Abstract Cyclic guanosine monophosphate (cGMP) is a second messenger produced by the NO-sensitive guanylyl cyclase (NO-GC) enzyme. In platelets, the NO-GC/cGMP pathway inhibits aggregation. One aspect of the inhibitory mechanism involves changes in the cytoskeleton; however, the molecular mechanisms underlying platelet inhibition and its correlation with cytoskeletal cellular stiffness are poorly understood. We measured the cellular stiffness of individual platelets after treatment with the NO-GC stimulator riociguat or the NO-GC activator cinaciguat, using scanning ion conductance microscopy (SICM). We quantified changes in platelet shape using deep learning-based platelet morphometry. Cytoskeletal actin polymerization and platelet activation were measured by co-immunostaining F-actin and P-selectin, respectively. To test for clinical applicability of NO-GC stimulators in the context of increased thrombogenicity risk, we investigated the effect of riociguat on platelets from human immunodeficiency virus (HIV)-positive patients taking abacavir sulphate (ABC)-containing regimens, compared with HIV-negative volunteers. Stimulation of human and murine platelets with the NO-GC stimulator riociguat or with the NO-GC activator cinaciguat downregulated P-selectin expression, decreased F-actin polymerization, and decreased cellular stiffness by ≈50%, compared to vehicle control. In addition, platelets became more circular, indicating decreased activation. Riociguat did not cause any change in platelet aggregation or circularity in HIV-positive patients taking ABC-containing regimens. These results corroborate a functional role of the NO-GC enzyme in platelet biomechanics (cellular stiffness) in correlation with the inhibition of platelet activation and morphological changes. The observed changes in stiffness and platelet shape therefore demonstrate the possibility of pharmacologically targeting the NO-GC/cGMP pathway.

Abstract Aim The role of platelets in atherosclerosis remains incompletely understood. Variants in genes encoding the soluble guanylyl cyclase (sGC) in platelets are associated with coronary artery disease (CAD) risk. Here we sought to investigate the contribution of platelet sGC to atherosclerosis and the therapeutic potential of targeting sGC in atherosclerosis. Methods and Results We genetically deleted sGC in platelets of atherosclerosis-prone Ldlr -/- mice. By intravital fluorescence microscopy such Pf4- Cre + Gucy1b1 flox / flox Ldlr -/- mice displayed enhanced leukocyte adhesion to atherosclerotic plaques in comparison with their litter mates. Moreover, histological and flow cytometry analyses revealed more numerous inflammatory leukocytes and larger plaque sizes in aortic tissue of Ldlr -/- mice lacking sGC in platelets. In vitro , supernatant from activated platelets lacking sGC promoted leukocyte adhesion to endothelial cells (EC) via enhanced EC activation. Using cytokine profiling, we identified reduced angiopoietin-1 release by Pf4- Cre + Gucy1b1 flox / flox and human GUCY1A1 risk allele carrier platelets to be responsible for enhanced activation of EC and subsequent leukocyte adhesion. Pharmacological sGC stimulation increased platelet angiopoietin-1 release in vitro and reduced recruitment of adoptively transferred leukocytes in Ldlr -/- mice fed a Western diet. Pharmacological sGC stimulation further reduced atherosclerotic plaque formation and vascular inflammation. Conclusion Loss of sGC in platelets contributes to atherosclerotic plaque formation via reduced release of the soluble factor angiopoietin-1 and, subsequently, enhanced leukocyte recruitment. Pharmacological sGC stimulation might represent a novel therapeutic strategy to prevent and treat CAD. Translational perspective Reduced platelet soluble guanylyl cyclase activity contributes to atherosclerotic plaque formation and vascular inflammation. Stimulators of the soluble guanylyl cyclase, an emerging class of drugs already used in pulmonary hypertension and heart failure, are able to reduce atherosclerosis and inflammation in this preclinical model. Together with evidence from human genetics, our findings suggest a promising role of soluble guanylyl cyclase stimulation to prevent coronary artery disease.

Abstract Background The cyclic nucleotides cAMP and cGMP inhibit platelet activation. Results We extended an older model and systematically integrated drugs as external stimuli. Data driven modeling allowed us to design models that provide a quantitative output for quantitative input information. This relies on condensed information about involved regulation and modeling of pharmacological interventions by systematic optimization methods. By multi-experiment fitting, we validated our model optimizing the parameters of the model. In addition, we show how the output of the developed cGMP model can be used as input for a modular model of VASP phosphorylation and for the activity of cAMP and cGMP pathways in platelets. Conclusions We present a model for cGMP signaling and VASP phosphorylation, that allows to estimate drug action on any of the inhibitory cyclic nucleotide pathways (cGMP, cAMP) and has been validated by experimental data.