Abstract Endothelial cell (EC) sensing of fluid shear stress regulates atherosclerosis, a disease of arteries that causes heart attack and stroke. Atherosclerosis preferentially develops at regions of arteries exposed to low oscillatory shear stress (LOSS), whereas high shear regions are protected. We show using inducible EC-specific genetic deletion in hyperlipidaemic mice that the Notch ligands JAG1 and DLL4 have opposing roles in atherosclerosis. While endothelial Jag1 promoted atherosclerosis at sites of LOSS, endothelial Dll4 was atheroprotective. Analysis of porcine and murine arteries and cultured human coronary artery EC exposed to experimental flow revealed that JAG1 and its receptor NOTCH4 are strongly upregulated by LOSS. Functional studies in cultured cells and in mice with EC-specific deletion of Jag1 show that JAG1-NOTCH4 signalling drives vascular dysfunction by repressing endothelial repair. These data demonstrate a fundamental role for JAG1-NOTCH4 in sensing LOSS during disease, and suggest therapeutic targeting of this pathway to treat atherosclerosis.

Abstract Neurovascular coupling is a critical brain mechanism whereby changes to blood flow accompany localised neural activity. The breakdown of neurovascular coupling is linked to the development and progression of several neurological conditions including dementia. In this study, we examined cortical haemodynamics in preparations that modelled Alzheimer’s disease (J20-AD) and atherosclerosis (PCSK9-ATH) between 9-12m of age. We report novel findings with atherosclerosis where neurovascular decline is characterised by significantly reduced blood volume, levels of oxyhaemoglobin & deoxyhaemoglobin, in addition to global neuroinflammation. In the comorbid mixed model (J20-PCSK9-MIX), we report a 3x fold increase in hippocampal amyloid-beta plaques. A key finding was that cortical spreading depression (CSD) due to electrode insertion into the brain was worse in the diseased animals and led to a prolonged period of hypoxia. These findings suggest that systemic atherosclerosis can be detrimental to neurovascular health and that having cardiovascular comorbidities can exacerbate pre-existing Alzheimer’s-related amyloid-plaques.

Rationale: Transforming growth factor-beta (TGFβ) is tightly regulated at multiple levels, with regulation at the receptor level now recognized as a key determinant of the cellular response to this pleiotropic cytokine. TGFβ promotes saphenous vein graft neointima formation after coronary artery bypass graft (CABG) surgery, inducing smooth muscle cell (SMC) hyperplasia and fibrosis by signaling via activin receptor-like kinase 5(ALK5). However, the role of the alternate TGFβ receptor ALK1 remains completely unknown. Objective: To define the receptor pathways activated by TGFβ in SMCs and their mechanistic importance during CABG neointima formation. Methods and results: Radioligand co-IP assays revealed direct interactions between TGFβ, ALK5 and ALK1 in primary saphenous vein graft SMC (HSVSMC) from patients undergoing CABG. Knockdown and pharmacological inhibition of ALK5 or ALK1 in HSVSMC significantly attenuated TGFβ-induced phosphorylation of receptor-regulated (R)-Smads 2/3 and 1/5, respectively. Microarray profiling followed by qRT-PCR validation showed that TGFβ induced distinct transcriptional networks downstream of ALK5 or ALK1, associated with HSVSMC contractility and migration, respectively and confirmed using migration assays as well as qRT-PCR and western blot assays of contractile SMC markers. scRNAseq analysis of TGFβ-treated HSVSMC identified distinct subgroups of cells showing ALK5 or ALK1 transcriptional responses, while RNA velocity analyses indicated divergence in differentiation towards ALK5 or ALK1-dominant lineages. ALK1, ALK5 and their downstream effectors pSmad1/5 and pSmad2/3 were localized to αSMA+ neointimal SMCs in remodelled mouse vein grafts. Pharmacological inhibition or genetic ablation of Smad1/5 substantially reducing neointima formation following acute vascular injury. Notably, expression and activation of ALK1, ALK5 and their respective downstream R-Smads was already evident in hyperplastic saphenous veins prior to grafting. Conclusions: Whilst canonical TGFβ signaling via ALK5 promotes a contractile HSVSMC phenotype, transactivation of ALK1 by TGFβ induces neointima formation by driving cell migration. Restoring the balance between ALK1 and ALK5 in HSVSMC may represent a novel therapeutic strategy for vein graft failure.

Early impairments to neurovascular coupling have been proposed to be a key pathogenic factor in the onset and progression of Alzheimer's disease (AD). Studies have shown impaired neurovascular function in several mouse models of AD, including the J20-hAPP mouse. In this study, we aimed to investigate early neurovascular changes using wild-type (WT) controls and J20-hAPP mice at 6-9 months of age, by measuring cerebral haemodynamics and neural activity to physiological sensory stimulations. A thinned cranial window was prepared to allow access to cortical vasculature and imaged using 2D-optical imaging spectroscopy (2D-OIS). After chronic imaging sessions where the skull was intact, a terminal acute imaging session was performed where an electrode was inserted into the brain to record simultaneous neural activity. We found that cerebral haemodynamic changes were significantly enhanced in J20-hAPP mice compared with controls in response to physiological stimulations, potentially due to the significantly higher neural activity (hyperexcitability) seen in the J20-hAPP mice. Thus, neurovascular coupling remained preserved under a chronic imaging preparation. Further, under hyperoxia, the baseline blood volume and saturation of all vascular compartments in the brains of J20-hAPP mice were substantially enhanced compared to WT controls, but this effect disappeared under normoxic conditions. This study highlights novel findings not previously seen in the J20-hAPP mouse model, and may point towards a potential therapeutic strategy by driving an increased baseline blood flow to the brain, thereby potentially enhancing the clearance of beta-amyloid.

Objective: Atherosclerosis is a major risk factor for dementia. The aims of this study were to determine if experimental atherosclerosis leads to altered neurovascular function and causes neurovascular damage. Approach and Results: We analysed cerebral blood volume in male C57BL6/J mice injected with an adeno-associated virus (AAV) vector for mutated proprotein convertase subtilisin/kexin type 9 (PCSK9D377Y) fed a Western diet for 35 weeks to induce atherosclerosis (ATH) and 9-12m male wild-type (WT) C57BL/6J. We imaged blood volume responses to sensory stimulation and vascular reactivity gas challenges in the cortex of the brain through a thinned cranial window using 2D-optical imaging spectroscopy (2D-OIS). Neural activity was also recorded with multi-channel electrodes. Stimulation-evoked cortical haemodynamics, in terms of cerebral blood volume, were significantly reduced in ATH mice compared to WT and evoked neural activity was also significantly lower. However, vascular reactivity as assessed by 10% hypercapnia, remained intact in ATH mice. Immunohistochemistry in ATH mice revealed a reduced number of cortical neurons and pericytes in the cortex, but increased astrogliosis. qRT-PCR revealed significantly enhanced TNFα & IL1β in ATH mice compared to WT as well as significant upregulation of eNOS. Conclusion: Systemic atherosclerosis causes significant neurovascular decline by 9m in atherosclerotic mice characterised by reduced neural activity, associated with loss of neurons and subsequent reduced cortical haemodynamics in response to physiological stimulations. The altered neurovascular function in ATH mice is chiefly mediated by TNFα.

Abstract Background Inflammation is a precursor to atherosclerotic plaque destabilisation, leading to ischaemic events such as stroke. Macrophage phenotypes can be altered by the microenvironment, and certain anti-inflammatory agents may, therefore, stabilise plaques and reduce the risk of recurrent ischaemic events. Methods Thirteen carotid plaques were obtained from stroke/ Transient Ischaemic Attack (TIA) patients undergoing carotid endarterectomy. An immunofluorescence stain was used to identify common macrophage markers (pan macrophage: CD68, pro-inflammatory: CD86, anti-inflammatory: MRC1), and a novel analysis technique was used to measure the prevalence of macrophage phenotypes in carotid plaques in relation to other histological features of instability. An in vitro model of human blood-derived macrophages was also developed to evaluate the effect of statins and glucocorticoids on macrophage-specific markers using RT-qPCR, Western Blot and immunofluorescence stain. The physiological effect of dexamethasone was further evaluated on macrophages and human carotid plaques cultured ex vivo . Results The macrophage population (CD68+) in the carotid plaques was dominated by “double-positive” (CD86+MRC1+) macrophages (67.8%), followed by “M1-like” (CD86+MRC1-) (16.5%), “M2-like” (CD86-MRC1+) (8.7%) and “double-negative” (CD86-MRC1-) (7.0%) macrophages. M1-like macrophages were more prevalent in unstable plaque sections than stable ones (p=0.0022). Exposure to dexamethasone increased macrophage MRC1 gene expression in vitro and ex vivo . Dexamethasone also reduced Oxidised Low-Density Lipoprotein Receptor 1 ( OLR1 ) gene and protein expression, leading to a decreased ox-LDL uptake in foam cell assays. This was, in turn, associated with reduced lipid uptake in macrophages, as shown by Oil Red O staining. Conclusions Human macrophages may be “switched” to a less inflammatory phenotype by exposure to clinically relevant concentrations of glucocorticoid, potentially mediated by a reduction in Oxidised LDL uptake. This effect was not observed following macrophage exposure to statins. Glucocorticoids may have a future role in preventing ischaemic events in patients with advanced atherosclerosis. Graphical Abstract Highlights A high prevalence (68% in this study) of carotid plaque macrophages express both pro-inflammatory (CD86) and anti-inflammatory (MRC1) markers. These may represent a novel macrophage population. Human macrophages may be “reprogrammed” to a less inflammatory phenotype following exposure to glucocorticoids. Dexamethasone increased MRC1 and decreased OLR1 expression in macrophages derived from human blood samples in vitro and in cells derived from cultured human carotid plaque tissue ex vivo. This was associated with reduced oxLDL uptake and reduced lipid accumulation in the macrophages. Dexamethasone has the potential to stabilise carotid atherosclerotic plaques in humans.

Neutrophils have been implicated in the pathogenesis of atherosclerosis, a lipid-driven disease of arteries, but they are seldom found in atherosclerotic plaques. To resolve this longstanding paradox, we investigated whether neutrophil-derived microvesicles may influence arterial pathophysiology. Clinical and pre-clinical studies revealed that levels of circulating neutrophil microvesicles were enhanced by exposure to a high fat diet, a known risk factor for atherosclerosis. Neutrophil microvesicles accumulated at disease-prone regions of arteries that are exposed to complex flow patterns, and they promoted vascular inflammation and atherosclerosis in a murine model. Using cultured endothelial cells exposed to disturbed flow, it was demonstrated that neutrophil microvesicles promoted inflammatory gene expression by delivering a microRNA (miR-155) that enhanced NF-κB activation. Similary, neutrophil microvesicles increased miR-155 and enhanced NF-κB at disease-prone sites of disturbed flow in arteries of mice. We conclude that delivery of microvesicles carrying miR-155 to disease-prone regions of arteries provides a novel mechanism by which neutrophils contribute to vascular inflammation and atherogenesis.

Abstract Arterial medial calcification is an independent risk factor for mortality in chronic kidney disease. We previously reported that knock-down of PKCα expression increases high phosphate-induced mineral deposition by vascular smooth muscle cells in vitro . This new study tests the hypothesis that PKCα regulates uremia-induced medial calcification in vivo . Female wild-type and PKCα −/− mice underwent a two-stage subtotal nephrectomy and were fed a high phosphate diet for 8 weeks. X-ray micro computed tomography demonstrated that uremia-induced medial calcification was increased in the abdominal aorta and aortic arch of PKCα −/− mice compared to wild-types. Blood urea nitrogen was also increased in PKCα −/− mice compared to wild-types; there was no correlation between blood urea nitrogen and calcification in PKCα −/− mice. Phosphorylated SMAD2 immunostaining was detected in calcified aortic arches from uremic PKCα −/− mice; the osteogenic marker Runx2 was also detected in these areas. No phosphorylated SMAD2 staining were detected in calcified arches from uremic wild-types. PKCα knock-down increased TGF-β1-induced SMAD2 phosphorylation in vascular smooth muscle cells in vitro , whereas the PKCα activator prostratin decreased SMAD2 phosphorylation. In conclusion, loss of PKCα increases uremia-induced medial calcification. The PKCα/TGF-β signaling axis could therefore represent a new therapeutic target for arterial medial calcification in chronic kidney disease.

Macrophages drive atherosclerotic plaque progression and rupture, hence attenuating their atherosclerosis-inducing properties holds promise for reducing coronary heart disease (CHD). Recent studies in mouse models have demonstrated that Tribbles 1 (Trib1) regulates macrophage phenotype and shows that Trib1 deficiency increases plasma cholesterol and triglyceride levels, suggesting that reduced TRIB1 expression mediates the strong genetic association between the TRIB1 locus and increased CHD risk in man. However, we report here that myeloid-specific Trib1 (mTrib1) deficiency reduces early atheroma formation and that mTrib1 transgene expression increases atherogenesis. Mechanistically, mTrib1 increased macrophage lipid accumulation and the expression of a critical receptor (OLR1), promoting oxidized low density lipoprotein uptake and the formation of lipid-laden foam cells. As TRIB1 and OLR1 RNA levels were also strongly correlated in human macrophages, we suggest that a conserved, TRIB1-mediated mechanism drives foam cell formation in atherosclerotic plaque and that inhibiting mTRIB1 could be used therapeutically to reduce CHD.