Endothelial cell response and leukocyte adhesion in an asymmetric stenosis model: role of fluid wall shear stress gradients

The focal nature of atherosclerosis has been associated with complex geometries. The response of endothelial cells to hemodynamics is believed to be linked to atherosclerotic plaque development, progression and rupture. Great advances have been made in our ability to study cellular responses to mechanical forces. Unfortunately, the inability to recreate in vitro the realistic in vivo mechanical stimuli may be obscuring our understanding. In order to determine the mechanistic link between hemodynamics and plaque stability, three dimensional in vitro cell culture models were designed and biomolecular techniques were adapted to analyze endothelial cell function. Dextran was used as a supplement to increase the growth medium viscosity and its effects were characterized. Straight/tubular in vitro models were used to study the acute and long term response of endothelial cells to wall shear stress (WSS) of different magnitude. Anatomically realistic and asymmetric stenosis models were created in order to examine the morphological response of endothelial cells to complex hemodynamic forces. Within the stenosis models, the regional adhesive properties of neutrophils were tested as well as the localized expression of inflammatory molecules. Results show that appropriate time matched dextran containing static controls are required as this additive modified inflammatory marker cell expression both under static and flow conditions in a concentration and time dependent manner. Endothelial cells exposed to wall shear stress altered their morphology depending on the magnitude and duration of exposure. Morphological adaptation was sensitive to the spatial wall shear stress gradients present in both the asymmetric stenosis and the anatomically realistic models. Neutrophil adhesion and inflammatory marker expression differed in the spatial WSS gradient regions of the asymmetric stenosis models. This study highlights the possible role for spatial wall shear stress gradients in tL'athérosclérose est une maladie qui se développe localement où le flux sanguin est perturbé. Les cellules endothéliales sont soumises en permanence à des contraintes mécaniques et leur réponse a été reliée au développement et à la progression de l'artériosclérose. Différentes chambres d'écoulement ont été développées in vitro afin d'étudier la réponse des cellules endothéliales aux forces de cisaillement et de grandes avancées ont été faites afin de mieux comprendre les réponses cellulaires à l'écoulement sanguin. Ces modèles ne peuvent reproduire adéquatement la complexité des conditions présentes in vivo. Ainsi, afin de déterminer le lien entre les forces hémodynamiques et la stabilité des plaques artérioscléreuses, des modèles tridimensionnels ont été développés ainsi que les techniques biomoléculaires nécessaire afin d'étudier la fonction des cellules à l'intérieur de ceux-ci. Du dextran a été utilisé comme supplément afin d'augmenter la viscosité du média de culture et son effet sur les cellules a été caractérisé. Des modèles tubulaires ont été utilisés afin d'étudier la réponse à court et à long terme des cellules endothéliales à des forces de cisaillement de diverses magnitudes. La réponse morphologique des cellules endothéliales, suite à l'exposition d'un débit constant, a été étudiée dans des modèles idéalisés de sténoses asymétriques et réalistes anatomiquement. L'expression régionale des cellules endothéliales et l'adhésion locale de neutrophiles dans les modèles sténosés ont été quantifiées en fonction de la durée et de la magnitude des forces de cisaillement. Les résultats obtenus démontrent que le dextran peut affecter la réponse des cellules et ainsi les contrôles appropriés doivent être utilisé. La morphologie des cellules endothéliales varie avec la durée et la force du cisaillement ainsi que dans les régions où des gradients sont présen