LDL aggregation susceptibility as a novel risk factor for atherosclerosis

Atherosclerotic cardiovascular disease (ASCVD) is the leading worldwide cause of mortality and morbidity, being both an economic burden for healthcare systems and a source of great individual suffering. The low density lipoprotein cholesterol (LDL-C) concentration in plasma is a causal and modifiable risk factor for ASCVD. Atherogenesis is initiated and then driven by retention, modification, and aggregation of low density lipoprotein (LDL) particles in the arterial intima. Experimental work by our group and others has demonstrated that aggregated LDL particles can induce lipid accumulation in macrophages and this can also activate intimal cells and thereby induce inflammation in the arterial wall. Here, it was hypothesized that it is not only the plasma concentration of LDL particles that influences atherogenesis, but also their characteristics. This thesis aims at testing whether subjects with aggregation-prone LDL have an increased risk for ASCVD and/or ASCVD death. For this purpose, a method to measure LDL aggregation susceptibility was developed, and it was further studied if LDL aggregation susceptibility is modifiable. In addition, it is studied here if LDL aggregates cause a heightened inflammatory response in cells present in the artery wall. The first publication was a hypothesis-generating study, where it was discovered that LDL particles from ASCVD patients are more prone to aggregate in comparison to those from healthy individuals, and importantly, that aggregation-prone LDL predicted future ASCVD death in a group of patients with established ASCVD. It was found that the aggregation-prone LDL particles are rich in sphingolipids but have less phosphatidylcholines than their aggregation-resistant LDL counterparts. Three interventions in animal models aimed at altering the LDL composition, were observed not only to lower the susceptibility LDL particles to aggregate but also to slow the development of atherosclerosis. Similar compositional changes induced in humans by proprotein convertase subtilisin/kexin type 9 (PCSK9) inhibition or adoption of a healthy Nordic diet also lowered the LDL aggregation susceptibility. In the second publication it was demonstrated that genetic background, here ethnicity, influenced LDL aggregation susceptibility. LDL particles from South Asians were more prone to aggregate compared to those from white Caucasians, a finding that may partly explain why South Asians are at higher risk for ASCVD. The third study was a dietary intervention to investigate if different macronutrients could alter LDL particles aggregation susceptibility. Saturated fats were found to increase LDL aggregation, while unsaturated fats or simple sugars had no effect. In addition, the consumption of plant stanol esters, that are known to reduce the LDL-C concentration, was found to decrease the LDL aggregation susceptibility. This thesis propose that the aggregation susceptibility of LDL particles is a novel modifiable risk factor of ASCVD; its assessment may add predictive power to the conventional ASCVD risk estimation. The evaluation of this biomarker may facilitate the identification of those patients who would benefit most from aggressive LDL-C-lowering therapies.Ateroskleroosi eli valtimonkovettumatauti on maailman yleisin kuolinsyy ja se kehittyy vuosien kuluessa lapsuudesta lähtien. Plasman LDL-hiukkasten kolesterolipitoisuus on merkittävä riskitekijä taudin kehittymiselle, mikä on näytetty geneettisissä, epidemiologisissa ja kliinisissä tutkimuksissa. LDL-hiukkasten pitoisuus valtimon seinämän sisäkerroksessa, intimassa, on sama kuin plasmassa. LDL-hiukkasten kertyminen valtimon seinämään alkaa plasman LDL kolesteroli pitoisuuden ollessa suurempi kuin fysiologinen LDL kolesteroli pitoisuus (1-1,5 mmol/l). Intimassa LDL-hiukkaset takertuvat solunulkoiseen tukiverkkoon ja ovat alttiita entsymaattisille ja hapettaville muutoksille. Muuntuneet LDL-hiukkaset ovat alttiita aggregoitumaan eli takertumaan toisiinsa, ja aggregoituneet LDL-hiukkaset puolestaan tarttuvat entistä tiukemmin soluväliaineeseen. LDL-hiukkasten kerääntyminen intimaan houkuttelee paikalle makrofageja, jotka fagosytosoivat erityisesti aggregoituneita hiukkasia, mikä johtaa vaahtosolujen muodostumiseen ja paikalliseen tulehdukseen. Valtimoplakkien tiedetään sisältävän aggregoituneita LDL-hiukkasia ja eläinkokeissa on näytetty, että plasman LDL aggregoituu valtimon seinämässä vain kahden tunnin kuluessa siitä, kun eläimeen injektoidaan LDL-hiukkasia ja plasman LDL-kolesterolipitoisuus kohoaa. Tässä väitöskirjatyössä kehitin menetelmän mitata LDL-hiukkasten aggregoitumisherkkyyttä verinäytteistä. Osoitin, että LDL-hiukkasten herkkyys aggregoitua vaihtelee ihmisten välillä ja johtuu eroista LDL-hiukkasten pinnan rasvojen suhteista, fosfatidyylikoliinien ja sfingomyeliinien suhteellisesta osuudesta. Sfingomyeliiniä paljon sisältävät LDL-hiukkaset aggregoituvat herkemmin, ja fosfatidyylikoliinia paljon sisältävät LDL-hiukkaset hitaammin. Osoitin, että LDL-hiukkaset aggregoituvat herkemmin sepelvaltimotautipotilailla kuin terveillä verrokeilla ja mikä tärkeintä, LDL- hiukkasten aggregoitumisherkkyys ennusti tulevaa sydänkuolemaa sepelvaltimotautia sairastavilla potilailla. LDL-hiukkasten aggregoitumisherkkyys osoittautui itsenäiseksi riskitekijäksi, eikä korreloinut esimerkiksi plasman LDL-kolesterolipitoisuuden tai iän kanssa, eikä eronnut miesten ja naisten välillä. Lisäksi osoitin, että LDL-hiukkasten herkkyys aggregoitua riippuu mahdollisesti ainakin osittain geneettisistä tekijöistä, sillä eteläaasialaisten LDL aggregoitui herkemmin kuin länsimaalaisten. Kliinisesti on tärkeää tietää voiko LDL-hiukkasten aggregoitumisherkkyyteen vaikuttaa elintavoilla tai lääkityksellä. Näytin tässä työssä, että ravinnon rasvoilla on merkitystä, sillä tyydyttyneet rasvat huononsivat LDL-hiukkasten laatua ja lisäsivät LDL-hiukkasten aggregoitumisherkkyyttä. Pohjoismainen terveellinen ruokavalio, erityisesti siihen kuuluvat kasviöljyt paransivat LDL- hiukkasten laatua ja vähensivät aggregoitumista. PCSK9 (proprotein convertase subtilisin/kexin 9) estäjä, plasman kolesterolipitoisuutta laskeva monoklonaalinen vasta- ainelääke vähensi LDL-hiukkasten aggregoitumista parantamalla LDL-hiukkasten laatua. Lisäksi havaittiin, että kasviöljypohjaisen kasvistanolia sisältävän levitteen käyttö puolestaan paransi LDL-hiukkasten laatua ja vähensi LDL-hiukkasten aggregoitumisherkkyyttä. Tämä väitöskirjatyö esittelee LDL-hiukkasten aggregoitumisherkkyyden uutena muokattavissa olevana riskitekijänä ateroskleroottisille valtimosairauksille. LDL- hiukkasten aggregoitumisherkkyys voi tulevaisuudessa auttaa tunnistamaan potilaat, jotka hyötyisivät eniten aggressivisesta LDL kolesterolia alentavasta lääkityksestä