENSINE II DANS UNE ARTERE MESENTERIQUE DE RESISTANCE

CONTROLE

INTRALUMINALE

EXTRALUMINALE

ANGIOTENSINE II

Changes in vascular density -->Vascular adaptation to chronic
changes in flow: Role of the cytoskeleton
shear
stress

receptors to
neurotransmitters

force / signal
transduction

Gene regulation
adaptive responses

NO synthesis
rapid responses

Long-Term Regulation of Smooth
Muscle Function & structure

Short-Term Regulation of
Smooth Muscle Function

A, This structure is composed of a series of
isolated steel struts that are interconnected
with a continuous series of metal cables. Struts
bear compression that is generated by the
surrounding network of tensed cables. Mechanical
stability of this structure, like that of the
cytoskeleton in a living cell, depends on the level of
preexisting tension (prestress) or “tone” in the
network.
B, Schematic diagram of the complementary,
tensegrity force balance between tensed
microfilaments (MFs), compressed microtubules
(MTs), and the ECM in a region of a cellular CSK
array (for simplicity, the tensed intermediate
filaments are not shown). Compressive forces
borne by the microtubules are transferred to ECM
adhesions when microtubules are disrupted
(bottom), thereby increasing substrate traction, as
observed in experiments with living cells.
D.E. Ingber, Circ. Res. 2002;91:877-887.

Possible role of dystrophin in force transduction in striated muscles

Chien KR, Cell, 1999; 98: 555-558.

MYOGENIC TONE IN MESENTERIC RESISTANCE ARTERIES
FROM MICE LACKING THE GENE FOR VIMENTINE
85
MYOGENIC TONE
(% of passive
diameter)

VIM +/+
VIM -/-

80

75

70

25 50 75 100 125 150
PRESSURE (mm Hg)

HENRION et al, J.Clin.Invest.1997.100:2909-2914.

FLOW-INDUCED DILATION IN MESENTERIC RESISTANCE ARTERIES
FROM MICE LACKING THE GENE FOR VIMENTINE

25

Diameter (µm)

20
15

*

10
VIM+/+
VIM-/VIM+/-

5
0

25

50
75
100 125
PRESSURE (mm Hg)

150

HENRION et al, J.Clin.Invest.1997.100:2909-2914.

IC50 and maximal response (MAX) to SNP and acetylcholine in isolated arteries
from VIM-/- and VIM+/+ mice
IC50
VIM+/+ (n) VIM-/- (n)
SNP:
renal artery
mesenteric artery
aorta

18±6 (10

13±4 (10)

7.6±0.9 (6)

4.6±0.15 (9)

21±8 (6)

14±3 (8)

nM
nM
nM

Acetylcholine:
renal artery
0.31±0.17 (10) 1.7±0.5 (9)*
µM
mesenteric artery 0.33±0.10 (6) 1.54±0.35 (9)* µM
aorta
0.19±0.05 (6)
0.25±0.06 (8)
µM

MAX
VIM+/+ (n) VIM -/- (n)
mN/mm
100±0 (9) mN/mm
100±0 (8) mN/mg

100±0 (10) 100±0 (9)
100±0 (6)
100±0 (6)

68±3 (10)

60±6 (9)

74±4 (6)

56±4 (9)

72±8 (6)

62±6 (8)

mN/mm
mN/mm
mN/mg

HENRION et al, J.Clin.Invest.1997.100:2909-2914.

CONCLUSION :
Effets de la déficience en vimentine
1. MECANOTRANSDUCTION:
Baisse spécifique de la réponse vasodilatatrice
flux-dépendante (forces de cisaillement).
2. AGENTS PHARMACOLOGIQUES:
Baisse de sensibilité à l'acétylcholine
(mesent. et rénales).

Souris génétiquement déficientes en
dystrophine (souris mdx).
• Mesure de pression artérielle,
• Artères isolées (mésentériques,
carotides) :
• étude fonctionnelle,
• Histomorphométrie,
• Immuno-histologie

Historique:
•La mécanotransduction des forces de cisaillement implique la
matrice extracellulaire ainsi que les protéines de structure
cellulaire (Davies PF, Physiol. Rev. 1995).
•La dépolymérisation de la F-actine en G-actine est rapide par
une stimulation par les forces de cisaillement (Morita et al., Circ.
Res. 1994).
• La dilatation flux-dépendante est spécifiquement atténuée par la
perturbation des filaments d’actine dans des artères isolées
(Hutcheson & Griffith, Br. J. Pharmacol. 1996).

Hypothèse

• Bien que la dystrophine soit présente dans les cellules
musculaires lisses vasculaires aucune étude fonctionnelle n ’existe
dans les vaisseaux, en particulier en réponse aux facteurs
mécaniques liés à la pression et au flux.
• Nous avons testé l’hypothèse selon laquelle l’absence de
dystrophine pourrait altérer la réponse artérielle à la pression
et/ou au flux (forces de cisaillements).

STRUCTURAL PROPERTIES OF MESENTERIC AND
CAROTID ARTERIES FROM CONTROL AND MDX MICE
Passive diameter (µm)
170
150
130

mdx
control

110
25

50
75 100 125
Pressure (mmHg)
mesenteric a.

Passive diameter (µm)
650
600
550
500
450
400
control
350
mdx
300
25
50
75
100 125
Pressure (mmHg)
carotid a.

STRUCTURAL PROPERTIES OF MESENTERIC AND
CAROTID ARTERIES FROM CONTROL AND MDX MICE

0,2

12
10

0,15

8

Wall/lumen 0,1
ratio (µm)

Wall
Thickness 6
(µm) 4

0,05

2
0

cont

mdx cont

Carotid

mdx

Mesent. art.

0

cont

mdx cont

Carotid

mdx

Mesent. art.

4500
60
control
mdx

3500
2500
1500
500

50
Distensibility
(1000xmmHg-1)

Cross sectional Compliance (µm2/mmHg)

STRUCTURAL PROPERTIES OF CAROTID
ARTERIES FROM CONTROL AND MDX MICE

control
mdx

40
30
20
10
0

25

50
75
100
Pressure (mmHg) / carotid a.

25

50

75

Pressure (mmHg) / carotid a.

100

Myogenic and basal tone determined in carotid and mesenteric resistance
arteries, isolated from mdx and wild type (control) mice
mesenteric artery
26

carotid artery

24
Myogenic
tone

Diameter (µm)

130

Diameter (µm)
Basal
tone

22

110
90

20
70

18
16

control
mdx
25

50

75

100

Pressure (mmHg)

125

50

control
mdx
25

50

75

Pressure (mmHg)

100

125

Response to intraluminal Flow (dilation in µm) in carotid and
mesenteric arteries, isolated from mdx and wild type (control) mice
Diameter (µm)

24

60

20

50

16

40

12

30

*

8
4
0

control
mdx

0

5

10 15 20 25 30

Shear stress (dyn/cm2) / mesenteric.

Diameter (µm)

*

20
10

control
mdx

0
0

20

40

60

80 100

Shear stress (dyn/cm2) / carotid

Attenuation of Flow-induced dilation by L-NAME in carotid and
mesenteric arteries, isolated from mdx and wild type (control) mice.
% attenuation
80

75

control
mdx

control
mdx

65

70

55

60

45

*

*
50

35
0

10

20

30

40

Shear stress (dyne/cm2) / mesenteric a.

0

20

40

60

80

100

Shear stress (dyne/cm2) / carotid a.

Contraction by L-NAME in carotid and mesenteric arteries,
isolated from mdx and wild type (control) mice.
contraction (% KCl)
50

contraction (% KCl)
50

40

*

30

40
30

20

20

10

10

0
0,001 0,01 0,1

1

mdx
control
10 100 1000

L-NAME (µM) / mesenteric a.

*
mdx
control

0
0,01

0,1

1

10

100 1000

L-NAME (µM) / carotid a.

Immunolocalisation de la dystrophine
dans les artères mésentériques de résistance (100 µm)

Cellules Musculaires
Lisses

Cellules
Endothéliales

Pression intraluminale 75mmHg, Débit 100µl/min, NORAN:20ms/image
Loufrani et al. Circulation 2001; 101: 2764 - 2770.

Arteriolar density is lower in mdx mice myocardium and gracilis muscle

arteries/mm2
(Right Ventricle)
20

arteries/mm2
(Gracilis Muscle)
30
25

*

15
*
10

20
15
10

5
5
0

cont

mdx

0

cont

mdx

• La déficience en vimentine ou dystrophine diminue la
dilatation flux-dépendante, impliquant l’endothelium
vasculaire.
• La déficience en desmine diminue l’ensemble des fonctions
vasomotrices microvasculaires.

Recovery of flow-mediated dilation in mdx mice
after a 2 week-long treatment with gentamicin

control
mdx
control+genta
mdx+genta

Basal tone (µm)

Myogenic tone (µm)

20

10

Vimentin-null mice (vim -/-

100

0
50
100
Pressure (mmHg)

cont+genta
mdx+genta

20
15
10

*

5
0
0

5

10

15 20

0

25

30

Shear stress (dyne/cm2) / mesenteric a.

Flow-dilation (µm)

cont
mdx

25

150

vim+/+
vim-/vim+/+ +genta
vim-/- +genta

control
mdx
control+genta
mdx+genta

50

0
0

Flow-dilation (µm)

Carotid Arteries

150

50
100
Pressure (mmHg)

cont
mdx

60

150

cont+genta
mdx+genta

25
Flow-dilation (µm)

Mesenteric Arteries

30

20
15
10
5

*

*

0

40

0
5 10 15 20 25 30
Shear stress (dyne/cm2) / mesenteric a.

*

20
0
0

20
40
60
80 100
Shear stress (dyne/cm2) / carotid a.

Loufrani et al;
Arterioscler Thromb Vasc Biol;
2004.

The aminoglycoside Gentamycin induces the recovery of a
complete protein (dystrophin) in arteries.
dys-1
dys-2
dys-3

100
% of control

Dys-1

Dys-2

80
#
#
#
* * *

60
40

Dys-3
Mdx mdx
+
+
genta genta

mdx

mdx
+
genta

mdx

cont

cont
+
genta

20
***
0

cont

cont
+genta

mdx

mdx
+genta

Antibodies were directed against the carboxy-terminus (dys-2), the N-terminus (Dys-3) or the mid rod
domain (dys-1) of dystrophin

Loufrani et al; Arterioscler Thromb Vasc Biol; 2004.

Arteriolar density in lower in the mdx mice myocardium:
Recovery after Gentamycin (1)

Mdx + genta

Loufrani et al;
Arterioscler Thromb Vasc Biol;
2004.

Réponse au flux dans les artères mésentériques de souris
déficiente en dystrophine.

• Réexpression de la Dystrophine

Gentamycine

•Retour à la normale de la fonction
endothéliale
• Confirmation du rôle clé de la dystrophine

Loufrani et al, en révision

Remodelage et Débit Sanguin

Second
Order
branch

First
Order
branch

Aorta

Superior Mesenteric
artery

LF
L

HF
LF

L

NF
L

Arterioscler Thromb Vasc Biol; 2002; 22:1579-1584.

L

Adaptation à des variations chroniques de débit :
Modèles de fistules artério-veineuses ou de ligature
d ’une artère carotide :
Augmentation chronique de débit --> adaptation
structurale de la paroi vasculaire --> normalisation des
forces de cisaillement par une augmentation de diamètre
hypertrophique.
Phénomène dépendant essentiellement de la production
de NO. (Tronc et al., Arterioscler Thromb Vasc Biol, 1996; 16: 1256-1262).

Absence of Adaptation to Chronic Changes in Blood Flow
in Mice Lacking Dystrophin
Passive Diameter

250

*

200
Diameter
(µm)
150

*
*

100

50
0

25

50

75

100

Pressure (mmHg)

Loufrani et al; Circ. Res. 2002; 91:1183-1189.

125

150

control HF
control NF
control LF
mdx HF
mdx LF
mdx NF

100

80
C h a n g e in
f lo w ( % )
60

40

m dx L4
c o n tro l L 4
c o n tro l L 3
c o n tro l L 2

20

0
0

10

20
C h a n g e in d ia m e t e r ( % )

30

40

Chronic changes in flow and eNOS expression
e N O S ( % o f C o n t r o l)
250

*

200
150
100

#

#

#

50
0
N F

HF
c o n tr o l

Loufrani et al; Circ. Res. 2002; 91:1183-1189.

LF

N F

HF
m dx

LF

Modèle de ligature in vivo

Augmentation de diamètre

+

Augmentation de Flux

-

Déficience en desmine

Déficience en dystrophine

Adaptation exagérée

Non adaptation

•Loufrani et al. Cir. Res 2002; 91(12):1183-89.
•Loufrani et al.Arterioscl Thromb Vasc Biol 2002; 22:1579-84.
•Gorny et al. Microvasc. Res 2002; 64: 127-134

FLUX
PECAM-1

α

PECAM-1

γ/β
PLC

?
?

NO
PKC

CYTOSQUELETTE
ERK 1/2

Cellule endothéliale
DILATATION

Dissociation par les forces de cisaillement du complexe Gαq-PECAM-1
localisé aux jonctions endothéliales.

Cellules endothéliales
humaines primaires
Marquage : Gαq

1.5

Gq / PECAM
(% Contrôle)

1

*

0.5
0
Contrôle

Flux rapide (1 sec)

Flux lent (30 sec)

Immunolocalisation de Gαq
dans l ’aorte de souris PECAM-1 -/-

A

B

C

D

PECAM-1

Gαq

PECAM +/+

PECAM -/-



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