Endothelial metabolic response to catecholamine stimulation: towards a metabolic network model of endothelial health

Abstract

This thesis is concerned with the metabolism of endothelial cells (ECs) and the endothelial glycocalyx (EGL) in trauma-like conditions, with the overall aim of understanding endothelial metabolism in trauma. The ECs and EGL make up the innermost lining of blood vessels and are in direct contact with the circulatory system and as such are of great importance for vascular health. Dysfunctional endothelial metabolism lies at the crux of many vascular pathologies such as diabetes, atherosclerosis and acute illness. EGL breakdown contributes to the progression of vascular pathologies such as trauma which is characterized by a high increase in circulatory catecholamines. This increase causes EGL degradation and subsequent disruption of coagulation homeostasis, resulting in profound hypocoagulability and higher mortality rates. The mechanism of EGL breakdown is known to some extent, but less is known about endothelial metabolism in EGL breakdown, let alone the metabolic pathways maintaining the EGL upon this adverse impact. Interestingly, the plasma metabolome of trauma patients has been proven to be different from that of healthy controls. By researching endothelial metabolism in trauma and shedding light on of adverse changes that may take place, the opportunity to intervene and positively affect patient outcomes increases. Better understanding of metabolism could help prevent, rebuild or maintain the EGL structure and thus avoid or decrease the high-mortality associated hypocoagulation.In this study, we determined effects of catecholamine stimulation on the metabolism of HUVECs in a static culture. Changes in metabolism were determined by catecholamine stimulation and subsequent collection and analysis of metabolic samples. Metabolite concentrations were determined with an ABL machine, enzyme kits and mass spectrometry analysis. Synthesis rates were measured with heavy isotope nutrient labelling and mass spectrometry. We also modelled the metabolism of trauma patients and healthy controls by using systems biology methods and plasma metabolomics datasets. We evaluated the effects of the trauma plasma metabolome on metabolism by generating and analysing in silico genome-scale metabolic models of trauma patients and healthy controls. Catecholamine stimulation decreased glycolytic and TCA cycle activity, decreased ATP concentrations, induced a cAMP response, and decreased synthesis and concentrations of EGL precursors. Metabolic network analysis suggest that the trauma patient plasma metabolome adversely affects endothelial metabolism. We concluded that increased concentrations of catecholamines in HUVEC cultures slows down flux through key metabolic pathways, both glycolysis and the TCA cycle, and that this negatively impacts EGL synthesis. We further concluded that the plasma metabolomics of trauma patients adversely affect endothelial metabolism by imposing metabolic phenotypes that somewhat resemble those observed in vitro.

Þetta rannsóknarverkefni einblíndi á efnaskipti æðaþelsfrumna (ÆF) og æðaþels-glýkókalixins (ÆG) í áfalla-líkum (e. trauma-like) aðstæðum, með það aðalmarkmið að auka skilning á efnaskiptum æðaþels í áfalli. ÆF og ÆG mynda saman innsta borð blóðæða þar sem þau eru í beinni snertingu við blóðrásina og eru sem slík mjög mikilvæg fyrir heilsu æðakerfisins. Vanvirkni í efnaskiptum æðaþelsins stuðlar að framvindu ýmissa æðasjúkdóma, t.d. æðakölkunnar, sykursýki og bráðra sjúkdóma.Niðurbrot ÆG stuðlar að framvindu æðasjúkdóma, t.d. framvindu áfalls sem einkennist af háum styrk katekólamína í blóði. Þessi aukning veldur niðurbroti ÆG og þar af leiðandi röskun á jafnvægi blóðstorknunarkerfisins sem leiðir til ofþynningu blóðs og aukinnar dánartíðni. Mekanismi ÆG niðurbrots er þekktur að einhverju leiti, en minna er vitað um efnaskipti æðaþelsins við ÆG niðurbrot og lítið sem ekkert er vitað um efnaskiptaferlana sem viðhalda ÆG í áfalli. Sýnt hefur verið fram á að efnaskiptaefni í blóðvökva meðal áfallasjúklinga hefur aðra efnasamsetningu en meðal heilbrigðra viðmiða. Með því að rannsaka efnaskipti æðaþelsins í áfalli og varpa ljósi á óhagstæðar breytingar sem kunna að eiga sér stað myndast tækifæri fyrir jákvæð inngrip sem stuðla að betri útkomu sjúklinga. Betri skilningur á efnaskiptum gæti stuðlað að fyrirbyggingu slæmra efnaskiptaatburða, endurbyggingu eða viðhaldi ÆG og þannig stuðlað að lægri dánartíðni sem tengist niðurbroti ÆG.Í þessari rannsókn voru áhrif katekólamín örvunar á efnaskipti HUVEC fruma í stöðugri rækt ákvörðuð. Breytingar í efnaskiptum voru ákvörðuð með söfnun og greiningu á efnaskiptasýnum eftir katekólamín örvun. Styrkur efnaskiptaefna var ákvarðaður með ABL mælingum, ensím prófum og massagreiningu. Hraði á nýmyndun efnaskiptaefna var mældur eftir merkingu þeirra með þungum ísótópum og massagreiningu. Einnig voru efnaskipti áfallasjúklinga og heilbrigðra viðmiða greind með notkun aðferða kerfislíffræðinnar og gagnasafna sem innihalda styrki efnaskiptaefna í blóðvökva. Til að meta áhrif efnaskiptaefna í blóðvökva á efnaskipti voru efnaskiptalíkön á erfðamengisskala fyrir áfallasjúklinga og heilbrigð viðmið framleidd og greind m.t.t. efnaskipta. Katekólamín örvun hægði á virkni glýkólýsu og sítrónusýruhringsins, minnkaði styrk ATP, framkallaði cAMP svar og hægði á nýmyndun auk þess að minnka styrki ÆG forvera. Greining á efnaskiptalíkönum benti til þess að efnaskiptaefni í blóðvökva áfallasjúklinga hefðu óhagstæð áhrif á efnaskipti æðaþelsins.Við ályktuðum að aukinn styrkur katekólamína meðal HUVEC frumna í rækt hægði á flæði efnaskiptaefna í gegnum aðal efnaskiptaferla, bæði glýkólýsu og sítrónusýruhringinn, auk þess að hafa neikvæð áhrif á nýmyndun ÆG. Við ályktuðum ennfrekar að efnaskiptaefni í blóðvökva áfallasjúklinga hefðu óhagstæð áhrif á efnaskipti æðaþelsins þar sem að greining módelanna sýndi efnaskiptasvipgerðir sem áttu ýmislegt sameiginlegt með þeim efnaskiptabreytingum sem mældust in vitro í þessari rannsókn.