Dysregulated extracellular matrix (ECM) metabolism may contribute to vascular remodeling during the development and complication of human atherosclerotic lesions. We investigated the expression of matrix metalloproteinases (MMPs), a family of enzymes that degrade ECM components in human atherosclerotic plaques (n = 30) and in uninvolved arterial specimens (n = 11). We studied members of all three MMP classes (interstitial collagenase, MMP-1; gelatinases, MMP-2 and MMP-9; and stromelysin, MMP-3) and their endogenous inhibitors (TIMPs 1 and 2) by immunocytochemistry, zymography, and immunoprecipitation. Normal arteries stained uniformly for 72-kD gelatinase and TIMPs. In contrast, plaques' shoulders and regions of foam cell accumulation displayed locally increased expression of 92-kD gelatinase, stromelysin, and interstitial collagenase. However, the mere presence of MMP does not establish their catalytic capacity, as the zymogens lack activity, and TIMPs may block activated MMPs. All plaque extracts contained activated forms of gelatinases determined zymographically and by degradation of 3H-collagen type IV. To test directly whether atheromata actually contain active matrix-degrading enzymes in situ, we devised a method which allows the detection and microscopic localization of MMP enzymatic activity directly in tissue sections. In situ zymography revealed gelatinolytic and caseinolytic activity in frozen sections of atherosclerotic but not of uninvolved arterial tissues. The MMP inhibitors, EDTA and 1,10-phenanthroline, as well as recombinant TIMP-1, reduced these activities which colocalized with regions of increased immunoreactive MMP expression, i.e., the shoulders, core, and microvasculature of the plaques. Focal overexpression of activated MMP may promote destabilization and complication of atherosclerotic plaques and provide novel targets for therapeutic intervention.

Vascular remodeling, defined as any enduring change in the size and/or composition of an adult blood vessel, allows adaptation and repair. On the other hand, inappropriate remodeling, including its absence, underlies the pathogenesis of major cardiovascular diseases, such as atherosclerosis and restenosis. Since degradation of the extracellular matrix scaffold enables reshaping of tissue, participation of specialized enzymes called matrix metalloproteinases (MMPs) has become the object of intense recent interest in relation to physiological (“good”) and pathological (“bad”) vascular remodeling. Experimental evidence acquired in vitro and in vivo suggests that the major drivers of vascular remodeling, hemodynamics, injury, inflammation, and oxidative stress, regulate MMP expression and activity. Alternatively, nonspecific MMP inhibition seems to oppose remodeling, as suggested by the inhibition of intimal thickening and outward arterial remodeling. An emerging concept is that MMP-related genetic variations may contribute to heterogeneity in the presentation and natural history of atherosclerosis. The hypothesis that MMPs contribute to weakening of atherosclerotic plaques is especially attractive for the potential development of therapeutic interventions aimed at preventing plaque disruption (“the ugly”), a major cause of acute cardiovascular events. However, the current lack of appropriate experimental tools, including availability of specific MMP inhibitors and pertinent animal models, still limits our understanding of the many actions and relative contributions of specific MMPs. Our future potential ability to control vascular remodeling via regulation of MMPs will also depend on reaching a consensus of what is indeed “good” or “bad” vascular remodeling, concepts that have continued to evolve and change.

Vulnerable areas of atherosclerotic plaques often contain lipid-laden macrophages and display matrix metalloproteinase activity. We hypothesized that reactive oxygen species released by macrophage-derived foam cells could trigger activation of latent proforms of metalloproteinases in the vascular interstitium. We showed that in vivo generated macrophage foam cells produce superoxide, nitric oxide, and hydrogen peroxide after isolation from hypercholesterolemic rabbits. Effects of these reactive oxygens and that of peroxynitrite, likely to result from simultaneous production of nitric oxide and superoxide, were tested in vitro using metalloproteinases secreted by cultured human vascular smooth muscle cells. Enzymes in culture media or affinity-purified (pro-MMP-2 and MMP-9) were examined by SDS-PAGE zymography, Western blotting, and enzymatic assays. Under the conditions used, incubation with xanthine/xanthine oxidase increased the amount of active gelatinases, while nitric oxide donors had no noticeable effect. Incubation with peroxynitrite resulted in nitration of MMP-2 and endowed it with collagenolytic activity. Hydrogen peroxide treatment showed a catalase-reversible biphasic effect (gelatinase activation at concentrations of 4 microM, inhibition at > or = 10-50 microM). Thus, reactive oxygen species can modulate matrix degradation in areas of high oxidant stress and could therefore contribute to instability of atherosclerotic plaques.

Background The major source of superoxide (·O 2 − ) in vascular tissues is an NADH/NADPH-dependent, membrane-bound oxidase. We have previously shown that this oxidase is activated in angiotensin II– but not norepinephrine-induced hypertension. We hypothesized that hypertension associated with chronically elevated angiotensin II might be caused in part by vascular ·O 2 − production. Methods and Results We produced hypertension in rats by a 5-day infusion of angiotensin II or norepinephrine. Rats were also treated with liposome-encapsulated superoxide dismutase (SOD) or empty liposomes. Arterial pressure was measured in conscious rats under baseline conditions and during bolus injections of either acetylcholine or nitroprusside. Vascular ·O 2 − production was assessed by lucigenin chemiluminescence. In vitro vascular relaxations were examined in organ chambers. Norepinephrine infusion increased blood pressure to a similar extent as angiotensin II infusion (179±5 and 189±4 mm Hg, respectively). In contrast, angiotensin II–induced hypertension was associated with increased vascular ·O 2 − production, whereas norepinephrine-induced hypertension was not. Treatment with liposome-encapsulated SOD reduced blood pressure by 50 mm Hg in angiotensin II–infused rats while having no effect on blood pressure in control rats or rats with norepinephrine-induced hypertension. Similarly, liposome-encapsulated SOD enhanced in vivo hypotensive responses to acetylcholine and in vitro responses to endothelium-dependent vasodilators in angiotensin II–treated rats. Conclusions Hypertension caused by chronically elevated angiotensin II is mediated in part by ·O 2 − , likely via degradation of endothelium-derived NO·. Increased vascular ·O 2 − may contribute to vascular disease in high renin/angiotensin II states.

Even though degradation products of biodegradable polymers are known to be largely non-cytotoxic, little detailed information is available regarding the degradation rate-dependent acidic byproduct effect of the scaffold. In vitro and in vivo scaffold degradation rate could be differentiated using a fast degrading polymer (e.g., poly d, l-lactic-glycolic acid co-polymer, PLGA, 50:50) and a slow degrading polymer (e.g., poly ε-caprolactone, PCL). We applied a new method to develop uniform 10 μm thickness of high porous scaffolds using a computer-controlled knife coater with a motion stage and exploiting phase transition properties of a combination of salts and water in salt-leaching method. We then verified in vitro the effect of fast degradation by assessing the viability of primary mouse aortic smooth muscle cell cultured in the three-dimensional scaffolds. We found that cell viability was inversely related to degradation rate and was dependent on the depth from the seeding (upper) surface toward the lower surface. The pH measurement of culture medium using fluorescence probes showed time-dependent decrease in pH in the PLGA scaffolds, corresponding to PLGA degradation, and closely related to cell viability. In vivo analysis of scaffolds implanted subcutaneously into the back of mice, showed significant differences in inflammation and cell invasion into PLGA vs. PCL. Importantly, these were correlated with the degree of the functional angiogenesis within the scaffolds. Again, PLGA scaffolds demonstrated less cell mobilization and less angiogenesis, further supporting the negative effect of the acidic environment created by the degradation of biocompatible polymers.

Vascular matrix remodeling occurs during development, growth, and several pathological conditions that affect blood vessels. We investigated the capacity of human smooth muscle cells (SMCs) to express matrix metalloproteinases (MMPs), enzymes that selectively digest components of the extracellular matrix (ECM), in the basal state or after stimulation with certain cytokines implicated in vascular homeostasis and pathology. Enzymatic activity associated with various proteins secreted in the culture media was detected by gelatin or casein sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gel electrophoresis zymography. Proteins were identified by immunoprecipitation and mRNA by Northern blotting. SMCs constitutively secreted a 72-kD gelatinase and the tissue inhibitors of MMPs (TIMPs) types 1 and 2. SMCs stimulated with interleukin-1 or tumor necrosis factor-alpha synthesized de novo 92-kD gelatinase, interstitial collagenase, and stromelysin. Several lines of evidence suggest that when stimulated by cytokines, SMCs produce activated forms of MMPs. Together, the constitutive and the cytokine-induced enzymes can digest all the major components of the vascular ECM. Moreover, since these mediators augment the production of MMPs without appreciably affecting the synthesis of TIMPs, locally secreted cytokines may tip the regional balance of MMP activity in favor of vascular matrix degradation.

Monocyte-derived foam cells figure prominently in rupture-prone regions of atherosclerotic plaques. Peripheral blood monocytes in culture can produce certain enzymes that degrade extracellular matrix, known as matrix metalloproteinases (MMPs). Lipid-laden macrophages may thus contribute to weakening of extracellular matrix of rupture-prone atherosclerotic plaques. However, the spectrum and regulation of MMP production by foam cells remain unknown. To investigate this issue, we isolated lipid-laden macrophages from rabbit aortic lesions produced by a combination of hypercholesterolemia and balloon injury. Freshly isolated aortic macrophage foam cells, identified using cell-specific antibodies, contained immunoreactive stromelysin and interstitial collagenase, whereas alveolar macrophages isolated from the lungs of same rabbits did not. Macrophages from both tissue sources released gelatinolytic activity consistent with the 92-kDa gelatinase. In vitro, lipid-laden aortic macrophages, but not alveolar macrophages, synthesized de novo and released immunoprecipitable stromelysin and collagenase, with or without stimulation by phorbol ester or bacterial lipopolysaccharide. These stimuli caused foam cells to release additional gelatinolytic activity that migrated faster than a purified preparation of 92-kDa gelatinase in substrate-containing polyacrylamide gels, indicating activation of the 92-kDa gelatinase or induction of the 72-kDa gelatinase. Our results show that lipid-laden macrophages elaborate MMPs capable of degrading the major constituents of vascular extracellular matrix even without further stimulation. Therefore, these cells may contribute to remodeling of the extracellular matrix during atherogenesis and to the disruption of plaques often responsible for acute clinical manifestations of atherosclerosis.

Matrix remodeling plays an important role in the physiological and pathological remodeling of blood vessels. We specifically investigated the role of matrix metalloproteinase (MMP)-9, an MMP induced during arterial remodeling, by assessing the effects of genetic MMP-9 deficiency on major parameters of arterial remodeling using the mouse carotid artery flow cessation model. Compared with remodeling of matched wild-type (WT) arteries, MMP-9 deficiency decreased intimal hyperplasia, reduced the late lumen loss, eliminated the correlation between intimal hyperplasia and geometric remodeling, and led to significant accumulation of interstitial collagen. Biochemical analysis of MMP-9 knockout (KO) arterial tissue and isolated smooth muscle cells (SMCs) confirmed the lack of MMP-9 expression or compensation by other gelatinases. To investigate potential mechanisms for the in vivo observations, we analyzed in vitro effects of MMP-9 deficiency on the migration, proliferation, and collagen gel contracting capacity of aortic SMCs isolated from MMP-9 KO and WT mice. Although proliferation was comparable, we found that MMP-9-deficient cells had not only decreased migratory activity, but they also had decreased capacity to contract collagen compared with WT cells. Thus, MMP-9 appears to be involved not only in degradation, but also in reorganization of a collagenous matrix, both facets being essential for the outcome of arterial remodeling. Our results also establish MMP-9 as an attractive therapeutic target for limiting the effects of pathological arterial remodeling in restenosis and atherosclerosis.

The benefits and safety of the treatment of mild chronic hypertension (blood pressure, <160/100 mm Hg) during pregnancy are uncertain. Data are needed on whether a strategy of targeting a blood pressure of less than 140/90 mm Hg reduces the incidence of adverse pregnancy outcomes without compromising fetal growth.In this open-label, multicenter, randomized trial, we assigned pregnant women with mild chronic hypertension and singleton fetuses at a gestational age of less than 23 weeks to receive antihypertensive medications recommended for use in pregnancy (active-treatment group) or to receive no such treatment unless severe hypertension (systolic pressure, ≥160 mm Hg; or diastolic pressure, ≥105 mm Hg) developed (control group). The primary outcome was a composite of preeclampsia with severe features, medically indicated preterm birth at less than 35 weeks' gestation, placental abruption, or fetal or neonatal death. The safety outcome was small-for-gestational-age birth weight below the 10th percentile for gestational age. Secondary outcomes included composites of serious neonatal or maternal complications, preeclampsia, and preterm birth.A total of 2408 women were enrolled in the trial. The incidence of a primary-outcome event was lower in the active-treatment group than in the control group (30.2% vs. 37.0%), for an adjusted risk ratio of 0.82 (95% confidence interval [CI], 0.74 to 0.92; P<0.001). The percentage of small-for-gestational-age birth weights below the 10th percentile was 11.2% in the active-treatment group and 10.4% in the control group (adjusted risk ratio, 1.04; 95% CI, 0.82 to 1.31; P = 0.76). The incidence of serious maternal complications was 2.1% and 2.8%, respectively (risk ratio, 0.75; 95% CI, 0.45 to 1.26), and the incidence of severe neonatal complications was 2.0% and 2.6% (risk ratio, 0.77; 95% CI, 0.45 to 1.30). The incidence of any preeclampsia in the two groups was 24.4% and 31.1%, respectively (risk ratio, 0.79; 95% CI, 0.69 to 0.89), and the incidence of preterm birth was 27.5% and 31.4% (risk ratio, 0.87; 95% CI, 0.77 to 0.99).In pregnant women with mild chronic hypertension, a strategy of targeting a blood pressure of less than 140/90 mm Hg was associated with better pregnancy outcomes than a strategy of reserving treatment only for severe hypertension, with no increase in the risk of small-for-gestational-age birth weight. (Funded by the National Heart, Lung, and Blood Institute; CHAP ClinicalTrials.gov number, NCT02299414.).

Abstract Transformative technologies are enabling the construction of three-dimensional maps of tissues with unprecedented spatial and molecular resolution. Over the next seven years, the NIH Common Fund Human Biomolecular Atlas Program (HuBMAP) intends to develop a widely accessible framework for comprehensively mapping the human body at single-cell resolution by supporting technology development, data acquisition, and detailed spatial mapping. HuBMAP will integrate its efforts with other funding agencies, programs, consortia, and the biomedical research community at large towards the shared vision of a comprehensive, accessible three-dimensional molecular and cellular atlas of the human body, in health and under various disease conditions.