The signaling pathways involved in the long-term metabolic effects of angiotensin II (Ang II) in vascular smooth muscle cells are incompletely understood but include the generation of molecules likely to affect oxidase activity. We examined the ability of Ang II to stimulate superoxide anion formation and investigated the identity of the oxidases responsible for its production. Treatment of vascular smooth muscle cells with Ang II for 4 to 6 hours caused a 2.7 +/- 0.4-fold increase in intracellular superoxide anion formation as detected by lucigenin assay. This superoxide appeared to result from activation of both the NADPH and NADH oxidases. NADPH oxidase activity increased from 3.23 +/- 0.61 to 11.80 +/- 1.72 nmol O2-/min per milligram protein after 4 hours of Ang II, whereas NADH oxidase activity increased from 16.76 +/- 2.13 to 45.00 +/- 4.57 nmol O2-/min per milligram protein. The NADPH oxidase activity was stimulated by exogenous phosphatidic and arachidonic acids and was partially inhibited by the specific inhibitor diphenylene iodinium. NADH oxidase activity was increased by arachidonic and linoleic acids, was insensitive to exogenous phosphatidic acid, and was inhibited by high concentrations of quinacrine. Both of these oxidases appear to reside in the plasma membrane, on the basis of migration of the activity after cellular fractionation and their apparent insensitivity to the mitochondrial poison KCN. These observations suggest that Ang II specifically activates enzyme systems that promote superoxide generation and raise the possibility that these pathways function as second messengers for long-term responses, such as hypertrophy or hyperplasia.

We tested the hypothesis that angiotensin II-induced hypertension is associated with an increase in vascular .O2- production, and characterized the oxidase involved in this process. Infusion of angiotensin II (0.7 mg/kg per d) increased systolic blood pressure and doubled vascular .O2- production (assessed by lucigenin chemiluminescence), predominantly from the vascular media. NE infusion (2.75 mg/kg per d) produced a similar degree of hypertension, but did not increase vascular .O2- production. Studies using various enzyme inhibitors and vascular homogenates suggested that the predominant source of .O2- activated by angiotensin II infusion is an NADH/NADPH-dependent, membrane-bound oxidase. Angiotensin II-, but not NE-, induced hypertension was associated with impaired relaxations to acetylcholine, the calcium ionophore A23187, and nitroglycerin. These relaxations were variably corrected by treatment of vessels with liposome-encapsulated superoxide dismutase. When Losartan was administered concomitantly with angiotensin II, vascular .O2- production and relaxations were normalized, demonstrating a role for the angiotensin type-1 receptor in these processes. We conclude that forms of hypertension associated with elevated circulating levels of angiotensin II may have unique vascular effects not shared by other forms of hypertension because they increase vascular smooth muscle .O2- production via NADH/NADPH oxidase activation.

Abstract —Incubation of endothelial cells in vitro with high concentrations of glucose activates protein kinase C (PKC) and increases nitric oxide synthase (NOS III) gene expression as well as superoxide production. The underlying mechanisms remain unknown. To address this issue in an in vivo model, diabetes was induced with streptozotocin in rats. Streptozotocin treatment led to endothelial dysfunction and increased vascular superoxide production, as assessed by lucigenin- and coelenterazine-derived chemiluminescence. The bioavailability of vascular nitric oxide (as measured by electron spin resonance) was reduced in diabetic aortas, although expression of endothelial NOS III (mRNA and protein) was markedly increased. NOS inhibition with N G -nitro-L-arginine increased superoxide levels in control vessels but reduced them in diabetic vessels, identifying NOS as a superoxide source. Similarly, we found an activation of the NADPH oxidase and a 7-fold increase in gp91 phox mRNA in diabetic vessels. In vitro PKC inhibition with chelerythrine reduced vascular superoxide in diabetic vessels, whereas it had no effect on superoxide levels in normal vessels. In vivo PKC inhibition with N -benzoyl-staurosporine did not affect glucose levels in diabetic rats but prevented NOS III gene upregulation and NOS-mediated superoxide production, thereby restoring vascular nitric oxide bioavailability and endothelial function. The reduction of superoxide in vitro by chelerythrine and the normalization of NOS III gene expression and reduction of superoxide in vivo by N -benzoyl-staurosporine point to a decisive role of PKC in mediating these phenomena and suggest a therapeutic potential of PKC inhibitors in the prevention or treatment of vascular complications of diabetes mellitus. The full text of this article is available at http://www.circresaha.org.

Abstract —Emerging evidence indicates that reactive oxygen species are important regulators of vascular function. Although NAD(P)H oxidases have been implicated as major sources of superoxide in the vessel wall, the molecular identity of these proteins remains unclear. We recently cloned nox1 (formerly mox-1), a member of a new family of gp91 phox homologues, and showed that it is expressed in proliferating vascular smooth muscle cells (VSMCs). In this study, we examined the expression of three nox family members, nox1, nox4, and gp91 phox , in VSMCs, their regulation by angiotensin II (Ang II), and their role in redox-sensitive signaling. We found that both nox1 and nox4 are expressed to a much higher degree than gp91 phox in VSMCs. Although serum, platelet-derived growth factor (PDGF), and Ang II downregulated nox4, they markedly upregulated nox1, suggesting that this enzyme may account for the delayed phase of superoxide production in these cells. Furthermore, an adenovirus expressing antisense nox1 mRNA completely inhibited the early phase of superoxide production induced by Ang II or PDGF and significantly decreased activation of the redox-sensitive signaling molecules p38 mitogen-activated protein kinase and Akt by Ang II. In contrast, redox-independent pathways induced by PDGF or Ang II were unaffected. These data support a role for nox1 in redox signaling in VSMCs and provide insight into the molecular identity of the VSMC NAD(P)H oxidase and its potentially critical role in vascular disease.

NAD(P)H oxidases are important sources of superoxide in the vasculature, the activity of which is associated with risk factors for human atherosclerosis. This study was designed to investigate the localization of superoxide production and the expression of the Nox family of NAD(P)H oxidase proteins (gp91phox, Nox1, and Nox4) in nonatherosclerotic and atherosclerotic human coronary arteries.In coronary artery segments from explanted human hearts, we examined intracellular superoxide production with dihydroethidium. In nonatherosclerotic coronary arteries, superoxide was present homogenously throughout the intima, media, and adventitia. In atherosclerotic arteries, there was an additional intense area of superoxide in the plaque shoulder, which is rich in macrophages and alpha-actin-positive cells. p22phox colocalized with gp91phox mainly in macrophages, whereas Nox4 was found only in nonphagocytic vascular cells. Expression of gp91phox and p22phox mRNA was associated with the severity of atherosclerosis. gp91phox correlated with the plaque macrophage content, whereas Nox4 correlated with the content of alpha-actin-positive cells. Nox1 expression was low both in human coronary arteries and isolated vascular cells.Several Nox proteins, including gp91phox and Nox4, may contribute to increased intracellular oxidative stress in human coronary atherosclerosis in a cell-specific manner and thus may be involved in the genesis and progression of human coronary atherosclerotic disease.

Superoxide anion formation is vital to the microbicidal activity of phagocytes. Recently, however, there is accumulating evidence that it is also involved in cell growth in vascular smooth muscle cells (VSMCs). We have shown that the hypertrophic agent angiotensin II stimulates superoxide production by activating the membrane-bound NADH/NADPH oxidase and that inhibition of this oxidase attenuates vascular hypertrophy. However, the molecular identity of this oxidase in VSMCs is unknown. We have recently cloned the cytochrome b558 alpha-subunit, p22(phox) (one of the key electron transfer elements of the NADPH oxidase in phagocytes), from a rat VSMC cDNA library, but its role in VSMC oxidase activity remains unclarified. Here we report that the complete inhibition of p22(phox) mRNA expression by stable transfection of antisense p22(phox) cDNA into VSMCs results in a decrease in cytochrome b content, which is accompanied by a significant inhibition of angiotensin II-stimulated NADH/NADPH-dependent superoxide production, subsequent hydrogen peroxide production, and [3H]leucine incorporation. We provide the first evidence that p22(phox) is a critical component of superoxide-generating vascular NADH/NADPH oxidase and suggest a central role for this oxidase system in vascular hypertrophy.

Angiotensin II (Ang II)–stimulated hypertrophy of vascular smooth muscle cells is mediated by reactive oxygen species (ROS) derived from NAD(P)H oxidases. The upstream signaling mechanisms by which Ang II activates these oxidases are unclear but may include protein kinase C, tyrosine kinases, phosphatidylinositol-3-kinase, and Rac, a small molecular weight G protein. We found that Ang II–stimulated ROS production is biphasic. The first phase occurs rapidly (peak at 30 seconds) and is dependent on protein kinase C activation. The larger second phase of ROS generation (peak at 30 minutes) requires Rac activation, because inhibition of Rac by either Clostridium difficile toxin A or dominant-negative Rac significantly inhibits Ang II–induced ROS production. Phosphatidylinositol-3-kinase inhibitors (wortmannin or LY294002) and the epidermal growth factor (EGF) receptor kinase blocker AG1478 attenuate both Rac activation and ROS generation. The upstream activator of EGF receptor transactivation, c-Src, is also required for ROS generation, because PP1, an Src kinase inhibitor, abrogates the Ang II stimulation of both responses. These results suggest that c-Src, EGF receptor transactivation, phosphatidylinositol-3-kinase, and Rac play important roles in the sustained Ang II–mediated activation of vascular smooth muscle cell NAD(P)H oxidases and provide insight into the integrated signaling mechanisms whereby Ang II stimulation leads to activation of the growth-related NAD(P)H oxidases.

Background —Angiotensin II activates NAD(P)H-dependent oxidases via AT 1 -receptor stimulation, the most important vascular source of superoxide (O 2 · − ). The AT 1 receptor is upregulated in vitro by low-density lipoprotein. The present study was designed to test whether hypercholesterolemia is associated with increased NAD(P)H-dependent vascular O 2 · − production and whether AT 1 -receptor blockade may inhibit this oxidase and in parallel improve endothelial dysfunction. Methods and Results —Vascular responses were determined by isometric tension studies, and relative rates of vascular O 2 · − production were determined by use of chemiluminescence with lucigenin, a cypridina luciferin analogue, and electron spin resonance studies. AT 1 -receptor mRNA was quantified by Northern analysis, and AT 1 -receptor density was measured by radioligand binding assays. Hypercholesterolemia was associated with impaired endothelium-dependent vasodilation and increased O 2 · − production in intact vessels. In vessel homogenates, we found a significant activation of NADH-driven O 2 · − production in both models of hyperlipidemia. Treatment of cholesterol-fed animals with the AT 1 -receptor antagonist Bay 10-6734 improved endothelial dysfunction, normalized vascular O 2 · − and NADH-oxidase activity, decreased macrophage infiltration, and reduced early plaque formation. In the setting of hypercholesterolemia, the aortic AT 1 receptor mRNA was upregulated to 166±11%, accompanied by a comparable increase in AT 1 -receptor density. Conclusions —Hypercholesterolemia is associated with AT 1 -receptor upregulation, endothelial dysfunction, and increased NADH-dependent vascular O 2 · − production. The improvement of endothelial dysfunction, inhibition of the oxidase, and reduction of early plaque formation by an AT 1 -receptor antagonist suggests a crucial role of angiotensin II–mediated O 2 · − production in the early stage of atherosclerosis.