Fluid shear stress effects on glycocalyx: Mechanotransduction

Abstract

Kardiovasküler hastalıklar dünya da en çok ölümlere neden olan hastalıklar arasındadır. Kardiovaskülar sistemin bir çok fizyolojik ve patofizyolojik süreçleri akış gerilmeleri gibi hemodinamik kuvvetlerden etkilenir.Akış gerilimi birçok sinyal iletim mekanizmasını aktive eden sürtünme kuvveti gibi yüzeye paralel uygulanan bir gerilim bileşenidir. Mekanik akış kuvetlerinden oluşan akış gerilimleri endotel hücrelerinin yapısı ve fonksiyonunu direk olarak etkilemektedir.Endotelyum bütün kan damarlarını astarlayan tek bir hücre katmanıdır ve akış gerilimlerinin başlıca alıcısıdır. Arterlerde, akış gerilimi arterosklerotik lezyonların localize olmasını sağlamaktadır. Atherosklerotik plaklar sıklıkla kan akışının bozulduğu ve düzensiz olduğu arterlerin dallandığı ve eğim oluşturduğu bölgelerde localize olma eğilimindedirler.Mechanotransduction, mekanik etkileri hücresel tepkilere dönüştürme mekanizmasıdır. Endothel hücrelerin akış gerilim mekanosenörleri membran reseptör kinaslar, integrinler, G-proteinleri, iyon kanalları, hücre içi bağlantı proteinleri, membran lipidleri, hücre iskeleti ve glikokalikstir. Akış gerilimlerinin endotel hücre morfolojisi, hücre iskeleti organizasyonu, membranın mekanik nitelikleri, hücre içi sinyal iletimi, endositoz, hücre döngüsü, iyon kanallarının aktivasyonu, protein sentezi ve hücre içi kalsiyum salgılanması gibi hücresel fonksiyonlar üzerinde önemli bir etkisi vardır.Bu çalışmada farklı akış hızları ve zaman periyodlarında hücre morfolojisini değiştiren sabit ve düzensiz akış deneylerini yapabilmek için laboratuvarımızda akış kiti dizayn ettik. Ayrıca glikokaliksleri endothel hücre yüzeyinden Heparinase III ve Chondrotinase ABC enzimleriyle yok ederek glikokaliklerin akış gerilmesi nedenleri hücre tepkilerinde etkili olup olmadığını anlamaya çalıştık.Çalışmalarımızın sonunda hücrelerimizin morfolojisinde önemli değişiklikler olduğunu gördük. Sürekli akış deneyleri sonunda hücrelerimizin akış yönünde uzadıklarını, düzensiz akış deneyi sonunda ise oluşturduğumuz step in yüksekliği ve akış hızının etkisiyle akışın düştüğü bölgedeki hücrelerimizin uzun bir band şeklinde kalktığını gördük.İnsan hücreleriyle yapılan bu tür akış gerilmesi deneyleri ülkemizde ilk defa yapılmıştır ve kayda değer sonuçlar elde edilmiştir.

Cardiovascular disease is the major cause of mortality worldwide. Hemodynamic forces such as fluid shear stress influences many physiological and pathophysiological processes of the cardiovascular system.Also, Shear stress, is the stress component acting parallel to a given surface, like a frictional force, activates many signal transduction pathways in vascular Endothelial cell (EC) Shear stress produced by fluid mechanical forces can directly influence EC structure and functionThe endothelium, a single layer of cells that lines all blood vessels, and it is the principal recipient of hemodynamic shear stress. In arteries, shear stress is strongly implicated in the localization of atherosclerotic lesions. Atherosclerotic plaques tend to be localized at sites of branching and artery curvature where the local flow is often disturbed and irregularMechanotransduction is a mechanism that transduce mechanical forces into cellular responses. Shear stress mechanosensors on EC include membrane receptor kinases, integrins, G-proteins, ion channels, intracellular junction proteins, membrane lipids, cytoskeleton and also glycocalyx. Shear stress have profound effects on endothelial cell morphology, cytoskeleton organization, membrane mechanical properties, intracellular signaling, endocytosis, cell cycle entry, activation of ion channels, protein synthesis and mobilization of intracellular calciumIn this study we originally designed a flow chamber to examine the steady flow and disturbed flow that changes EC morphology at different flow rates and time periods and also degraded the endothelial glycocalyx by specific GAG enzymes called Heparinase III and chondrotinase ABC to understand whether removing glycocalyx can affect shear-induces cell responses.After our studies we found that cell morphology changed dramatically. With steady flow experiments we observed cell aligned and elongated in the direction of flow. After disturbed flow experiments, we saw that our cells detached from the region like a long band that flow fallen down influence of step height and flow rate.Shear stress experiments that was done with human cells had been done firstly in Turkey and got remarkable results.