Kv1.3 channels and vascular smooth muscle phenotypic modulation: A new therapeutical target for vascular diseases

Abstract

Differentiated vascular smooth muscle cells (VSMCs) from the vessel wall exhibit contractile phenotype that allows them to participate in the regulation of vessel lumen diameter. In response to vascular wall injury, these cells are able to change their phenotype, in a process known as phenotypic modulation (PM). This physiological process allows cells to proliferate and migrate into the damaged tissue for renewal. However, excessive PM can have harmful consequences that determine the development of various pathologies associated with cardiovascular disease. In this work, we will focus on two main pathologies resulting from PM processes: intimal hyperplasia (IH) and vascular calcification (VC). IH is the pathophysiological process that explains the failure of bypass surgeries and angioplasty with or without stenting, since surgery initiates excessive remodeling that reoccludes the vessel. Previous work by our group demonstrated that increased functional expression of the Kv1.3 channel contributes to PM of VSMCs, since Kv1.3 blockers inhibit migration and proliferation. In addition, Kv1.3 blockade also inhibits IH in human vessel rings in organ culture and in an in vivo mouse model of vascular injury. In this work, we have further investigated the role of Kv1.3 channels in the PM of VSMCs. We explored in one hand the possibility of using blockers of these channels (alone or in combination) as new anti-restenosis therapies. In addition, we analyzed the contribution of the Kv1.3 channel to PM in response to VSMCs dedifferentiation towards an osteogenic phenotype leading to VC. We found that local, perivascular application of a PAP-1- (a Kv1.3 blocker) releasing hydrogel effectively and safely decreases the development of IH. We conclude that PAP-1 could represent a new anti-restenotic therapy in drug-eluting stents. However, when we explored the combined use of the Kv1.3 blocker (which acts through the MAPK pathway) together with everolimus (an mTOR pathway inhibitor, the current treatment in stents) we found that, although the drugs inhibit IH when administered separately, their effects are nullified in combination. These results were replicated in vivo, ex vivo and in vitro, and led us to explore the molecular targets of this suppressive effect. We found that P70S6K activation replicated our functional experiments, and that it is the migratory (and not the proliferative) response of VSMCs in vitro what correlates with remodeling in vivo. Finally, we have explored the contribution of Kv1.3 in the development of CV associated with chronic kidney disease (CKD). Our previous studies indicated that Kv1.3 channel blockers were able to reverse the calcification of VSMCs induced by uremic serum from CKD patients in in vitro models. In this work, we have developed in vivo and ex vivo models of CKD to explore the role of Kv1.3 blockers in the development of arterial stiffness that characterizes CV. We observed increased vascular stiffness in our model of CKD that was reproduced in organ culture of vessels with uremic serum. Furthermore, our results demonstrate that Kv1.3 blockade prevents this remodeling but cannot reverse it once it is initiated. We conclude that Kv1.3 channel is relevant for the regulation of PM in its early stages, so that its blockade represents a useful tool in the prevention of vascular diseases associated with VSMCs PM.

Las células de musculo liso vascular (VSMCs) presentan en estado diferenciado un fenotipo contráctil con el que participan en la regulación del diámetro de la luz del vaso. En respuesta a la lesión de la pared vascular, estas células son capaces de cambiar su fenotipo, en un proceso denominado modulación fenotípica (MP). Se trata de un proceso fisiológico que permite a las células proliferar y migrar hacia el tejido dañado para renovarlo. Sin embargo, una MP excesiva puede tener consecuencias lesivas que determinan el desarrollo de diversas patologías asociadas a la enfermedad cardiovascular. En este trabajo nos centraremos en dos patologías principales consecuencia de los procesos de MP: hiperplasia de la íntima (HI) y calcificación vascular (CV). La HI es el proceso fisiopatológico que explica el fallo de las cirugías de bypass y angioplastia con o sin stent, ya que la cirugía inicia un remodelado excesivo que re-ocluye el vaso. Los trabajos previos de nuestro grupo demuestran que una mayor expresión funcional del canal de potasio Kv1.3 contribuye a la MP de las VSMCs, ya que los bloqueantes de Kv1.3 inhiben la migración y proliferación. Además, el bloqueo del Kv1.3 también inhibe la HI en cultivos de anillos vasculares humanos y en un modelo in vivo de lesión vascular en ratón. En este trabajo hemos profundizado en el papel de los canales Kv1.3 en la MP de las VSMCs explorando por un lado la posibilidad de usar bloqueantes de estos canales (solos o en combinación) como nuevas terapias anti-restenosis y por otro lado analizando la contribución del canal Kv1.3 a la MP en respuesta a la desdiferenciación de las VSMCs al fenotipo osteogénico que conduce a la CV. Encontramos que la aplicación local, perivascular, de un hidrogel liberador de PAP-1 (un bloqueante de Kv1.3) disminuye el desarrollo de HI de forma eficaz y segura, concluyendo que el PAP-1 podría representar una nueva una terapia antirestenosis en stents farmacoactivos. Sin embargo, cuando exploramos el uso combinado del bloqueante del Kv1.3 (que actúa por la vía de MAPK) junto a everolimus (inhibidor de la vía de mTOR, el tratamiento actual en los stents) nos encontramos que, si bien los fármacos inhiben la HI al administrarse por separado, sus efectos se anulan en combinación. Estos resultados se replicaron in vivo, ex vivo e in vitro, y nos llevaron a explorar las dianas moleculares de este efecto supresor. Encontramos que la activación de P70S6K replicaba nuestros experimentos funcionales, y que es la respuesta migratoria (y no la proliferativa) de las VSMCs in vitro la que correlaciona con el remodelado in vivo. Finalmente, hemos explorado la contribución de Kv1.3 en el desarrollo de la CV asociada a la enfermedad renal crónica (ERC). Nuestros estudios previos indicaban que los bloqueantes del canal Kv1.3, eran capaces de revertir la calcificación de VSMCs inducida por suero urémico procedente de pacientes con ERC en modelos in vitro. En este trabajo, hemos desarrollado modelos in vivo y ex vivo de ERC para explorar el papel de los bloqueantes del Kv1.3 en desarrollo de la rigidez arterial que caracteriza a la CV. Observamos un aumento de la rigidez vascular en nuestro modelo de ERC que se reprodujo en vasos en cultivo de órgano con suero urémico. Además, nuestros resultados demuestran que el bloqueo del Kv1.3 previene este remodelado, pero no lo puede revertir una vez iniciado. Concluimos que el canal Kv1.3 es relevante para la regulación de la MP en sus estadios iniciales, de forma que su bloqueo representa una herramienta útil en la prevención de las enfermedades vasculares asociadas a la MP de las VSMCs.