We have developed an in-vitro system for studying the dynamic response of vascular endothelial cells to controlled levels of fluid shear stress. Cultured monolayers of bovine aortic endothelial cells are placed in a cone-plate apparatus that produces a uniform fluid shear stress on replicate samples. Subconfluent endothelial cultures continuously exposed to 1–5 dynes/cm2 shear proliferate at a rate comparable to that of static cultures and reach the same saturation density (≃ 1.0–1.5 × 105 cells/cm2). When exposed to a laminar shear stress of 5–10 dynes/cm2, confluent monolayers undergo a time-dependent change in cell shape from polygonal to ellipsoidal and become uniformly oriented with flow. Regeneration of linear “wounds” in confluent monolayer appears to be influenced by the direction of the applied force. Preliminary studies indicate that certain endothelial cell functions, including fluid endocytosis, cytoskeletal assembly and nonthrombogenic surface properties, also are sensitive to shear stress. These observations suggest that fluid mechanical forces can directly influence endothelial cell structure and function. Modulation of endothelial behavior by fluid shear stresses may be relevant to normal vessel wall physiology, as well as the pathogenesis of vascular diseases, such as atherosclerosis.

The effects of hemodynamic forces upon vascular endothelial cell turnover were studied by exposing contact-inhibited confluent cell monolayers to shear stresses of varying amplitude in either laminar or turbulent flow. Laminar shear stresses (range, 8-15 dynes/cm2; 24 hr) induced cell alignment in the direction of flow without initiating the cell cycle. In contrast, turbulent shear stresses as low as 1.5 dynes/cm2 for as short a period as 3 hr stimulated substantial endothelial DNA synthesis in the absence of cell alignment, discernible cell retraction, or cell loss. The results of these in vitro experiments suggest that in atherosclerotic lesion-prone regions of the vascular system, unsteady blood flow characteristics, rather than the magnitude of wall shear stress per se, may be the major determinant of hemodynamically induced endothelial cell turnover.

In vitro investigations of the responses of vascular endothelium to fluid shear stress have typically been conducted under conditions where the time-mean shear stress is uniform. In contrast, the in vitro experiments reported here have re-created the large gradients in surface fluid shear stress found near arterial branches in vivo; specifically, we have produced a disturbed-flow region that includes both flow separation and reattachment. Near reattachment regions, shear stress is small but its gradient is large. Cells migrate away from this region, predominantly in the downstream direction. Those that remain divide at a rate that is high compared with that of cells subjected to uniform shear. We speculate that large shear stress gradients can induce morphological and functional changes in the endothelium in regions of disturbed flow in vivo and thus may contribute to the formation of atherosclerotic lesions.

Blood vessels are exposed to multiple mechanical forces that are exerted on the vessel wall (radial, circumferential and longitudinal forces) or on the endothelial surface (shear stress). The stresses and strains experienced by arteries influence the initiation of atherosclerotic lesions, which develop at regions of arteries that are exposed to complex blood flow. In addition, plaque progression and eventually plaque rupture is influenced by a complex interaction between biological and mechanical factors—mechanical forces regulate the cellular and molecular composition of plaques and, conversely, the composition of plaques determines their ability to withstand mechanical load. A deeper understanding of these interactions is essential for designing new therapeutic strategies to prevent lesion development and promote plaque stabilization. Moreover, integrating clinical imaging techniques with finite element modelling techniques allows for detailed examination of local morphological and biomechanical characteristics of atherosclerotic lesions that may be of help in prediction of future events. In this ESC Position Paper on biomechanical factors in atherosclerosis, we summarize the current ‘state of the art’ on the interface between mechanical forces and atherosclerotic plaque biology and identify potential clinical applications and key questions for future research.

A chronic proinflammatory state precedes pathological change in arterial endothelial cells located within regions of susceptibility to atherosclerosis. The potential contributions of regulatory microRNAs to this disequilibrium were investigated by artery site-specific profiling in normal adult swine. Expression of endothelial microRNA10a (miR-10a) was lower in the athero-susceptible regions of the inner aortic arch and aorto-renal branches than elsewhere. Expression of Homeobox A1 (HOXA1), a known miR-10a target, was up-regulated in the same locations. Endothelial transcriptome microarray analysis of miR-10a knockdown in cultured human aortic endothelial cells (HAEC) identified IκB/NF-κB–mediated inflammation as the top category of up-regulated biological processes. Phosphorylation of IκBα, a prerequisite for IκBα proteolysis and NF-κB activation, was significantly up-regulated in miR-10a knockdown HAEC and was accompanied by increased nuclear expression of NF-κB p65. The inflammatory biomarkers monocyte chemotactic protein 1 (MCP-1), IL-6, IL-8, vascular cell adhesion molecule 1 (VCAM-1), and E-selectin were elevated following miR-10a knockdown. Conversely, knockin of miR-10a (a conservative 25-fold increase) inhibited the basal expression of VCAM-1 and E-selectin in HAEC. Two key regulators of IκBα degradation—mitogen-activated kinase kinase kinase 7 (MAP3K7; TAK1) and β-transducin repeat-containing gene (βTRC)—contain a highly conserved miR-10a binding site in the 3′ UTR. Both molecules were up-regulated by miR-10a knockdown and suppressed by miR-10a knockin, and evidence of direct miR-10a binding to the 3′ UTR was demonstrated by luciferase assay. Comparative expression studies of endothelium located in athero-susceptible aortic arch and athero-protected descending thoracic aorta identified significantly up-regulated MAP3K7, βTRC, phopho-IκBα, and nuclear p65 expression suggesting that the differential expression of miR-10a contributes to the regulation of proinflammatory endothelial phenotypes in athero-susceptible regions in vivo.

The relationships between fluid shear stress, a physiologically relevant mechanical force in the circulatory system, and pinocytosis (fluid-phase endocytosis) were investigated in cultured bovine aortic endothelial cells using a specially designed apparatus. Continuous exposure to steady shear stresses (1-15 dyn/cm2) in laminar flow stimulated time- and amplitude-dependent increases in pinocytotic rate which returned to control levels after several hours. After 48 h continuous exposure to steady shear stress, removal to static conditions also resulted in a transient increase in pinocytotic rate, suggesting that temporal fluctuations in shear stress may influence endothelial cell function. Endothelial pinocytotic rates remained constant during exposure to rapidly oscillating shear stress at near physiological frequency (1 Hz) in laminar flow. In contrast, however, a sustained elevation of pinocytotic rate occurred when cells were subjected to fluctuations in shear stress amplitude (3-13 dyn/cm2) of longer cycle time (15 min), suggesting that changes in blood flow of slower periodicity may influence pinocytotic vesicle formation. As determined by [3H]thymidine autoradiography, neither steady nor oscillating shear stress stimulated the proliferation of confluent endothelial cells. These observations indicate that: (a) alterations in fluid shear stress can significantly influence the rate of formation of pinocytotic vesicles in vascular endothelial cells, (b) this process is force- and time-dependent and shows accommodation, (c) certain patterns of fluctuation in shear stress result in sustained elevation of pinocytotic rate, and (d) shear stresses can modulate endothelial pinocytosis independent of growth stimulation. These findings are relevant to (i) transendothelial transport and the metabolism of macromolecules in normal endothelium and (ii) the role of hemodynamic factors in the localization of atherosclerotic lesions in vivo.

In the arterial circulation, regions of disturbed flow (DF), which are characterized by flow separation and transient vortices, are susceptible to atherogenesis, whereas regions of undisturbed laminar flow (UF) appear protected. Coordinated regulation of gene expression by endothelial cells (EC) may result in differing regional phenotypes that either favor or inhibit atherogenesis. Linearly amplified RNA from freshly isolated EC of DF (inner aortic arch) and UF (descending thoracic aorta) regions of normal adult pigs was used to profile differential gene expression reflecting the steady state in vivo . By using human cDNA arrays, ≈2,000 putatively differentially expressed genes were identified through false-discovery-rate statistical methods. A sampling of these genes was validated by quantitative real-time PCR and/or immunostaining en face . Biological pathway analysis revealed that in DF there was up-regulation of several broad-acting inflammatory cytokines and receptors, in addition to elements of the NF-κB system, which is consistent with a proinflammatory phenotype. However, the NF-κB complex was predominantly cytoplasmic (inactive) in both regions, and no significant differences were observed in the expression of key adhesion molecules for inflammatory cells associated with early atherogenesis. Furthermore, there was no histological evidence of inflammation. Protective profiles were observed in DF regions, notably an enhanced antioxidative gene expression. This study provides a public database of regional EC gene expression in a normal animal, implicates hemodynamics as a contributory mechanism to athero-susceptibility, and reveals the coexistence of pro- and antiatherosclerotic transcript profiles in susceptible regions. The introduction of additional risk factors may shift this balance to favor lesion development.

Objective— Endothelial transcription factors Krüppel-like factor 4 (KLF4) and KLF2 are implicated in protection against atherogenesis. Steady-state microRNA (miR) regulation of KLFs in vivo is accessible by screening region-specific endothelial miRs and their targets. Methods and Results— A subset of differentially expressed endothelial miRs was identified in atherosusceptible versus protected regions of normal swine aorta. In silico analyses predicted highly conserved binding sites in the 3′-untranslated region (3′UTR) of KLF4 for 5 miRs of the subset (miR-26a, -26b, -29a, -92a, and -103) and a single binding site for a miR-92a complex in the 3′UTR of KLF2. Of these, only miR-92a knockdown and knock-in resulted in responses of KLF4 and KLF2 expression in human arterial endothelial cells. Dual luciferase reporter assays demonstrated functional interactions of miR-92a with full-length 3′UTR sequences of both KLFs and with the specific binding elements therein. Two evolutionarily conserved miR-92a sites in KLF4 3′UTR and 1 site in KLF2 3′UTR were functionally validated. Knockdown of miR-92a in vitro resulted in partial rescue from cytokine-induced proinflammatory marker expression (monocyte chemotactic protein 1, vascular cell adhesion molecule-1, E-selectin, and endothelial nitric oxide synthase) that was attributable to enhanced KLF4 expression. Leukocyte-human arterial endothelial cell adhesion experiments supported this conclusion. In swine aortic arch endothelium, a site of atherosusceptibility where miR-92a expression was elevated, both KLFs were expressed at low levels relative to protected thoracic aorta. Conclusion— miR-92a coregulates KLF4 and KLF2 expression in arterial endothelium and contributes to phenotype heterogeneity associated with regional atherosusceptibility and protection in vivo.