• No results found

Platelets in inflammation

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Platelets in inflammation"

Copied!
84
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

Linköping University Medical Dissertations No. 1176 

 

 

 

 

Platelets in inflammation 

 

Role of complement protein C1q, C­reactive protein 

and toll­like receptors

 

 

 

 

Caroline Skoglund 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Division of Drug Research 

Department of Medical and Health Sciences 

Faculty of Health Sciences 

Linköping University, SWEDEN 

 

Linköping 2010 

(2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

© Caroline Skoglund 2010 

 

ISBN 978­91­7393­418­3 

ISSN 0345­0082 

 

 

over:  Adhering platelets stained for F‐actin and visualized 

C

with fluorescence microscopy 

 

During the course of research underlying this thesis, Caroline 

Skoglund was enrolled in Forum Scientium. A multidisciplinary 

doctoral program at Linköping University, Sweden 

 

 

 

Printed by LiU­tryck, Linköping, Sweden, 2010 

(3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

 

“I find that a great part of the information I have  w f as acquired by looking up something and  inding something else on the way”     (Franklin P. Adams 1881‐1960) 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4)
(5)

ABSTRACT 

 

Platelets  are  proven  essential  in  haemostasis,  however,  they  are  now  also  increasingly  recognized  as  cells  with  important  immunomodulatory  properties,  e.g.  through  interaction  with  leukocytes  and  several  species  of  bacteria and by release inflammatory mediators upon activation. Moreover,  platelets  express  receptors  involved  in  immunity  and  inflammation  such  as  Fcγ‐receptor  IIa,  complement  protein  C1q‐receptors  (gC1qR,  cC1qR,  CD93  and  α2β1)  and  toll‐like  receptors  (TLR‐1,  ‐2,  ‐4,  ‐6  and  ‐9).  C1q,  C‐reactive  protein  (CRP)  and  TLRs  are  all  pattern  recognition  molecules  able  to  recognize non‐self structures and initiate an immune response. Uncontrolled  or misdirected activation of platelets and the immune response is involved in  the  onset  and  progress  of  several  conditions  with  an  inflammatory  component, such as coronary artery disease and autoimmune diseases.   Hence,  the  aims  of  the  present  thesis  were  to  investigate  the  effects  and 

mechanisms  of  C1 and  CRP  on  platelet  activation,  and  to  clarify  the  intracellular signaling events provoked by TLR‐2 stimulation of platelets.   Platelet  interaction  with  immune  complexes  is  poorly  understood,  however  by  utilizing  well‐characterized  model  surfaces  with  adsorbed  IgG  and  microscopy,  we  show  that  both  C1q  and  CRP  are  able  to  inhibit  FcγR‐ mediated  platelet  adhesion  and  spreading.  Using  isolated  platelets  in  suspension  and  flow  cytometry,  we  also  found  that  C1q  triggers  a  rapid,  moderate  and  transient  up‐regulation  of  P‐selectin  that  is  sensitive  to  blockade  of  gC1qR  and  protein  kinase  C  (PKC),  but  not  blockade  of  α2β1.  Additionally,  subsequent  platelet  activation  by  collagen  or  collagen‐related  peptide (GPVI specific) is inhibited by C1q, suggesting a role for GPVI in C1q‐ mediated  regulation  of  collagen‐induced  platelet  activation.  Whole  blood  studies revealed that C1q inhibits total cell aggregation, formation of platelet‐ leukocyte  aggregates,  and  potentiates  the  production  of  reactive  oxygen  species  (ROS),  all  in  a  platelet‐dependent  manner.  Furthermore,  using  the  TLR‐2/1  agonist  Pam3CSK4  we  found  that  TLR‐2/1‐activation  of  platelets  is  mediated via a P2X1‐dependent increase in intracellular free Ca2+, P2Y1 and  P2Y12 –receptor ligation, and activation of cyclooxygenase. We also found that  platelets  express  IRAK‐1,  however,  without  being  rapidly  phosphorylated  upon  Pam3CSK4  stimulation  and  thus  probably  not  involved  in  the  early  aggregation/secretion response. Furthermore, TLR‐2/6 stimulation does not  lead to platelet activation but instead inhibits TLR‐2/1‐provoked activation. 

(6)

Taken together, these findings further strengthen the role of platelets as key  layers in inflammatory processes.    

p    

(7)

POPULÄRVETENSKAPLIG SAMMANFATTNING 

Blodplättarna  (trombocyterna)  har  en  viktig  roll  i  hemostasen,  d.v.s.  den  process som hjälper till att stoppa en blödning som uppstått då ett blodkärl  skadats. När blodplättarna aktiveras blir de större, ändrar form och klumpar  ihop sig (aggregerar), allt för att täppa till och förhindra blodförlust. Förutom  denna  uppgift,  så  har  det  på  senare  år  även  visat  sig  att  blodplättarna  har  andra viktiga egenskaper, till exempel så medverkar de i den inflammatoriska  processen. Inflammation är en viktig del i kroppens försvar mot framför allt  bakterieinfektioner,  då  immunförsvaret  jobbar  hårt  för  att  bekämpa  de  skadliga  inkräktarna.  Blodplättarna  kan  bland  annat  samverka  med        vita  blodkroppar  och  frisätter  ämnen  som  påverkar  såväl  dom  själva        som  andra  typer  av  celler.  På  sin  yta  uttrycker  blodplättarna  olika  igenkänningsmolekyler, så kallade receptorer, som binder in och reagerar på  specifika  ämnen,  vilket  ofta  leder  till  aktivering.  Under  den  tidiga  fasen  av  inflammationen  ökar  blodets  nivåer  av  C‐reaktivt  protein  (CRP)  snabbt  och  komplementsystemet, som är en viktig del av vårt medfödda immunförsvar,  aktiveras. C1q är ett av proteinerna som ingår i komplementsystemet. Det har  också  visat  sig  att  blodplättar  kan  aktiveras  av  vissa  bakterier,  t.ex.  via  receptorer på blodplättarna som kallas toll‐lika receptorer (TLR:er), och som  reagerar  på  olika  bakteriestrukturer.  Idag  vet  vi  att  en  okontrollerad  eller  felriktad aktivering av blodplättar och ett immunförsvar i obalans kan bidra  till  inflammatoriska  sjukdomar  som  hjärt‐kärlsjukdom  och  autoimmuna  sjukdomar. Det är därför viktigt att förstå de bakomliggande mekanismerna.   Syftet  med  studierna  som  ingår  i  den  här  avhandlingen  var  således  att  studera hur C1q och CRP påverkar aktivering av blodplättar samt att klargöra  hur aktivering via TLR‐2/1 går till, genom att undersöka vilka  signaler som  skickas inuti cellen. 

Resultaten visar att CRP och C1q minskar blodplättarnas förmåga att binda in  till  och  sprida  ut  sig  på  en  IgG‐yta,  som  normalt  är  en  kraftigt  blodplättsaktiverande  yta.  Vidare  fann  vi  att  C1q  som  ges  till  blodplättar  i  lösning,  ökar  uttrycket  av  P‐selektin  på  ytan  av  blodplättarna,  och  att  detta  beror  på  aktivering  av  receptorn  gC1qR  och  enzymet  proteinkinas  C.  Dessutom  så  såg  vi  att  C1q  hämmar  den  fortsatta  aktiveringen  av  blodplättarna  som  uppkommer  om  man  tillsätter  kollagen.  Kollagen  är  ett  protein  som  finns  rikligt  i  kärlväggen  och  som  vid  en  kärlskada  exponeras  och  har  aktiverande  verkan  på  blodplättar.  Därför  är  det  mycket  intressant 

(8)

om  C1q  kan  fungera  som  en  naturlig  regulator  för  denna  process.  I  helblod  fann vi också att C1q hämmar aggregatbildningen mellan blodplättar och vita  blodkroppar,  och  samtidigt  ökar  produktionen  av  reaktiva  syremetaboliter.  Reaktiva  syremetaboliter  är  viktiga  för  att  bekämpa  bakterier  vid  en  infektion. Genom att använda Pam3CSK4, en molekyl som specifikt aktiverar  blodplättarna via TLR‐2/1‐receptorn, såg vi att aktiveringen är beroende av  en  ATP‐receptorförmedlad  frisättning  av  kalcium  inuti  cellen.  Dessutom  är  aktivering  av  enzymet  cyklooxygenas  och  de  båda  receptorerna  för  ADP  (P2Y1 and P2Y12) inblandade.  

Sammantaget så visar resultaten att C1q, CRP och TLR:er, som alla medverkar  i  vårt  immunförsvar,  också  har  förmåga  att  reglera blodplättarnas  aktivitet.  Dessa rön bidrar till en bättre förståelse av blodplättarnas roll och beteende  id inflammation och kan i framtiden leda till utveckling av nya läkemedel för  tt reglera blodplättarnas aktivitet vid kroniska inflammatoriska sjukdomar.   v a                                                

(9)

                                                                     

(10)

TABLE OF CONTENTS  

    ABSTRACT...i   POPULÄRVETENSKAPLIG SAMMANFATTNING... iii   TABLE OF CONTENTS... vi   ABBREVIATIONS...8   LIST OF PAPERS ...9   .... on... 11 INTRODUCTION ... spects of inflammati ecognition receptors ... 11 ...11 General a Pattern r Platelets ... 12 Biology, structure and function ... 12 Platelet granules... ... 16 ... 13 Platelet receptors ... ... ction ... 17 ... 14 Platelet‐bacteria interaction ... 17 Platelet‐leukocyte intera ... 18 Neutrophils ... The complement‐system. Complement protein C1q... 20 Structure and synthesis ... 20 C1q receptors .. Cellular effects C‐reactive protein ... 22 ... 21 ... 21 Historical background... 22 Structure, synthesis and ligands ... 22 Complement ac Cellular effects and Toll‐like receptors ... 25 tivation and regulation by CRP ... 23  role in inflammation... 24 Structure, ligands and function ... 25 TLR signaling... 25 TLR­2... TLR expres Fcγ receptors... 27 ... 26 sion and function in platelets ... 27   AIMS...29   COMMENTS ON METH Isolation of blood cells ... 31 ODS...31

(11)

Platelets (Paper I, II and IV)... 31 Neutrophils (Paper II) ... ear cells (PaperIV) ... sorption ... 32 ... 31 Mononucl ... 33 ... 32 Surface methylation and protein ad Ellipsometry... Platelet adhesion and morphology ... 33 Platelet adhesion to coverslips with adsorbed IgG and HSA ... 34 Fluorescence microscopy an te ... 35 d image analysis... 34 Enzymatic detection of pla ... 35 let adhesion to collagen­coated microplates... 35 Phosphatidylserine expression ... roduction ... selectin expression... 35 Thromboxane B2 p t ... 36 Flow cytome ry analysis of P‐ ... 36 Soluble P‐selectin... ...  secretion ... 37 Cytosolic Ca2+ measurements ... gometry and dense granule  whole blood ... 38 Light‐transmission aggre ... 38 Luminol‐dependent ROS‐production in ... te formation ... 38 Whole blood aggregation .. eukocyte aggrega blot experiments ... 39 Platelet‐l Western  Statistics ... 39   SUMMARY OF PAPERS ...41   RESULTS & DISCUSSION...43 a‐mediated platelet adhesion       3 Inhibitory effects of C1q and CRP in FcγRII 6 and activation... 4 Adhesion of platelets to ligand‐bound CRP... 4 gulates collagen and        . 48 C1q induces P‐selectin expression and re . 51 collagen‐related peptide activation in washed platelets in suspension... Regulatory effects of C1q in whole blood... TLR‐2/1‐activation of platelets is mediated by ATP‐dependent        Ca2+ increases, ADP receptors and activation of cyclooxygenase ... 54   CONCLUSIONS...57   ACKNOWLEDGEMENTS ...59   REFERENCES ...63        

(12)

ABBREVIATIONS 

  ACD  acid‐citrate dextrose solution  ADP  adenosine diphosphate  sphate  n 1q  ATP  adenosine tripho C1q   complement protei COX  cyclooxygenase    CRP C‐reactive protein  HSA   human serum albumin  1  ciated kinase‐1  IgG  immunoglobulin G  IRAK‐ interleukin‐1 receptor asso KRG  Krebs‐Ringers glucose  ex  2  crophage‐activating lipopeptide‐2  MAC  membrane attack compl ived ma MALP‐ mycoplasma‐der MBL  mannose binding lectin  mCRP  monomeric CRP    SK MyD88 myeloid differentiation factor 88  Pam3C 4  triacylated lipopeptide Pam3Cys‐Ser‐(Lys) rn  4  PAMP  pathogen associated molecular patte r  C  lear cells  PAR  protease activated recepto nonuc  saline  PBM peripheral blood mo PBS  phosphate buffered PCh  phosphorylcholine  e    ‐3‐kinase  PFA  paraformaldehyd PI3‐K phosphoinositide PKC  protein kinase C      PLC  phospholipase C  PRM pattern recognition molecule   PRP platelet rich plasma  PRR  pattern recognition receptor  ‐1  igand‐1  PS  phosphatidylserine  otein l PSGL P‐selectin glycopr ROS  reactive oxygen species  r    r activating peptide  TLR  toll‐like recepto P to TRA thrombin recep e A TXA2  thromboxan XB e B2  T     2  thromboxan   2 

 

(13)

LIST OF PAPERS 

 

  This thesis is based on the following Papers, which will be referred to by their  roman numerals:       Caroline Skoglund, Jonas Wetterö, Thomas Skogh, Christopher  Sjöwall, Pentti Tengvall and Torbjörn Bengtsson.  C‐reactive  protein and C1q regulate platelet adhesion and activation on  adsorbed immunoglobulin G and albumin. Immunology and Cell  Biology 2008; 86: 466­474  II  Caroline Skoglund, Jonas Wetterö, Pentti Tengvall and Torbjörn  Bengtsson. C1q induces a rapid up‐regulation of P‐selectin and  modulates collagen‐ and collagen‐related peptide‐triggered  activation in human platelets. Immunobiology In Press 2010;   doi:10.1016/j.imbio.   2009.11.004  III  Caroline Skoglund, Jonas Wetterö and Torbjörn Bengtsson. C1q  regulates collagen‐dependent production of reactive oxygen  species, formation of platelet‐leukocyte aggregates and levels of  n whole blood.  201   soluble P‐selectin i 0; Manuscript  IV  Hanna Kälvegren, Caroline Skoglund, Christian Helldahl, Maria  Lerm, Magnus Grenegård and Torbjörn Bengtsson. Toll‐like  receptor 2 stimulation of platelets is mediated by purinergic  P2X   1‐dependent Ca2+ mobilisation, cyclooxygenase and  purinergic P2Y1 and P2Y12 receptor activation. Thrombosis and  Haemostasis 2010; 103: 398­407   

 

Papers are reprinted with permission from Nature Publishing Group (Paper  I), Elsevier (Paper II) and Schattauer (Paper IV)

(14)
(15)

INTRODUCTION 

General aspects of inflammation 

The  skin  and  epithelial  mucosa constitute  a  first  line  of  defence  in  order  to  protect  our  bodies  from  injury  and  infection.  However,  if  a  foreign  particle/organism  e.g.  a  bacteria,  fungus  or  virus  in  some  way  pass  these  barriers the inflammatory reaction is crucial in order to uphold our defence  against infection and tissue injury [1]. The inflammatory response, described  already  5000  years  ago  by  Celcus  and  Galen,  is  characterized  by  the  five  classical cardinal signs: robur (redness), calor (heat), tumor (swelling), dolor  (pain)  and  finally  functio  laesa  (loss  of  function)  [1,  2].  In  the  acute  inflammatory state, e.g. upon intrusion of a pathogen cells present at the site  of infection such as macrophages, and neutrophils recruited from the blood  stream,  quickly  react  and  try  to  fight  off  the  infection  with  the  help  of  the  complement system. This process is a part of our innate (unspecific/natural)  immunity.  Later  on,  the  acquired  (specific/adaptive)  immunity,  mainly  involving  dendritic  cells,  T‐cells  and  antibodies  produced  from  B‐cells  responds  to  the  ongoing  inflammation.  During  the  whole  process,  inflammatory  mediators  such  as  prostaglandins,  leukotriens  and  cytokines  are  released.  Moreover  a  systemic  acute‐phase  response  which  alters  the  synthesis of certain proteins, e.g. C‐reactive protein (CRP) and serum‐amyloid  A  is initiated [1, 3, 4]. Today it is known that an inappropriate or misdirected  inflammatory  reaction  is  involved  in  the  onset  and  progression  of  many  different  disorders,  such  as  coronary  artery  disease  and  autoimmune  diseases.  

 

Pattern recognition receptors  

Pattern‐recognition  molecules  (PRMs)  or  pattern‐recognition  receptors  (PRRs)  as  they  are  denoted  when  performing  as  receptors,  are  molecules  involved in innate immunity that recognize foreign structures and initiate an  immune‐response. PRMs/PRRs can be cell‐associated, as well as found in the  fluid phase, and recognize specific molecular structures known  as pathogen  associated molecular patterns (PAMPs). Toll‐like receptors (TLRs), CRP and  complement  protein  C1q,  are  all  PRMs/PRRs  able  to  bind  to  foreign  structures.  Other  PRMs/PRRs  include  mannose‐binding  lectin  (MBL),  surfactant‐protein A and D (SP‐A and SP‐D), L‐ficolin/P35 (Ficolin‐2) and H‐ ficolin  (Ficolin‐3).  Apart  from  TLRs,  nod‐like  receptors  (NODs)  and  retinoic 

(16)

acid‐inducible gene‐I like receptors (RLRs) and scavenger receptors are cell‐ associated  PRRs.  Several  recent  reviews  describing  PRMs/PRRs  and  their  role  in  innate  immunity  as  well  as  regulators  of  adaptive  immunity  are  available [4‐7].  Apart from the traditional inflammatory cells, e.g. neutrophils  and macrophages, platelets have emerged as potent actors in inflammation.  In  the  present  thesis  we  have  examined  the  effects  and  mechanisms  of  platelet interaction with C1q and CRP and clarified some intracellular events  upon TLR‐2/1 activation.  

 

Platelets 

Biology, structure and function  Small undefined particles in blood were first observed and described already   1780 by Hewson and later in the middle of the 19 in by M pl de th century also reported   several other researches, e.g. Donné, Beale and Zimmermann, [8]. In 1865,   ax Schultze was the first to publish a convincing report on the presence of  atelets  in  blood  and  in  1882  Giulio  Bizzozero  described  platelets  in  more 

tail and also started to elucidate their role in hemostasis [9, 10].     

 

                  Figure 1. A) Differential interference contrast (DIC) microscopy image showing  unstimulated isolated blood platelets in suspension. B) Fluorescence microscopy  mage  showing  activated  platelets  adhered  to  a  protein  (fibrinogen)  coated 

  i

surface.  Scale bars: 10 µm.   

Platelets  are  non‐nucleated  cell  fragments  derived  from  megakaryocytes,  most  often  present  in  the  bone  marrow.  Since  megakaryocytes  are  able  to  migrate  to  other  tissues,  formation  of  platelets  may  also  occur  in  the  blood  stream  and  in  the  lungs  [11‐13].  However,  the  exact  mechanism  by  which  platelets  are  formed  is  still  incompletely  understood  [11].  Interestingly,  it 

(17)

was recently shown that exposure of megakaryocytes to high shear rates lead  to  increased  formation  of  platelets,  possibly  indicating  that  platelets  produced from megakaryocytes present in the microvasculature is governed  by circulatory forces [14].   The resting platelet (Figure 1A) has a discoid shape, an average size of 2 to 5  µm in diameter and a thickness of about 0.5 µm [15]. Non‐activated platelets  circulate for 7 to 10 days at a concentration of 150‐400 x 109 cells/L  blood  before being degraded in the liver or spleen [16]. The main known function of  platelets  is  to  participate  in  haemostasis.  If  exposed  to  subendothelial  structures  (e.g.  collagen)  in  an  injured  vessel,  circulating  platelets  respond  quickly  (within  seconds),  become  activated,  adhere  and  start  to  form  a  hemostatic  plug,  with  the  purpose  to  form  a  temporary  shield  to  stop  an  ongoing  bleeding  (reviewed  in  [17,  18]).  In  order  to  get  a  more  permanent  repair  of  the  injured  vessel,  the  coagulation‐cascade  is  activated  e.g.  by  negatively  charged  phosphatidylserine  (PS)  expressed  on  the  activated  platelet  and  tissue  factor  present  on  damaged  cells  in  the  vessel  wall. 

c i

Activation of the  oagualat on cascade leads to formation of a fibrin network  and a more stabile plug [19].  

Upon  activation  platelets  change  shape,  going  from  discoid  to  a  spread  morphology, and increase their size considerably (Figure 1B). Their ability to  do so is dependent upon rapid reorganization of the actin‐cytoskeleton [20,  21].  

Platelet granules 

Apart  from  their  important  role  in  haemostasis,  it  has  become  evident  that  platelets  also  are  active  players  involved  in  inflammation  and  immunity.  Platelets contain granules of at least three different types, α‐granules, dense  granules and lysosomes. The granules store a variety of substances that are  secreted when platelets are activated. Released granule components regulate  further  platelet  activation  and  recruitment  of  inflammatory  cells.  The  α‐ granules are the most abundant ranging from 40‐100 per platelet [15]. They  contain proteins that upon secretion are expressed on the platelet surface e.g.  adhesion molecules such as P‐selectin (CD62P) as well as soluble factors that  are  released  into  the  extracellular  space,  for  example  the  chemokines  CCL5  (RANTES) and CXCL8 (IL‐8). Moreover, they also hold substances involved in  growth, angiogenesis and coagulation [22]. It has recently been reported that  α‐granules contain 284 different proteins [23] and that the α‐granules are not 

(18)

as  homogenous  as  was  previously  considered.  The  release  of  granule  contents may be differently regulated depending on the stimulus [24].   Platelets contain almost a 10‐fold fewer dense granules than α‐granules, and  these contain e.g. adenine nucleotides (ATP, GTP, ADP and GDP), serotonin,  divalent  cations  (Ca2+,  Mg2+)  and  lysosomal  membrane  proteins  (LAMPs).  Lysosomes  in  platelets  contain  similar  substances  as  lysosomes  in  other  types  of  cells  e.g.  LAMPs,  hydrolases  and  cathepsins  [22].  Furthermore,  despite  not  having  a  nucleus,  platelets  are  indeed  capable  of  synthesizing  proteins [25]. The ability of platelets to not only release immunomodulatory  mediators such as IL‐1β from pre‐loaded granules but also to synthesize this  cytokine further support the importance of platelets in inflammation [26].   

Platelet receptors 

Platelet  adhesion  to  structures  revealed  in  the  subendothelial  matix  upon  vessel  injury  is  crucial  in  order  to  prevent  blood  loss  [17].  However,  uncontrolled  platelet  activation  may  cause  fatal  complications,  such  as  thrombosis.  Thrombus  formation  in  coronary  arteries  due  to  rupture  of  an  atherosclerotic  plaque  may  lead  to  myocardial  infarction,  which  is  a  major  cause of death in the western world [27]. The activity of platelets is mediated  and regulated via receptors present on the platelet surface. Platelets express  many types of receptors, those that are essential for haemostasis as well as  receptors  implicated  in  other  activities,  e.g.  inflammation  and  antimicrobial  defence,  reviewed  in  [17,  28,  29].  The  following  section  highlights  some  selected  platelet  receptors,  including  a  few  that  are  highly  relevant  for  the  present  thesis  (ADP‐,  ATP‐  and  collagen‐receptors).  Platelet  toll‐like 

 

receptors, C1q receptors and Fcγ‐receptors are further discussed in specific  sections below. 

The  vonWillebrand  receptor  complex  (GPIb‐IX‐V)  is  involved  in  the  initial  adhesion  of  platelets  to  the  injured  vessel  and  belongs  to  the  leucine‐rich  repeat  family  of  receptors.  GPIb‐IX‐V  binds  to  vonWillebrand  factor  (vWF)  adsorbed  from  plasma  to  exposed  collagen  or  endogenous  vWF  from  the  endothelium  at  high  shear  stress  [17,  28,  30].  Firm  adhesion  of  platelets  is  then  initiated  due  to  interaction  between  platelet  integrin  α2β1  (GPIa/IIa,  originally  described  as  very‐late‐activation  antigen  VLA‐2)  and  collagen  in  the vessel wall. There are around 2000‐4000 α2β1 per platelet [29]. However,  there  are  still  some  controversies  in  the  current  model  of  α2β1  dependent  platelet  activation.  Initially,  it  was  considered  that  α2β1  was  constitutively  expressed  on  the  platelet  surface  in  a  high‐affinity  state  and  upon  collagen 

(19)

ligation  interaction  with  some  other  receptor  resulted  in  platelet  activation  [17].  However,  Jung  and  Moroi  have  shown  that  the  ability  of  α2β1  to  bind  soluble  collagen  increases  if  platelets  are  first  pre‐stimulated  with  another  agonist [31, 32].  As for many integrins, α2β1 is thus also thought to require a  conformational  change  in  order  to  transform  to  a  high‐affinity  state  and  efficiently bind collagen. However, the complete signaling events (“inside‐out  signaling”)  leading  to  this  conformational  change  are  insufficiently  understood [17]. It has also been suggested that there exist an intermediate  form  of  the  α2β1,  where  collagen  may  bind  without  the  receptor  being  in  a  high‐affinity  state  [33].  The  other  collagen  receptor  on  platelets  is  the  immunoglobulin  superfamily  receptor  GPVI.  GPVI  is  non‐covalently  associated  to  the  FcR‐γ  chain  of  the  FcγRIIa  (CD32)  receptor  and  thus  coupled to the associated ITAM‐signaling [34, 35]. GPVI‐mediated activation  leads  to  an  abundant  secretion  of  granule  contents  and  induces  integrin  activation  [17].  Other  receptors  involved  in  platelet  adhesion  are  the 

ptor)   

integrins  αvβ3  (vitronectin  receptor),  α5β1  (fibronectin  rece and  α6β1 (laminin receptor)[29].  

Platelet  aggregation  is  dependent  upon  fibrinogen  binding  to  the  αIIbβ3‐ integrin (GPIIb/IIIa). This fibrinogen receptor is abundantly expressed with  approximately  50000‐80000  receptors  per  platelet.  The  main  ligand  is  fibrinogen,  however,  the  receptor  also  recognizes  several  other  ligands  containing an RGD sequence (arginine‐glycine‐aspartic acid), e.g. fibronectin,  vWf  and  thrombospondin.  Before  ligand‐binding  the  αIIbβ3‐integrin  also  requires  “inside‐out”  signaling  leading  to  a  conformational  switch  exposing  the RGD‐binding sequence  [17, 27].  

Platelets express several receptors belonging to the G‐protein coupled family  of receptors (7‐transmembrane receptors) e.g. thrombin receptors (protease‐ activated  receptors  PAR‐1,  PAR‐4),  thromboxane  A2  receptor  (TX)  and  ADP  receptors  (P2Y1  and  P2Y12).  Thrombin  is  formed  during  the  coagulation  cascade  and  binds  to  PAR‐1  and  PAR‐4  leading  to  a  massive  platelet  activation  [36].  PAR  activation  is  unique  in  that  thrombin  cleaves  the  receptor, thus exposing a new N‐terminal that serves as the receptor ligand  [37].  Interestingly,  other  proteases  are  also  able  to  cleave  PARs,  inducing  activation.  For  example,  proteases  from  the  periodontal  pathogen 

e 3

Porphyromonas  gingivalis  are  shown  to  activate  plat lets  in  this  way  [ 8].  Both PARs couple to Gαq and Gα12/13 [29].  

ATP  is  not  only  released  from  dense  granules  upon  platelet  activation  but  also  from  erythrocytes  [39].  Platelets  express  two  types  of  ADP  receptors 

(20)

P2Y1 and P2Y12 [40, 41]. P2Y1 induces activation via Gαq and  P2Y12 is linked  to  Gαi [27].  By  analyzing  mRNA  levels  Wang  et  al.  confirmed  the  two  ADP  receptors to be present on platelets, and also found that P2Y12 mRNA levels  were  higher  than  levels  for  P2Y1  [42].  However,  P2Y1  is  shown  to  display  higher affinity for ADP compared to P2Y12 [43]. The receptor for adenosine  triphosphate  (ATP)  is  denoted  P2X1  and  is  also  a  ligand‐gated  calcium  channel  [44].  Interestingly,  when  examining  mRNA  levels  at  different  time  points, Wang et al. found markedly reduced levels of P2X1 mRNA over time,  whereas the mRNA levels for the ADP receptors remained unchanged or only  slightly reduced, indicating that the ATP‐receptor has a much shorter halflife  [42].  Both  ADP  and  ATP  receptors  are  important  amplifiers  of  responses  provoked  by  other  receptor  agonists  [45,  46].  They  are  also  easily  esensitized,  however  the  mechanism  of  desensitation  is  incompletely  nderstood [47].   

d u  

Platelet­bacteria interaction 

Direct  interaction  between  platelets  and  bacteria  leading  to  platelet  activation has been reported in several studies  in vitro and in vivo, recently  reviewed  by  Fitzgerald  et  al.  [48].  Bacteria‐induced  platelet  activation  may  cause  serious  conditions  such  as  endocarditis  [49]  and  immune  thrombocytopenic purpura [50]. In the case of Staphylococcus aureus induced 

  interest g    b et   a e t

endocarditis, in reports y  Nguyen    al.  [51] nd  P erschke  e   al.  [52] show involvement of gC1qR (C1q‐receptor) on the platelet surface.  Among  the  bacterial  species  known  to  interact  with  platelets  are  Staphylococccus  aureus  [53],  Staphylococccus  epidermis  [54],  Enterococcus  spp.  [55],  Helicobacter  pylori  [56]  and  Porphyromonas  gingivalis  [38].  Moreover,  our  group  have  previously  shown  that  Chlamydia  pneumoniae,  a  common  respiratory  pathogen,  binds  to  platelets  and  triggers  aggregation,    P‐selectin  expression  and  lipoxygenase‐dependent  production  of  reactive  oxygen  species  (ROS)  [57,  58].  In  addition,  several  species  of  bacteria  are  found in atherosclerotic plaques and it is plausible that they are released into  the  bloodstream  during  plaque  rupture  or  during  angioplasty,  thereby  activating circulating platelets [59‐61]. However, platelets also possess anti‐ bacterial  properties  as  they  hold  platelet  microbicidal  proteins  (PMPs)  including  chemokines,  platelet  factor  4  and  fibrinopeptide  B,  which  are  released upon platelet activation [48]. 

(21)

Platelet­leukocyte interaction 

Interaction  between  platelets  and  leukocytes  and  subsequent  formation  of  aggregates  is  considered  to  be  clinically  relevant  [62‐64].  The  initial  interaction involves P‐selectin, that is abundantly expressed on the surface of  activated  platelets,  and  its  ligand  on  leukocytes,  P‐selectin  glycoprotein  ligand  1  (PGSL‐1).  Blockade  of  P‐selectin‐PSGL‐1  interaction  inhibits  IgG  mediated  platelet‐neutrophil  binding  and  associated  ROS‐production  [65].  However,  several  other  adhesion  mechanisms  are  also  described  including  firm adhesion accomplished via fibrinogen binding to GPIIb/IIIa on platelets  and Mac‐1 (CD11b/CD18) on leukocytes [66] as well as interaction between  platelet intracellular adhesion molecule‐2 (ICAM‐2) and CD11a/CD18 (LFA‐ 1) on neutrophils [67]. Our group and others have reported several cellular  consequences  upon  platelet‐leukocyte  interaction  e.g.  tyrosine  phosphorylation  and  modified  production  of  ROS,  chemotaxis  and  phagocytosis [65, 68‐72].  

 

Neutrophils 

Neutrophils,  discovered  by  Schultze  in  the  1860s  [73],  belong  to  the  polymorphonuclear  granulocytes  together  with  basophils  and  eosinophils.  Mature neutrophils are around 10 µm in diameter and are produced daily in a  number of 1.6 x 109/ kg bodyweight from stem cells in the red bone marrow.  In healthy individuals, neutrophils have a lifespan in circulation of 10 hours  before  they  migrate  into  surrounding  tissues  where  they  survive  for  1  to  2  days [74‐76]. The main function of neutrophils is to participate in our defence  against  invading  microbes.  Very  simplified,  neutrophils  in  the  blood  stream  are captured and activated by molecules and receptors up‐regulated on the  endothelium  upon  tissue  injury  and  infection.  Neutrophils  then  migrate  towards the site of inflammation in response to increased concentrations of  released  pro‐inflammatory  molecules  (chemotaxis),  whereafter  they  phagocytose  and  kill  intruding  microbes.  An  important  part  of  the  microbicidal  mechanism  in  neutrophils  is  the  oxidative  burst,  leading  to  formation  of  ROS.  The  production  of  ROS  is  accomplished  via  a  multicomponent  nicotinamide‐adenine‐dinucleotide‐phosphate  (NADPH)  oxidase enzyme system. Since the NADPH‐oxidase may be located both in the  plasma  membrane  and  in  membranes  of  granules/phagosomes  ROS‐ production  may  be  extracellular  as  well  as  intracellular  (reviewed  in  [75,  77]).

 

Recently  described,  neutrophils  may  also  form  microbe‐capturing 

(22)

neutrophil  extracellular  traps  (NETs),  i.e.  extracellular  fibers  of  chromatin  and granule proteins [78]. 

 

The complement­system  

The  complement‐system,  outlined  in  Figure  2,  is  an  important  defence  and  clearance system and a major part of our innate immunity. It is comprised of  approximately 30 soluble or membrane‐bound proteins and activation of the  complement‐cascade  is  today  known  to  occur  via  at  least  three  different  pathways,  the  classical  pathway,  mannose‐binding  lectin  pathway  and  alternative pathway [79, 80].  

Most proteins in the cascade are named with a “C” followed by a number (the  number in the order in which the respective proteins were discovered) and a  letter indicating the fragment. Classical pathway activation is initiated upon  binding of C1q to antibody (IgG or IgM)‐antigen complexes. Or, alternatively  by  gram‐negative  bacterial  walls,  viral  envelopes,  cytoskeletal  filaments,  myelin or CRP [80]. Together with serine proteases C1r and C1s, C1q forms  the C1‐complex that cleaves C4 and C2, leading to generation of the classical  C3‐convertase. The mannose‐binding lectin pathway is activated as mannan‐ binding  protein  (MBP)  recognizes  and  binds  to  carbohydrate  structures  found  on  a  variety  of  microorganisms.  MBP‐associated  serine  proteases  (MASPs)  then  form  a  complex  with  MBP  and  cleave  C4.  The  alternative  pathway is an important amplification loop that is activated by C3b deposited  on surfaces on e.g. pathogens, cells or biomaterials/adsorbed proteins upon  activation  of  classical  and  MBL‐pathways.  Furthermore,  there  is  a  constant  ongoing hydrolysis (“tickover”) of native C3 in plasma leading to formation of  C3b  that  will  react  and  bind  to  amino‐  or  hydroxyl‐groups  on  surfaces,  if  present close enough. Together with factor B and the help of factor D, surface  bound  C3b  forms  the  alternative‐C3  convertase  [79,  80].  Even  though  the  three pathways are initiated differently they all lead to cleavage of C3 and C5  followed by formation of a membrane‐attack‐complex (MAC) responsible for  making pores in the membrane of  an intruding pathogen, often resulting in  lysis. However, classical pathway activation by phosphorylcholine‐bound CRP  is an exception, where the cascade is halted at the C3 level (further discussed  below) [81]. Moreover, all pathways are tightly regulated by several proteins  (e.g  properdin,  C1‐inhibitor,  factor  I,  factor  H  and  DAF  (decay  accelerating  factor)),  especially  the  more  “unspecific”  alternative  pathway  where  C3b  bound to host cells is  quickly inhibited by regulatory proteins [79, 82]. 

(23)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

          Figure 2. Schematic illustration of the three different activation pathways 

of  complement.  The  classical  pathway  is  initiated  upon  binding  of  C1q  to  immunoglobulin  G  or  M,  or  by  phosphorylcholine­bound  C­reactive  protein  (CRP). Mannose­binding lectin (MBL) recognizes sugar residues (mannose) on  intruding  pathogens,  leading  to  activation  of  the  cascade.  The  alternative  pathway  is  initiated  by  surface  binding  of  C3b.  Indifferent  of  which  pathway  that  serves  as  initiator,  the  cascade  leads  to  cleavage  of  C3,  C5,  formation  of  membrane  attack­complex  (MAC)  and  formation  of  inflammatory  mediators.  All  pathways  are  tightly  regulated  by  several  proteins  (in  italic)  of  which  properdin is the only known positive regulator.   Classical pathway Antibody-antigen complexes C-reactive protein Mannose-binding lectin pathway Sugar residues Alternative pathway

Surface of e.g. a bacteria or a biomaterial C3-convertases C3-convertases MBL MASPs C4 C2 C3 C3b C3a C5-convertases C5-convertases C5 C5b C6 C7 C8 C9 C5a C1q C1r C1s C4 C2 C3b Factor B Factor D Properdin C5b-9 (MAC) C5b-9 (MAC) Lysis Regulators: C1-INH factor I factor H CR1 MCP C4bp DAF Classical pathway Antibody-antigen complexes C-reactive protein Classical pathway Antibody-antigen complexes C-reactive protein Mannose-binding lectin pathway Sugar residues Mannose-binding lectin pathway Sugar residues Alternative pathway

Surface of e.g. a bacteria or a biomaterial

Alternative pathway

Surface of e.g. a bacteria or a biomaterial C3-convertases C3-convertases MBL MASPs C4 C2 C3 C3b C3a C3 C3b C3a C5-convertases C5-convertases C5 C5b C6 C7 C8 C9 C5a C5 C5b C6 C7 C8 C9 C5a C1q C1r C1s C4 C2 C3b Factor B Factor D Properdin C5b-9 (MAC) C5b-9 (MAC) Lysis Regulators: C1-INH factor I factor H CR1 MCP C4bp DAF Regulators: C1-INH factor I factor H CR1 MCP C4bp DAF

 

Several protein fragments formed during cleavage of proteins throughout the  cascade  do  not  participate  in  the  subsequent  steps  of  the  cascade.  These  fragments  are  instead  involved  in  other  parts  of  the  inflammatory  process,  for  example  C3a  and  C5a  which  are  called  anaphylatoxins  and  are  potent  chemotactic  substances,  and  iC3b  that  is  an  important  opsonin.  Many  celltypes  also  express  receptors  for  complement  proteins  and  cleavage  products,  e.g.  complement  receptor  1  (CR1,  CD35)  which  binds  C3b.  Complement is also considered to bridge the innate and the adaptive immune 

(24)

systems.  For  example,  C3  degradation  products  (C3d  and  C3dg)  enhances  antigen presentation by dendritic cells and the production of antibodies from  B‐cells [80]. 

 

Complement protein C1q   

Structure and synthesis        C1q is the target recognition molecule of the classical pathway, as described  above. C1q has a hexameric structure and consists of 18 polypeptide chains  (called A, B and C‐chains) with an amino‐terminal collagen‐like region and a  carboxyl‐rich  terminal  globular  region  [83,  84].  The  protein  structure  has  been described as a “bundle of tulips”, schematically shown in Figure 3. The  collagenous part of the C1q molecule resembles collagen molecules which are  haracterized by repeating sequences with Glycine‐X‐Y, where X and Y often  re proline, hydroxyproline or hydroxyllysine residues [84, 85].   c a                        

Structurally,  C1q  is  also  closely  related  to  the  proteins  in  a  family  called  collectins (collagen‐like lectins), to which MBP, conglutinin, collectin‐43 and  SP‐A,  and SP‐D  belong.  However,  in  contrast  to  the  collectins,  C1q  does  not  have  a  carbohydrate  recognition  domain  [79].  Whereas  most  complement  proteins  are  produced  in  the  liver,  C1q  is  continuously  synthesized  by  macrophages and dendritic cells [79, 86, 87] and the production is regulated  by  e.g.  lipopolysaccharide  (LPS),  interleukin‐6  (IL‐6),  interferon‐γ  (IFN‐γ)  and  anti‐inflammatory  steroids  (dexamethasone  and  prednisone)  [85,  88,  89]. C1q circulates in plasma at concentrations of 80‐180 µg/mL but is also  present in tissues [79, 85].   Collagen­like  part  Globular   heads 

Figure  3.  Schematic  structure  of  C1q 

with  the  globular  heads  and  the  collagen­like stalk.  

(25)

C1q receptors 

Many  cell  types  are  reported  to  bind  C1q,  including  endothelial  cells  [90],  monocytes  and  granulocytes  [91],  fibroblasts  [92],  epithelial  and  smooth  muscle  cells  [93],  platelets  [94],  dendritic  cells  [95]  and  lymphocytes  [96].  However,  the  literature  regarding  receptors  responsible  for  C1q  binding  is  still  somewhat  inconclusive.  For  example  Steinberger  et  al.  [97]  recognized  CD93  to  be  identical  to  the  previously  described  C1qRp,  shown  to  enhance  phagocytosis  in  monocytes.  In  contradiction,  McGreal  et  al.  [98]  have  demonstrated that CD93 is indeed equal to C1qRp, however they found that it  does not bind C1q. There are also conflicting results regarding the described  receptor for the globular heads of the C1q molecule, gC1qR/p33. As reviewed  by  Ghebrehiwet  et  al.  [99],  gC1qR/p33  is  expressed  on  the  cell  surface  leading to cellular responses upon C1q binding. On the other hand, van den  Berg et al. [100] did not detect any gC1qR/p33 on the surface of monocytes,  neutrophils  or  Raji  cells  unless  cells  were  first  treated  with  saponin  indicating  that  gC1qR/p33  is  an  intracellular  protein,  and  apparently  not  expressed  on  the  extracellular  surface  of  cells.  One  receptor  that  several  authors agree on as capable of binding C1q as well as to be present on cell  surfaces  is  the  cC1qR  (also  denoted  calreticulin  in  the  literature).  cC1qR  binds the collagenous part of C1q [94, 101]. Interestingly, Edelson et al. [102]  reported  that  the  α2β1‐integrin  is  a  C1q  binding  receptor  on  mast  cells  and   ligation with C1q induced mast cell activation and cytokine secretion. Other  receptors suggested to bind C1q are CD91 (low‐density lipoprotein receptor‐

 

related  protein  1 or  alfa‐2‐macroglobulin  receptor)  [103]  and  CD35  (CR1)  [104]. 

Platelets  express  both  gC1qR  and  cC1qR  [94,  105,  106].  In  agreement  with  the findings by van den Berg et al., where gC1qR is found as an intracellular  protein, gC1qR‐expression on platelets is shown to be activation dependent  [107].  The  somewhat  controversial  CD93  is  also  present  on  platelets  [108].  Moreover,  the  α2β1‐integrin  is  one  of  the  collagen  binding  receptors  on  platelets  [29].  Receptor‐independent  binding  of  C1q  to  the  platelet  surface  (via chondroitin sulphate) has also been reported recently [109].  Cellular effects  The most apparent function of C1q is to recognize and mediate clearance of  potential harmful pathogens by initiation of the classical complement cascade  via binding to antigen‐bound IgG or PCh‐bound CRP. However, several direct  cellular effects are also attributed to C1q. For example C1q induces cytokine 

(26)

release  from  mast  cells  [102],  increases  chemotaxis  of  dendritic  cells  [95]  stimulates IgG production from Staphylococcus aureus activated B‐cells [96]  and  enhances  Fcγ‐receptor  mediated  phagocytosis  in  macrophages  and  monocytes [110].  Direct effects of C1q on platelets include massive P‐selectin  expression  accompanied  with  increase  in  cytosolic  inositol‐1,4,5‐ triphosphate  (IP3)  [111],  enhancement  of  aggregation  in  response  to  sub‐ optimal  concentrations  of  IgG‐aggregates  [112],  and  inhibition  of 

mmunecomplex‐induced  aggregation  [113,  114].  Moreover,  platelet  ggregation induced by collagen is inhibited by C1q [115, 116].    i a  

C­reactive protein 

Historical background  C‐reactive protein (CRP) was discovered in 1930 by Tillet and Francis as they  studied  sera  from  patients  suffering  from  pneumonia.  They  found  a  non‐ antibody  serum  component  in  sera  from  acute  ill  patients  that  precipitated  with  a  “fraction  C”  derived  from  pneumococcus  bacteria.  When  patients  recovered,  the  “C‐reaction”  was  diminished  [117,  118].  Bacterial  C‐ polysaccharide  was  later  shown  to  be  responsible  for  the  C‐reaction,  hence  the name C‐reactive protein [118, 119].   

Structure, synthesis and ligands 

CRP  is  a  part  of  the  evolutionary  conserved  family  of  proteins  called  pentraxins  and  is  together  with  serum  amyloid  P  (SAP)  denoted  a  short  pentraxin,  whereas  pentraxin  3  is  regarded  as  a  long  pentraxin.  CRP  is  an  acute phase protein, meaning that the plasma concentration increases rapidly  (within  48  hours)  and  potently  (up  to  a  1000  times  in  the  case  of  CRP)  in  response  to  infection  and  inflammation,  and  is  normalized  again  as  the  infection is cleared [4, 120].  The CRP molecule is made up of 5 identical non‐ covalently  associated  23  kDa  subunits  that  are  symmetrically  arranged  around  a  central  pore  [121].  CRP  has  affinity  for  phosphorylcholine  (PCh),  present  on  microorgansims,  damaged  cells  and  oxidized  low‐density  lipoproteins to which it binds in a Ca2+ dependent manner [122‐124]. On the  opposite side of the molecule, CRP displays binding sites for C1q [125] and  Fcγ‐receptors  [126].  Moreover,  CRP  is  described  to  bind  nuclear  antigens  [127].  The  pentameric  CRP  molecule  may  irreversibly  dissociate  into  monomers called mCRP (sometimes also denoted modified CRP or neo‐CRP).  Dissociation  occurs  when  CRP  encounters  an  acidic  environment  and  in 

(27)

absence  of  Ca2+  and  also  if  exposed  to  high  urea  concentrations  [128,  129].  However, other alternative mechanisms for mCRP generation may certainly  be involved in vivo e.g. in the inflammatory environment of an atherosclerotic  plaque.  Most  CRP‐production  takes  place  in  the  liver  in  response  to  IL‐6  [130],  but  extrahepatic  production  is  also  described  [3,  131,  132].  Furthermore,  regarding  the  regulation  of  CRP‐production,  Enocsson  et  al.  recently  showed  that  CRP  synthesis  induced  by  IL‐6  is  inhibited  by  IFN‐α.  Possibly,  this  is  an  important  clue  to  why  the  concentration  of  CRP  is  not  raised  during  viral  infections  or  in  systemus  lupus  erythrematosus  (SLE)  patients,  where  IFN‐α  levels  are  increased  [133].  Indeed,  the  fact  that  the  plasma level of CRP is not elevated upon a viral infection is used clinically to  distinguish between bacterial and viral infections.  

Complement activation and regulation by CRP 

CRP bound to PCh on microorgansims or damaged cells activates the classical  complement cascade via binding to C1q. However, the cascade does not yield  much  complement  activity  past  the  C3  level,  indicating  that  activation  is  mainly restricted to the first part of the cascade and does not give rise to an  abundant MAC formation [81, 134]. The restricted complement activation by  CRP is suggested to be due to interaction between CRP and factor H, of which  the  latter  is  an  important  regulator  of  the  alternative  pathway.  Thus,  interaction  between  factor  H  and  CRP  inhibits  the  amplification  loop  of  the  alternative pathway leading to less activation past the C3 level [134‐136]. A  binding  motif  for  native  CRP  on  complement  factor  H‐related  protein 4  has  also been reported [137]. Recently mCRP was also shown to bind factor H in  the fluid‐phase, leading to increased inactivation of C3b [138]. Furthermore,   interaction  between  C4‐binding  protein,  which  is  another  complement  regulatory protein, and CRP has also been described [139]. In addition,  our  group  has  previously  shown  that  complement  activation  at  PCh  model  surfaces is down‐regulated by fluid‐phase interaction between CRP and C1q  at  high  CRP‐levels  (>150  mg/mL)  [140].  The  CRP  mediated  complement  activation leads to sufficient opsonization, but yields no complement induced  lysis, suggesting that CRP has both host defence and anti‐inflammatory roles  [134]. 

   

(28)

Cellular effects   role in inflammation  

Elevated  levels  of  CRP  have  been  implicated  in  conditions  with  a  chronic  inflammatory component, such as coronary artery disease. A minor, but still  elevated  level  of  CRP  is  shown  to  predict  cardiovascular  and  thrombotic  events,  initially  described  by  Ridker  et  al.  [141]  and  then  confirmed  in 

tu h   d

and

numerous  s dies  [142,  143].  This  as  lead  to the  evelopment  of  high  sensitive‐assays to accurately detect moderate increases in CRP.   

Apart  from  mediating  complement  activation,  CRP  also  affects  various  cellular responses in many different cell types. Recent reviews summarizing  these effects and role the of CRP in inflammation are available [122, 134, 144‐ 147]. Both pro‐ and anti‐inflammatory effects are described, for example, CRP  promotes  proliferation  of  smooth  muscle  and  endothelial  cells  [148],  formation  of  monocyte‐platelet  aggregates  [149]  as  well  as  inhibits  neutrophil ROS‐production and chemotactic response [150, 151]. To further  complicate  the  scenario,  native  and  mCRP  elicit  different  and  sometimes  opposite responses [152‐154]. Only a few studies have investigated the effect  of  CRP  on  platelets.  Monomeric  CRP  is  shown  to  induce  an  aggregatory  response whereas the native CRP molecule does not [155]. On the contrary,  enzymatically digested CRP inhibits platelet aggregation [156].  

Pentameric CRP binds to immunoglobulin G receptors FcγRIIa (CD32) [157]   and  FcγRI  (CD64)  [158]  and  monomeric  but  not  native  CRP  is  capable  of  binding to FcγRIII (CD16) [153]. CRP ligation of FcγRs is presumed to have  the same effects as the binding of IgG, thus leading to activation upon ligation  to the stimulatory FcγRI and FcγRIIa‐receptors and inhibition when binding  to FcγRIIIa [122]. CRP interaction with FcγRs is thus considered to contribute  to the opsonizing effects of CRP. Indeed, binding of CRP to FcγRIIa results in  increased  phagocytosis  [159].  Despite  numerous  studies  during  the  past  decades,  the  question  is  still  if  CRP  is  an  innocent  bystander,  a  protective  olecule,  a  risk  marker  and/or  an  active  contributor  to  the  inflammatory  rocess.  m p            

(29)

Toll­like receptors 

Structure, ligands and function 

Initially, toll‐protein was discovered in the Drosophila fly (fruit fly) where it  participates  in  the  protection  against  fungal  infection  [160].  Later,  a  whole  family of receptors that resembled the toll‐protein were found  in mammals,  hence the name toll‐like receptors (TLRs) [6, 161]. In 1998, the findings by  Poltorak  et  al.  [162]  lead  to  the  conclusion  that  TLRs  serve  as  recognition  molecules and inducers of intracellular signaling. These authors showed that  signal transduction was inhibited in mice with a mutation in the TLR‐4 gene,  making them resistant to LPS but still sensitive to infection by gram‐negative  bacteria. TLRs are expressed in cells participating in the immune response as  well  as  in  cells  considered  as  non‐immune,  e.g.  B‐cells,  natural  killer  (NK)  cells, macrophages, dendritic cells, platelets, fibroblasts, endothelial cells and  epithelial cells [6]. So far 12 TLRs have been discovered [163]. They are found  both on the cell surface (TLR‐1, 2, 4, 5, 6, 11) and as intracellular receptors  (TLR‐3, 7, 8, 9) and are responsible for recognizing a diverse range of PAMPs,  (Figure  4)  thus  triggering  an  inflammatory  response.  Recognized  PAMPs  include bacterial cell wall components, LPS, single and double stranded‐RNA  and DNA, viral envelope proteins and flagellin [163]. During the past years,  TLRs  have  attracted  a  lot  of  interest  and  several  extensive  reviews  are  available [6, 163‐166]. 

TLR  signaling  

Upon  binding  of  PAMPs  to  TLRs,  various  TIR‐domain  containing  adaptor‐ proteins are recruited i.e. MyD88 (myeloid differentiation factor 88), TIRAP  (TIR‐containing  adaptor  protein),  TRIF  (TIR‐containing  adaptor  including  IFN‐β) and TRAM (TRIF‐related adaptor protein). Different TLRs recruit one  or a combination of adaptors, and the signaling can be divided  into MyD88‐ dependent and TRIF‐dependent pathways [6, 163]. In the MyD88‐dependent  pathway  IRAKs  (interleukin‐1  receptor‐associated  kinases)  1,  2  and  4  are  recruited  leading  to  a  signal‐cascade  including  IRAK‐phosphorylation  and  MAP kinases (mitogen‐activated protein kinase). Finally, transcription factors  NFκB  (nuclear  factor  kappa‐light‐chain‐enhancer  of  activated  B  cells)  and  IRFs  (interferon  regulatory  factors)  are  activated  leading  to  production  of  inflammatory cytokines, chemokines and interferons [6, 163, 164]. Relevant  to the present thesis, C1q (possibly via both gC1qR and cC1qR) was recently  shown to down‐regulate TLR‐4 induced production of IL‐12, but not IL‐6 or 

(30)

TNF [167, 168]. Furthermore, in a study by Fraser et al. [169] C1q and MBL  inhibited  IL‐1α  and  IL‐1β,  and  enhanced  IL‐10,  IL‐1  receptor  antagonist,  monocyte  chemoattractant  protein‐1,  and  IL‐6  secretion.  Additionally,  in  a  recent  study  by  Lood  et  al.  [170],  C1q  inhibited  IFN‐α  secretion  from  immune‐complex,  herpes  simplex  virus  and  CpG‐DNA  stimulated  PBMC  peripheral  blood  mononuclear  cells)  and  immune‐complex,  CpG‐DNA   timulated plasmacytoid dendritic cells.    ( s                                 TLR-2 TLR-4 TLR-2/1 TLR-2/6 TLR-5 TLR-11 Hemaglutinin Peptidoglycan LAM ospholipomannan poarabinomannan Porins Glycosylphosphophatidyl-Inositol Mucin LPS Mannan Glycoinositolphospholipids

Virial envelope proteins Triacyl lipopeptides

Zymosan Lipoteichoic acid Diacyl Lipopeptides

Figure  4.  Toll­like  receptors  (TLRs)  are  expressed  on  the  membrane  and 

intracellularly  on  a  wide  range  of  cells  where  they  recognize  conserved  microbial  molecules,  collectively  named  pathogen­associated  molecular  patterns  (PAMPs).  Recognition  of  PAMPs  by  TLRs  is  an  important  part  of  the  innate  immune  system.  In  the  present  thesis  we  have  investigated  the  intracellular signaling upon TLR2/1 stimulation of platelets, using a triacylated  lipopeptide as ligand.  

  TLR­2 

Of  all  TLRs,  TLR‐2  is  able  to  recognize  the  highest  number  of  PAMPs,  e.g.  bacterial  lipoproteins  [171,  172],  peptidoglycans  [173]  whole  Chlamydia  pneumoniae  bacteria  [174],  and  LPS  from  certain  bacteria  such  as  Porphyromonas  gingivalis  [175].  TLR‐2  forms  heterodimers  with  TLR‐1  or  TLR‐6  and  the  dimerization  is  crucial  for  ligand‐binding  and  further 

Ph Li CD36 Flagellin CD14 MD2 LBP Uropathogenic bacteria Profillin like molecule

TLR-3 TLR-9 TRL-7 TLR-8 Endosome dsRNA ssRNA CpG-DNA Hemozonin ds-DNA viruses ssRNA virus ssRNA virus

TLR-2 TLR-4 TLR-2/1 TLR-2/6 TLR-5 TLR-11 Hemaglutinin Peptidoglycan LAM ospholipomannan poarabinomannan Porins Glycosylphosphophatidyl-Inositol Mucin LPS Mannan Glycoinositolphospholipids

Virial envelope proteins Triacyl lipopeptides

Zymosan Lipoteichoic acid Diacyl Lipopeptides Ph Li CD36 Flagellin CD14 MD2 LBP Uropathogenic bacteria Profillin like molecule

TLR-3 TLR-9 TRL-7 TLR-8 Endosome dsRNA ssRNA CpG-DNA Hemozonin ds-DNA viruses ssRNA virus ssRNA virus

TLR-3 TLR-9 TRL-7 TLR-8 Endosome dsRNA ssRNA CpG-DNA Hemozonin ds-DNA viruses ssRNA virus ssRNA virus

(31)

intracellular  signaling  [163,  176,  177].  TLR‐2/TLR‐1  recognizes  triacylated  lipopeptides  (e.g.  Pam3Cys‐Ser‐(Lys)4,  Pam3CSK4),  whereas  TLR‐2/TLR‐6  binds  diacylated  lipopeptides  (e.g.  Mycoplasma‐derived  macrophage‐ activating lipopeptide 2, MALP‐2) [178]. Furthermore, CD36 is found to be a  co‐receptor  for  TLR‐2/TLR‐6  [179,  180].  CD36  is  a  scavenger  receptor  present on platelets, monocytes, adipocytes, hepatocytes and epithelial cells   that  for  example  oxidized  low  density  lipoproteins  and  thrombospondin‐1  [181].  TLR expression and function in platelets  Using flow cytometry, Cognasse et al [182] identified TLR‐2, 4 and 9 on  platelets and megakaryocytes and by analysis of mRNA and protein levels,  Shiraki et al. [183] also demonstrated TLR‐1 and 6 in platelets. The functional  consequences of TLR activation in platelets are at the moment under intense  investigation. It has previously been shown that stimulation of TLR‐4  increases platelet adhesion to fibrinogen under flow and that it causes  thrombocytopenia in TLR‐4 deficient mice, whereas wild type mice remain  unaffected [184]. Activation of TLR‐2/TLR‐6 with the synthetic lipopeptide  Pam3CSK4 induces platelet aggregation, secretion and mobilization of Ca2+ in  washed platelets [185, 186], however, has no detectable stimulatory effects  on platelets in plasma [187].  

 

Fcγ receptors 

Fcγ  receptors  recognize  the  constant  part  of  the  immunoglobulin  molecule,  mediating  cellular  effects  such  as  immune  complex  elimination,  cytokine  production  and  phagocytosis.  At  present  four  types  of  FcγRs  are  described,  FcγRI (CD64), FcγRII (CD32), FcγRIII (CD16) and FcγRIV. FcγRII and FcγRIII  are also further divided into subclasses denoted a and b. All receptors, except  for  FcγRIIb  mediate  a  cellular  activating  signal,  reviewed  in  [188‐190].  Platelets express FcγRIIa and ligation induces platelet activation mediated via  phospholipase C and increased levels of intracellular free Ca2+ [191].  

 

 

 

 

 

 

 

(32)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(33)

AIMS 

 

The role of platelets in inflammation and immunity is an expanding field of  research. The  overall  aim  of  this  thesis  was  to  investigate  the  effects  of  the  attern‐recognition  molecules/receptors  C1q,  CRP  and  TLR‐2/1  on  platelet  p activation.    he sp   T   ecific aims of the enclosed studies were to:  • elucidate the effects of C1q and C‐reactive protein on platelet adhesion  and  activation  utilizing  well‐characterized  model  surfaces  with  adsorbed  human  immunoglobulin  G  and  human  serum  albumin   (Paper I). 

• clarify the role of C1q in platelet activation including the involvement 

 

of receptors and intracellular signaling events (Paper II). 

• investigate  the  regulatory  role  of  C1q  on  collagen‐induced  platelet  activation  on  isolated  platelets  and  in  whole  blood,  respectively    (Papers II‐III).  • study the effects of C1q on production of reactive‐oxygen species and    formation of platelet‐leukocyte aggregates in whole blood. (Paper III).  • reveal the intracellular signaling events provoked by toll‐like receptor‐ 2 stimulation of platelets (Paper VI).   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(34)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(35)

COMMENTS ON METHODS 

 

F m

 

or  further  experimental  details  and  source  of  chemicals  and  buffers,  see  aterials and methods sections of Paper I‐IV, respectively. 

Isolation of blood cells 

The blood used in the present thesis was heparinized whole blood collected  from  apparently  healthy,  non‐medicating  consenting  donors  at  the  blood  bank, University Hospital, Linköping, Sweden. 

Platelets (P per I, II and IV) 

There  are  several  methods  available  for  isolating  platelets  involving  centrifugation [192] and gel filtration [193]. In the present studies platelets  were  isolated  by  centrifugation  and  several  washing  steps  according  to  the  protocol by  Bengtsson  and  Grenegård  [194]. To  avoid  activation  during  the  isolation  procedure all  buffers were  prepared  without  Ca

a  

2+  and  only  plastic  utensils were used. Briefly, 5 parts of whole blood was mixed with 1 part of  an  acid‐dextrose  solution  (ACD)  pH  4.6  and  centrifuged  at  220  x  g  for  20  minutes. Platelet rich plasma (PRP) was collected and centrifuged at 480 x g  for 20 minutes. In order to investigate changes in cytosolic Ca2+ (Paper II and  IV)  platelets  in  PRP  were  loaded  with  4  µM  Fura‐2‐acetoxymethylester  (FURA‐2‐AM)  during  45  minutes  of  incubation  before  centrifugation.  Furthermore,  in  Paper  VI,  some  platelets  were  isolated  in  the  presence  of  platelet  inhibitors  apyrase  (0.5  U/ml)  and  aspirin  (100  µM).  The  platelet  pellet was washed three times by careful replacement of the buffer in direct  contact with the pellet using Krebs Ringers Phosphate buffer (KRG, pH 7.4).  Platelets  were  then  carefully  re‐suspended  in  KRG  and  the  cell  count  determined  using  a  Bürker  chamber.  Morphological  examination  by  light  microscopy  showed  that  the  isolated  platelets  were  solitary  and  appeared  non‐activated.  Platelets  were  diluted  in  KRG  and  kept  at  room  temperature  for up to 2 hours until experiments. Immediately before each experiment, the  extracellular concentration of Ca2+ was restored to 1 mM. 

Neutrophils (Paper II) 

Neutrophils  were  isolated  according  to  Böyum  and  others  [195,  196].    In  short,  whole  blood  was  layered  onto  Lymphoprep  and  Polymorphprep  and  centrifuged  at  480  x  g  for  40  minutes  at  room  temperature.  The  fraction 

References

Related documents

The main findings in this thesis were; IPU concentrates maintained a better platelet function compared to buffy-coat platelet concentrates during storage while apheresis

Results: Platelets in interim platelet unit (IPU) concentrates maintained a lower activation state and better aggregation response to the end of storage compared to

Bleeding Complications in Cardiac Surgery Patients. Clinical and

Enhanced levels of CD154 (CD40 ligand) on platelets in patients with chronic heart failure. Sztajzel J, Mach F, Righetti A. Role of the vascular endothelium in patients with

Olen a V irchenk o Stimula tion of tendon rep air by pla telet concentra te, cdmp-2 and mechanical loading in animal models.. Linköping University Medical

Several growth factors have been identified as playing roles in tendon healing, improving soft tissue and bony wound healing, and, when delivered exogenously, stimulate

Activation of the platelet thrombin receptors PAR1 and PAR4 leads to shape change, secretion of granule content, and aggregation, all of which can be accomplished by each

Division of Clinical Chemistry Department of Clinical and Experimental Medicine Linköping University SE—581 83 Linköping.. Linköping University Medical