Modulation of NO/cGMP Signalling by Infrared Light and Mechanical Forces

Abstract

Cardiovascular diseases (CVDs) are a major cause of death worldwide. While there has been extensive research into CVDs and how they eventually cause ischemia, not all aspects are understood. It is crucial to unravel the molecular mechanisms of vascular function and dysfunction, in order to develop innovative treatment methods for ischemia. Disturbed endothelial cell function is a hall mark of many CVDs. Treatment with nearinfrared (NIR)-I laser did not restore endothelial function in clinical trials. In the first part of the project, we compared the effects of NIR-II lasers on vascular endothelial cells to the effects of a NIR-I laser. Our findings revealed that the 1064 nm NIR-II laser significantly enhanced the phosphorylation of endothelial NO-synthase (eNOS) at S1177 and increased nitric oxide (NO) generation in human endothelial cells, which was not achieved by NIR-I laser treatment. In summary, the NIR-II laser was superior at enhancing endothelial NO generation and might be a promising new treatment option for CVDs. In the second part of the project, our focus shifted to the question whether application of the 1064 nm NIR-II laser could improve the outcome of an in vivo model of ischemic stroke. Acute NIR-II laser exposure increased cerebral blood flow in experimental mice. Preconditioning of experimental wild type mice with the NIR-II laser increased reperfusion after ischemic stroke, improved subsequent neurological evaluations and decreased the stroke volume. These effects were lost in mice carrying a mutation that inhibited eNOS phosphorylation at S1176. In summary, the NIR-II laser improved ischemic stroke outcome, potentially by eNOS activation via phosphorylation at S1176. In the third part of the project, we studied vascular smooth muscle cells (VSMCs), another cell type involved in CVD development. Our results showed that mechanical force enhances NO-induced 3’,5’-cyclic guanosine monophosphate (cGMP) generation in VSMCs. Strong mechanosensitive cGMP signalling (mechano-cGMP) was observed in stiff VSMCs with a high actin content. Co-localization of actin with components of the cGMP pathway, such as NO-sensitive guanylate cyclase and cGMP-dependent protein kinase I, CD29 and talin, indicated a signalling complex mediating mechano-cGMP in VSMCs. Analysing pressurized carotid arteries ex vivo, proved that mechano-cGMP in VSMCs plays a role in vascular physiology. Taken together, our results demonstrated that mechanical force augments NO-induced cGMP generation in VSMCs and carotid arteries, potentially via a cytoskeleton associated signalling complex. In summary, the NIR-II laser improved ischemic stroke outcome in preconditioned wild type mice and increased NO generation in human endothelial cells, via eNOS phosphorylation. Treatment with NIR-II is therefore a promising new strategy to improve CVD/ischemic stroke outcome in humans. Furthermore, we found that cGMP signalling in murine VSMCs and carotid arteries is mechanosensitive. Mechano-cGMP is a thus far unappreciated aspect of vascular function and might give new insights into (patho)-physiology of CVDs.

Die Dissertation ist gesperrt bis zum 04. Dezember 2026 !

Herz-Kreislauf-Erkrankungen (HKE) sind die häufigste Todesursache weltweit. Obwohl HKE und wie diese letztlich Ischemie verursachen, ausgiebig erforscht wurden, sind sie bisher nicht vollständig verstanden. Es ist von entscheidender Bedeutung die molekularen Mechanismen der Gefäßfunktion und -dysfunktion zu untersuchen, um neue Behandlungsstrategien für Ischemie zu entwickeln. Eine gestörte Endothelzellfunktion ist ein Kennzeichen vieler HKE. Die Behandlung mit nah-infrarot (NIR)-I-Lasern hat in klinischen Studien die Endothelzellfunktion nicht wiederhergestellt. Im ersten Teil des Projekts haben wir den Einfluss eines NIR-IILasers auf vaskuläre Endothelzellen mit den Auswirkungen eines NIR-I-Lasers verglichen. Unsere Ergebnisse zeigten, dass ein 1064 nm NIR-II-Laser die Phosphorylierung von endothelialer NO-Synthase (eNOS) an S1177 verstärkte und die Produktion von Stickstoffmonoxid (NO) in humanen Endothelzellen signifikant erhöhte. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der NIR-II-Laser die endotheliale NO-Bildung stärker förderte und eine vielversprechende neue Behandlungsoption für HKE sein könnte. Im zweiten Teil des Projekts konzentrierten wir uns auf die Frage, ob der 1064 nm NIR-II-Laser das Ergebnis eines in vivo-Modells des ischämischen Schlaganfalls verbessern könnte. Eine akute NIR-II-Laserexposition erhöhte den zerebralen Blutfluss in Versuchstieren. Die Vorbehandlung von wildtypischen Versuchsmäusen mit dem NIR-II-Laser erhöhte die Reperfusion nach einem ischämischen Schlaganfall, verbesserte die anschließenden neurologischen Bewertungen und verringerte das Schlanganfallvolumen. Diese Effekte gingen bei Mäusen verloren, die eine Mutation trugen, welche die Phosphorylierung von eNOS an S1176 verhinderte. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der NIR-II-Laser die Folgen nach einem ischämischen Schlaganfall verbesserte, möglicherweise durch Aktivierung von eNOS über die Phosphorylierung an S1176. Im dritten Teil des Projekts untersuchten wir vaskuläre glatte Muskelzellen (VSMCs), einen weiteren Zelltyp, der an der Entwicklung von HKE beteiligt ist. Unsere Ergebnisse zeigten, dass mechanische Kräfte die NO-induzierte Bildung von 3',5'- zyklischem Guanosinmonophosphat (cGMP) in VSMCs verstärken. Starke mechanosensitive cGMP-Signale (mechano-cGMP) wurden in steifen VSMCs mit hohem Aktingehalt beobachtet. Die Ko-Lokalisierung von Aktin mit Komponenten des cGMP-Signalwegs, wie der NO-sensitiven Guanylatzyklase und der cGMPabhängigen Proteinkinase I, CD29 und Talin, wies auf einen Signalkomplex hin, der mechano-cGMP in VSMCs vermittelt. Die Analyse von unter Druck stehenden Karotisarterien ex vivo bewies, dass mechano-cGMP in VSMCs eine Rolle in der Gefäßphysiologie spielt. Insgesamt zeigten unsere Ergebnisse, dass mechanische Kraft die NO-induzierte cGMP-Bildung in VSMCs und Karotisarterien erhöht, möglicherweise über einen mit dem Zytoskelett verbundenen Signalkomplex. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der NIR-II-Laser das Ergebnis des ischämischen Schlaganfalls in vorkonditionierten Wildtyp-Mäusen verbesserte und die NO-Bildung in menschlichen Endothelzellen über die eNOS-Phosphorylierung erhöhte. Die Behandlung mit NIR-II ist daher eine vielversprechende neue Strategie zur Verbesserung der Folgen bei HKE/ischämischem Schlaganfall beim Menschen. Darüber hinaus haben wir festgestellt, dass der cGMP-Signalweg in VSMCs und Karotisarterien der Maus mechanosensitiv ist. Mechano-cGMP ist ein bisher nicht beachteter Aspekt der Gefäßfunktion und könnte neue Einblicke in die (Patho)- Physiologie von Herz-Kreislauf-Erkrankungen geben.