Hypercoagulation and the structural properties of plasma proteins in rheumatoid arthritis
Date
2022-04
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: Rheumatoid Arthritis (RA) is the most common chronic inflammatory joint disease globally and
typically affects smaller synovial joints. The exact pathogenic cause of RA is yet to be fully
determined, with the current paradigm viewing aetiology as a complex interaction between various
genetic, environmental and immunological factors. The generation of self-antigens and a subsequent
break in immune tolerance causes a systemic autoimmune response that affects tissues and organs
other than synovial joints, including the cardiovascular system. Individuals suffering from RA have
an excessive risk for early development of numerous cardiovascular diseases (CVD), such as venous
and arterial thrombosis. Increased CVD morbidity and mortality risk in RA is exacerbated by
heightened arthritis severity, which indicates that immunopathological mechanisms could affect
cellular and soluble components responsible for regulating blood flow and perfusion. Upstream from
inflammation-induced haemostatic dysregulation, posttranslational modifications of endogenous
proteins that generates autoantigenicity in RA is known to target prominent clotting factors such
as fibrinogen and fibrin. The extent and effect of these alterations on the normal function and
structure of fibrin(ogen) within the context of coagulation has to date not been extensively
considered.
This study therefore aimed to identify and characterise the mechanistic and structural
abnormalities of blood clot formation in RA patients. Peripheral blood samples were collected from
individuals with active RA disease alongside age- and gender-matched healthy individuals that
served as experimental controls. Functional and structural analysis was conducted of whole blood
and fibrin clots formed from RA and control samples and compared. Clot structures were further
examined to determine the possible impact of autoimmune-related citrullination and alterations of
the protein secondary structure.
Increased expression levels of C-reactive protein, serum amyloid A and intercellular adhesion
molecule 1 measured by immunoassay was confirmed in RA patients, indicating a state of acute
systemic inflammation and endothelial dysregulation. Initiation and propagation of clot formation
as measured by thromboelastography occurred at a more rapid rate in RA whole blood samples compared
to controls. However, maximal measured strength of formed thrombi was attenuated in RA. This
observation was consistent with decreased platelet activity levels (P-selectin ELISA), alongside
abnormal fibrin clot properties observed using electron microscopy, where RA clots consisted of
dense fibrin fibre networks with increased fibre diameter. The identification of citrullination as
a possible cause of altered fibrin clot properties in RA was accomplished by using
immunofluorescence microscopy. Finally, the abrogation of fibrin clot viscoelasticity was reflected
in additional microscopical and spectrochemical analysis of protein secondary structure, in which
increased β-sheet generation during clot formation but similar relative β-sheet composition to that
of healthy controls was indicated.
These findings strongly suggests that immunopathological mechanisms intrinsic to RA may cause a
thrombotic complication in which elevated fibrin deposition is offset by structural alterations
that
compromise clot stability and could therefore increase the risk of rupture under the influence of
flow shear forces. This potential cause of thromboembolism is of important clinical relevance, and
further mechanistic insights are necessary in order to identify and possibly mitigate this serious
risk in the RA
population.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Rumatoïede artritis (RA) is the mees algemene chroniese inflammatoriese gewrig siekte wêreldwyd en affekteer gewoonlik kleiner sinoviale gewrigte. The presiese patogeniese oorsaak van RA is tot hede nog nie ten volle bepaal nie, met die huidige etologiese siening as ‘n komplekse interaksie tussen verskeie genetiese, omgewings en immunologiese faktore. Die generering van self-antigene en ‘n daaropvolgende breek in immuun toleransie veroorsaak ‘n sistemiese outo-immuunreaksie wat weefsel en organe anders as die van sinoviale gewrigte affekteer, wat die kardiovaskulêre sisteem insluit. Individue wat ly aan RA het ‘n oortollige risiko vir vroeë ontwikkeling vand verskeie kardiovaskulêre siektes, soos veneus en arteriale trombose. Verhoogde kardiovaskulêre morbiditeit en mortaliteit in RA word vererger deur akute artritis simptome, wat aandui dat immuno-patologiese meganismes moontlik sellulêre en oplosbare komponente verantwoordelik vir die regulasie van bloedvloei en perfusie affekteer. Voorafgaande van hemostatiese wanregulasie veroorsaak deur inflammasie, is post- translasionele veranderinge van endogene proteïene wat outo-antigenisiteit in RA genereer bekend om prominente stollings faktore soos fibrinogeen en fibrien te teiken. Die omvang en effek van hierdie veranderinge op die normale funksie en struktuur van fibrinogeen en fibrien binne die konteks van koagulasie tot hede nog nie breedvoerig oorweeg nie. Hierdie studies het dus gepoog om die meganistiese end strukturele abnormaliteite van bloedstolling in RA pasiënte te indentifiseer en te karakteriseer. Perifere bloed monsters is versamel van individue met aktiewe RA tesame met ouderdom- en geslagsooreenstemende gesonde individue wat as eksperimentele kontroles gedien het. Funksionele en strukturele analises was uitgevoer op heelbloed en fibrienklonte gevorm van RA en kontrole monsters, en met mekaar vergelyk. Klontstrukture is verder bestudeer om die moontlike impak van outo-immuun verwante sitrullinasie te bepaal, tesame met veranderinge in die proteïen sekondêre struktuur. Verhoogde vlakke van C-reaktiewe proteïen, serum ameloïed A, en intersellulêre adhesie molekule 1 gemeet deur immuuntoetsing is bevestig in RA pasiënte, wat ‘n toestand van akute sistemiese inflammasie en endoteel disregulasie aandui. Die begin en aanvoering van bloedstolling gemeet deur tromboelastografie het geskied teen ‘n versnelde tempo in RA heelbloed in vergelyking met kontroles. The maksimum bepaalde vlak van trek sterkte in gevormde klonte was egter verswak in RA. Hierdie waarneming was konsekwent met verlaagde plaatjie aktiwiteit (P-selektien ELISA) tesame met abnormale fibrienklont eienskappe waargeneem met elektron mikroskopie, waar RA klonte saamgestel is deur digte fibrien netwerke met verhoogde vesel deursnee. Die wegdoening van fibrien klont viskoelastisiteit was gereflekteer in addisionele mikroskopiese en spektrochemiese analise van proteïen sekondêre struktuur, waarin verhoogde β-blad generering gedurende stolling plaasvind maar relatiewe gelyke saamstelling van β-blad inhoud bestaan met die van gesonde individue. Hierdie resultate dui baie sterk aan dat immunopatologiese meganismes intrinsiek tot RA trombotiese komplikasies mag veroorsaak. Verhoogde fibrien neerslag mag deur strukturele veranderinge teengewerk word en dus ‘n kompromie inhou vir klot stabiliteit en die risiko verhoog vir die los skeur van klonte onder invloed van vloei-skeer kragte. Die moontlike oorsaak van tromboembolisme is van uiterse belangrike kliniese belang, en verdere meganistiese insigte word benodig om sodoende hierdie ernstige risiko in die RA populasie te identifiseer en te versag.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Rumatoïede artritis (RA) is the mees algemene chroniese inflammatoriese gewrig siekte wêreldwyd en affekteer gewoonlik kleiner sinoviale gewrigte. The presiese patogeniese oorsaak van RA is tot hede nog nie ten volle bepaal nie, met die huidige etologiese siening as ‘n komplekse interaksie tussen verskeie genetiese, omgewings en immunologiese faktore. Die generering van self-antigene en ‘n daaropvolgende breek in immuun toleransie veroorsaak ‘n sistemiese outo-immuunreaksie wat weefsel en organe anders as die van sinoviale gewrigte affekteer, wat die kardiovaskulêre sisteem insluit. Individue wat ly aan RA het ‘n oortollige risiko vir vroeë ontwikkeling vand verskeie kardiovaskulêre siektes, soos veneus en arteriale trombose. Verhoogde kardiovaskulêre morbiditeit en mortaliteit in RA word vererger deur akute artritis simptome, wat aandui dat immuno-patologiese meganismes moontlik sellulêre en oplosbare komponente verantwoordelik vir die regulasie van bloedvloei en perfusie affekteer. Voorafgaande van hemostatiese wanregulasie veroorsaak deur inflammasie, is post- translasionele veranderinge van endogene proteïene wat outo-antigenisiteit in RA genereer bekend om prominente stollings faktore soos fibrinogeen en fibrien te teiken. Die omvang en effek van hierdie veranderinge op die normale funksie en struktuur van fibrinogeen en fibrien binne die konteks van koagulasie tot hede nog nie breedvoerig oorweeg nie. Hierdie studies het dus gepoog om die meganistiese end strukturele abnormaliteite van bloedstolling in RA pasiënte te indentifiseer en te karakteriseer. Perifere bloed monsters is versamel van individue met aktiewe RA tesame met ouderdom- en geslagsooreenstemende gesonde individue wat as eksperimentele kontroles gedien het. Funksionele en strukturele analises was uitgevoer op heelbloed en fibrienklonte gevorm van RA en kontrole monsters, en met mekaar vergelyk. Klontstrukture is verder bestudeer om die moontlike impak van outo-immuun verwante sitrullinasie te bepaal, tesame met veranderinge in die proteïen sekondêre struktuur. Verhoogde vlakke van C-reaktiewe proteïen, serum ameloïed A, en intersellulêre adhesie molekule 1 gemeet deur immuuntoetsing is bevestig in RA pasiënte, wat ‘n toestand van akute sistemiese inflammasie en endoteel disregulasie aandui. Die begin en aanvoering van bloedstolling gemeet deur tromboelastografie het geskied teen ‘n versnelde tempo in RA heelbloed in vergelyking met kontroles. The maksimum bepaalde vlak van trek sterkte in gevormde klonte was egter verswak in RA. Hierdie waarneming was konsekwent met verlaagde plaatjie aktiwiteit (P-selektien ELISA) tesame met abnormale fibrienklont eienskappe waargeneem met elektron mikroskopie, waar RA klonte saamgestel is deur digte fibrien netwerke met verhoogde vesel deursnee. Die wegdoening van fibrien klont viskoelastisiteit was gereflekteer in addisionele mikroskopiese en spektrochemiese analise van proteïen sekondêre struktuur, waarin verhoogde β-blad generering gedurende stolling plaasvind maar relatiewe gelyke saamstelling van β-blad inhoud bestaan met die van gesonde individue. Hierdie resultate dui baie sterk aan dat immunopatologiese meganismes intrinsiek tot RA trombotiese komplikasies mag veroorsaak. Verhoogde fibrien neerslag mag deur strukturele veranderinge teengewerk word en dus ‘n kompromie inhou vir klot stabiliteit en die risiko verhoog vir die los skeur van klonte onder invloed van vloei-skeer kragte. Die moontlike oorsaak van tromboembolisme is van uiterse belangrike kliniese belang, en verdere meganistiese insigte word benodig om sodoende hierdie ernstige risiko in die RA populasie te identifiseer en te versag.
Description
Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2022.