Atherosclerosis is an inflammatory disease occurring preferentially in arterial regions exposed to disturbed flow conditions including oscillatory shear stress (OS). OS exposure induces endothelial expression of bone morphogenic protein 4 (BMP4), which in turn may activate intercellular adhesion molecule-1 (ICAM-1) expression and monocyte adhesion. OS is also known to induce monocyte adhesion by producing reactive oxygen species (ROS) from reduced nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADPH) oxidases, raising the possibility that BMP4 may stimulate the inflammatory response by ROS-dependent mechanisms. Here we show that ROS scavengers blocked ICAM-1 expression and monocyte adhesion induced by BMP4 or OS in endothelial cells (ECs). Similar to OS, BMP4 stimulated H 2 O 2 and O 2 − production in ECs. Next, we used ECs obtained from p47phox −/− mice (MAE-p47 −/− ), which do not produce ROS in response to OS, to determine the role of NADPH oxidases. Similar to OS, BMP4 failed to induce monocyte adhesion in MAE-p47 −/− , but it was restored when the cells were transfected with p47 phox plasmid. Moreover, OS-induced O 2 − production was blocked by noggin (a BMP antagonist), suggesting a role for BMP. Furthermore, OS increased gp91phox (nox2) and nox1 mRNA levels while decreasing nox4. In contrast, BMP4 induced nox1 mRNA expression, whereas nox2 and nox4 were decreased or not affected, respectively. Also, OS-induced monocyte adhesion was blocked by knocking down nox1 with the small interfering RNA (siRNA). Finally, BMP4 siRNA inhibited OS-induced ROS production and monocyte adhesion. Together, these results suggest that BMP4 produced in ECs by OS stimulates ROS release from the nox1-dependent NADPH oxidase leading to inflammation, a critical early atherogenic step.

Rationale: Myocardial infarction is a leading cause of death in developed nations, and there remains a need for cardiac therapeutic systems that mitigate tissue damage. Cardiac progenitor cells (CPCs) and other stem cell types are attractive candidates for treatment of myocardial infarction; however, the benefit of these cells may be as a result of paracrine effects. Objective: We tested the hypothesis that CPCs secrete proregenerative exosomes in response to hypoxic conditions. Methods and Results: The angiogenic and antifibrotic potential of secreted exosomes on cardiac endothelial cells and cardiac fibroblasts were assessed. We found that CPC exosomes secreted in response to hypoxia enhanced tube formation of endothelial cells and decreased profibrotic gene expression in TGF-β–stimulated fibroblasts, indicating that these exosomes possess therapeutic potential. Microarray analysis of exosomes secreted by hypoxic CPCs identified 11 miRNAs that were upregulated compared with exosomes secreted by CPCs grown under normoxic conditions. Principle component analysis was performed to identify miRNAs that were coregulated in response to distinct exosome-generating conditions. To investigate the cue–signal–response relationships of these miRNA clusters with a physiological outcome of tube formation or fibrotic gene expression, partial least squares regression analysis was applied. The importance of each up- or downregulated miRNA on physiological outcomes was determined. Finally, to validate the model, we delivered exosomes after ischemia–reperfusion injury. Exosomes from hypoxic CPCs improved cardiac function and reduced fibrosis. Conclusions: These data provide a foundation for subsequent research of the use of exosomal miRNA and systems biology as therapeutic strategies for the damaged heart.

Abstract SARS-CoV-2 is the coronavirus responsible for the COVID-19 pandemic. Proteases are central to the infection process of SARS-CoV-2. Cleavage of the spike protein on the virus’s capsid causes the conformational change that leads to membrane fusion and viral entry into the target cell. Since inhibition of one protease, even the dominant protease like TMPRSS2, may not be sufficient to block SARS-CoV-2 entry into cells, other proteases that may play an activating role and hydrolyze the spike protein must be identified. We identified amino acid sequences in all regions of spike protein, including the S1/S2 region critical for activation and viral entry, that are susceptible to cleavage by furin and cathepsins B, K, L, S, and V using PACMANS, a computational platform that identifies and ranks preferred sites of proteolytic cleavage on substrates, and verified with molecular docking analysis and immunoblotting to determine if binding of these proteases can occur on the spike protein that were identified as possible cleavage sites. Together, this study highlights cathepsins B, K, L, S, and V for consideration in SARS-CoV-2 infection and presents methodologies by which other proteases can be screened to determine a role in viral entry. This highlights additional proteases to be considered in COVID-19 studies, particularly regarding exacerbated damage in inflammatory preconditions where these proteases are generally upregulated.

Tumors can undergo long periods of dormancy, with cancer cells entering a largely quiescent, non-proliferative state before reactivation and outgrowth. For a patient, these post-remission tumors are often drug resistant and highly aggressive, resulting in poor prognosis. To understand the role of the extracellular matrix (ECM) in regulating tumor dormancy, we created an in vitro cell culture system that combines carefully controlled ECM substrates with nutrient deprivation to observe entrance into and exit from dormancy with live imaging. We saw that cell populations capable of surviving entrance into long-term dormancy were heterogeneous, containing quiescent, cell cycle arrested, and actively proliferating cells. Cell populations that endured extended periods of serum-deprivation-induced dormancy formed an organized, fibrillar fibronectin matrix via αvβ3 and α5β1 integrin adhesion, ROCK-generated tension, and TGFβ2 stimulation. We surmised that the fibronectin matrix was primarily a mediator of cell survival, not proliferation, during the serum-deprivation stress, bacause cancer cell outgrowth after dormancy required MMP-2-mediated fibronectin degradation. Given the difficulty of animal models in observing entrance and exit from dormancy in real-time, we propose this approach as a new, in vitro method to study factors important in regulating dormancy, and we used it here to elucidate a role for fibronectin deposition and MMP activation.

Children with sickle cell anemia have elevated stroke risks as well as other arterial complications, but morphological changes to large arteries are not well defined, and the focus has been on the microcirculation where deoxygenation promotes sickling of red blood cells. The goal of this study was to define morphological changes in carotid and cerebral arteries in the Townes transgenic sickle cell mouse model, and to specifically determine anatomical measurement differences in mice homozygous for β-globin S mutation (SS) compared to heterozygous (AS) littermate controls. We used a combination of live imaging with ultrasound and microcomputed tomography (micro-CT) imaging of corrosion casted vessels to quantify arterial dimensions and changes in mice 4, 12, and 24 weeks of age with or without sickle cell anemia. 12 week SS mice had significantly larger common carotid artery diameters than AS mice, and significantly larger diameters in the extracranial and intracranial portions of the internal carotid artery (ICA), determined by ultrasound and micro-CT, respectively. There were also side specific differences between the left and right vessels. There was significant narrowing along ICA length in 12- and 24-week SS mice, decreasing by as much as 70%, such that there was no difference in size between the anterior and middle cerebral arteries, where the ICA terminates, by genotype. Significant narrowing along the length was also measured in the anterior cerebral arteries of 12- and 24-week SS mice, but not AS. Collectively, these findings indicate that sickle cell anemia causes increased arterial dimensions in 12- and 24-week aged mice. We also provide these measurements for the common carotid, internal carotid, anterior cerebral, and middle cerebral arteries for left and right sides, for AS and SS genotypes as a reference for other investigators using in silico modeling of arterial complications caused by aging with sickle cell anemia.

Abstract Background Mesenchymal stromal cells (MSCs) have shown great promise in the field of regenerative medicine as many studies have shown that MSCs possess immunomodulatory function. Despite this promise, no MSC therapies have been granted licensure from the FDA. This lack of successful clinical translation is due in part to MSC heterogeneity and a lack of critical quality attributes (CQAs). While MSC Indoleamine 2,3-dioxygnease (IDO) activity has been shown to correlate with MSC function, multiple CQAs may be needed to better predict MSC function. Methods Three MSC lines (two bone marrow, one iPSC) were expanded to three passages. At the time of harvest for each passage, cell pellets were collected for nuclear magnetic resonance (NMR) and ultra-performance liquid chromatography mass spectrometry (UPLC-MS), and media was collected for cytokine profiling. Harvested cells were also cryopreserved for assessing function using T cell proliferation and IDO activity assays. Linear regression was performed on functional and multiomics data to reduce the number of important features, and partial least squares regression (PLSR) was used to obtain putative CQAs based on variable importance in projection (VIP) scores. Results Significant functional heterogeneity (in terms of T cell suppression and IDO activity) was observed between the three MSC lines, as well as donor-dependent differences based on passage. Omics characterization revealed distinct differences between cell lines using principal component analysis (PCA). Cell lines separated along principal component 1 based on tissue source (bone marrow vs. iPSC-derived) for NMR, MS, and cytokine profiles. PLSR modeling of important features predicts MSC functional capacity with NMR (R 2 =0.86), MS (R 2 =0.83), cytokines (R 2 =0.70), and a combination of all features (R 2 =0.88). Discussion The work described here provides a platform for identifying putative CQAs for predicting MSC functional capacity using PLSR modeling that could be used as release criteria and guide future manufacturing strategies for MSCs and other cell therapies.