Associations of low HDL cholesterol level and premature coronary heart disease with functionality and phospholipid composition of HDL and with plasma oxLDL antibody levels

Abstract

Coronary heart disease (CHD) is a clinical manifestation of atherosclerosis. It is a major cause of mortality and morbidity both in Finland and globally. Even after the best known treatments a significant residual risk of CHD remains. A low plasma HDL cholesterol level (HDL, high-density lipoprotein) is a common lipid abnormality in patients affected by premature CHD and also a component of the metabolic syndrome, a cluster of risk factors for atherosclerosis associated with central obesity.

In this study, a phenotype of low HDL cholesterol level and premature CHD was investigated in two Northern Finnish family populations. The aim was to find new biological factors accounting for the elevated CHD risk in the phenotype. In the subjects of family population I, plasma levels of antibodies (IgG, IgM, IgA) against experimental epitopes (malondialdehyde-acetaldehyde-modified, copper-oxidized) of oxidized LDL (low-density lipoprotein) particles were measured. In the subjects of family population II, capacity of HDL fractions (total HDL, HDL2 and HDL3) to accept cholesterol from a THP-1 experimental foam cell model was assayed (cholesterol efflux). In addition, a phospholipid composition of their HDL fractions (HDL2 and HDL3) was measured using liquid chromatography-mass spectrometry.

The antibody levels were not related to CHD or to HDL cholesterol level. Instead, the cholesterol efflux to HDL2 fraction was clearly impaired in CHD, which was associated with the low HDL cholesterol level of the patients. The impaired cholesterol efflux to HDL2 fraction was primarily in conjunction with the metabolic syndrome. The phospholipid composition of HDL fractions was different between the affected and the non-affected subjects. As an example, characteristic of the metabolic syndrome were elevated contents of palmitic, palmitoleic or oleic acids relative to linoleic acid in lysophosphatidylcholines and phosphatidylcholines.

In conclusion, the HDL fraction is both functionally and compositionally modified in the phenotype of low HDL cholesterol level and premature CHD. Especially the cholesterol efflux capacity of the HDL2 fraction and thus its many functional properties may be impaired. There are many characteristic features in the phospholipid composition of the HDL in the phenotype which were detected in HDL2 and HDL3 fractions.

Tiivistelmä

Sepelvaltimotauti on ateroskleroosin kliininen ilmenemismuoto. Se on merkittävimpiä kuolleisuuden ja sairastavuuden aiheuttajia niin Suomessa kuin maailmalla. Parhaillakin tunnetuilla hoidoilla sepelvaltimotaudille jää huomattava jäännösriski. Plasman matala HDL-kolesterolitaso (HDL, high-density lipoprotein) on yleinen lipidipoikkeavuus varhaista sepelvaltimotautia sairastavilla ja myös eräs metabolisen oireyhtymän, eli keskivartalolihavuuteen liittyvän ateroskleroosin riskitekijäkasauman, komponentti.

Tässä väitöskirjassa tutkittiin matalan HDL-kolesterolitason ja varhaisen sepelvaltimotaudin fenotyyppiä kahdessa pohjoissuomalaisessa sukuaineistossa. Tavoitteena oli löytää uusia biologisia tekijöitä fenotyypin kohonneen sepelvatimotautiriskin taustalta. Ensimmäisen aineiston henkilöiden plasmasta mitattiin vasta-ainetasoja (IgG, IgM, IgA) LDL-hiukkasten (LDL, low-density lipoprotein) kokeellisia hapettuneita epitooppeja (malonidialdehydi-asetaldehydi-modioitu ja kuparilla hapetettu LDL) vastaan. Toisessa aineistossa mitattiin henkilöiden HDL-fraktioiden (kokonais-HDL, HDL2 ja HDL3) kykyä saada aikaan kolesterolin ulosvirtausta kokeellisesta THP-1 vaahtosolumallista. Lisäksi heidän HDL-fraktioidensa (HDL2, HDL3) fosfolipidikoostumus mitattiin nestekromatografi-massaspektrometri-laitteistolla.

Vasta-ainetasot eivät liittyneet sepelvaltimotautiin tai HDL-kolesterolitasoon. Sen sijaan kolesterolin ulosvirtaus HDL2-fraktioon oli selkeästi alentunut sepelvaltimotaudissa, mikä liittyi potilaiden pieneen HDL-kolesterolipitoisuuteen. Alentunut ulosvirtaus HDL2-fraktioon liittyikin ensisijaisesti metaboliseen oireyhtymään. HDL-fraktioiden fosfolipidikoostumus erosi terveiden ja sairaiden välillä. Esimerkiksi metabolisessa oireryhtymässä tunnusomaista oli lysofosfatidyylikoliinien ja fosfatidyylikoliinien sisältämän palmitiinihapon, palmitoleiinihapon tai oleiinihapon suurentunut määrä suhteessa niiden sisältämän linoleenihapon määrään.

Loppupäätelmä on, että matalan HDL-kolesterolitason ja varhaisen sepelvaltimotaudin fenotyypin HDL-fraktio on sekä toiminnaltaan että koostumukseltaan muuntunut. Erityisesti HDL2-fraktion kyky saada aikaan kolesterolin ulosvirtausta ja näin ollen sen monet toiminnalliset ominaisuudet voivat olla alentuneet. Fenotyypin HDL:n fosfolipidikoostumuksessa on monia tunnusomaisia piirteitä, joita havaittiin sekä HDL2- että HDL3-fraktiossa.

Original papers

Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

1. Paavola, T., Kangas-Kontio, T., Salonurmi, T., Kuusisto, S., Huusko, T., Savolainen, M. J., & Kakko, S. (2012). Plasma levels of antibodies against oxidized LDL are inherited but not associated with HDL-cholesterol level in families with early coronary heart disease. Atherosclerosis, 224(1), 123–128. https://doi.org/10.1016/j.atherosclerosis.2012.06.056

2. Paavola, T., Kuusisto, S., Jauhiainen, M., Kakko, S., Kangas-Kontio, T., Metso, J., … Salonurmi, T. (2017). Impaired HDL2-mediated cholesterol efflux is associated with metabolic syndrome in families with early onset coronary heart disease and low HDL-cholesterol level. PLOS ONE, 12(2), e0171993. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0171993

   Self-archived version

3. Paavola, T., Bergmann, U., Kuusisto, S., Kakko, S., Savolainen, M. J., & Salonurmi, T. (2019). Distinct fatty acid compositions of HDL phospholipids are characteristic of metabolic syndrome and premature coronary heart disease. Manuscript in preparation.

Osajulkaisut

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon.

1. Paavola, T., Kangas-Kontio, T., Salonurmi, T., Kuusisto, S., Huusko, T., Savolainen, M. J., & Kakko, S. (2012). Plasma levels of antibodies against oxidized LDL are inherited but not associated with HDL-cholesterol level in families with early coronary heart disease. Atherosclerosis, 224(1), 123–128. https://doi.org/10.1016/j.atherosclerosis.2012.06.056

2. Paavola, T., Kuusisto, S., Jauhiainen, M., Kakko, S., Kangas-Kontio, T., Metso, J., … Salonurmi, T. (2017). Impaired HDL2-mediated cholesterol efflux is associated with metabolic syndrome in families with early onset coronary heart disease and low HDL-cholesterol level. PLOS ONE, 12(2), e0171993. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0171993

   Rinnakkaistallennettu versio

3. Paavola, T., Bergmann, U., Kuusisto, S., Kakko, S., Savolainen, M. J., & Salonurmi, T. (2019). Distinct fatty acid compositions of HDL phospholipids are characteristic of metabolic syndrome and premature coronary heart disease. Manuscript in preparation.