title: Glucocorticoid-induced immune-metabolic reprogramming in macrophages
Creators: name: Zimmermann, Max
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2023
Subjects: subject: Glucocorticoids
subject: Immunometabolism
subject: DDC Classification::6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften :: 61 Medizin und Gesundheit :: 615 Pharmakologie, Therapeutik

description: Glucocorticoids (GC) are amongst the most frequently prescribed substances in clinical medicine. Their potent anti-inflammatory properties render them essential for treating disorders characterized by uncontrolled inflammation such as rheumatoid arthritis, asthma or inflammatory bowel disease. However, high serum levels with a concomitant excess in GC activity lead to side effects related to a subsequent dysregulated systemic energy metabolism. Macrophages represent cells of the innate immune system that are present throughout the organism and involved in the initiation and resolution of the inflammatory response. These cells represent a major target of glucocorticoids in an inflammatory setting. GC were shown to tailor metabolic pathways by directly affecting mitochondrial biology in inflammatory macrophages. However, past research did not link such GC-mediated metabolic adaptations of macrophages with the anti-inflammatory effects of these compounds. In this study, we analyzed the effects of GC on metabolic reprogramming and mitochondrial dynamics in LPS-activated macrophages. We performed metabolic flux analysis as well as profiling of TCA metabolites and intermediates of glycolysis and studied the impact of a GC-mediated metabolic reprogramming of macrophages on their inflammatory response. We show that GC rescue TCA cycle activity in LPS-activated macrophages and identify the TCA cycle-derived metabolite itaconate as a major mediator of the anti-inflammatory effects of GC. Our data thus identify a missing link between GC driven rewiring of the TCA cycle and their well-known impact on cytokine signaling. Taken together, this thesis emphasizes the importance of GC during the immune-metabolic programming of innate immune cells. These insights could contribute to the discovery of novel targets for anti-inflammatory interventions during chronic inflammatory diseases.
description: Hintergrund und Ziele: Glukokortikoide zählen zu den am häufigsten verschriebenen Medikamenten im klinischen Alltag. Ihre potenten anti-inflammatorischen Eigenschaften machen sie auch heute noch zu einem unverzichtbaren Werkzeug in der Therapie chronisch-entzündlicher Erkrankungen wie der rheumatoiden Arthritis, dem Asthma bronchiale oder chronisch-entzündlicher Darmerkrankungen. Ohne streng geführte Therapiekontrolle können hohe Glukokortikoid-Serumspiegel jedoch zu schwerwiegenden Nebenwirkungen führen, welche in vielen Fällen mit einer Dysregulation des systemischen Energiestoffwechsels assoziiert sind. Makrophagen gehören zu den Zellen des angeborenen Immunsystems und kommen ubiquitär im Organismus vor, wo sie Entzündungsantworten sowohl initiieren als auch auflösen können. Diese Zellen stellen ein zentrales pharmakologisches Ziel für Glukokortikoide im inflammatorischen Kontext dar. Neueste Arbeiten konnten zeigen, dass Glukokortikoide den mitochondrialen Stoffwechsel direkt beeinflussen. Ob diese Glukokortikoid-vermittelten Veränderungen im zellularen Metabolismus zu deren anti-inflammatorischen Effekten beitragen war bisher jedoch unklar. Die vorliegende Arbeit hatte zum Ziel, die metabolischen Effekte von Glukokortikoiden in Makrophagen zu untersuchen und deren Bedeutung für die bekannten anti-inflammatorischen Eigenschaften dieser Substanzklasse zu verstehen. Methoden: Makrophagen wurden aus dem Knochenmark von Wildtyp sowie LysM-Cre Twinkle-Knockout und IRG1-Knockout (Immune-responsive gene 1) Mäusen isoliert und in Kultur gehalten. Die in vitro Applikation von Lipopolysacchariden (LPS) über unterschiedliche Zeiträume diente hierbei als inflammatorisches Modell. Zur Bestimmung Glukokortikoid-induzierter Effekte wurden die Derivate Kortikosteron und Dexamethason in den Versuchen verwendet. Mittels Enzyme-linked Immunosorbent Assays (ELISA) konnte die Sekretion verschiedener Zytokine quantifiziert werden. Realtime PCR (RT-PCR) wurde zur Bestimmung der Transkription unterschiedlicher Proteine und Enzyme des Zellstoffwechsels und der mitochondrialen Dynamik verwendet. Darüber hinaus wurden bioenergetische Prozesse mittels Seahorse Flux Analyzer und der Quantifizierung bestimmter Stoffwechsel-Metabolite durch massenspektrometrische Verfahren (LC/MS) untersucht. Ergebnisse und Beobachtungen: Wir konnten zeigen, dass Dexamethason nicht nur inflammatorische Effekte von LPS antagonisiert, sondern auch die mitochondriale Funktion, einschließlich sauerstoffabhängiger Energieproduktion, signifikant beeinflusst. Zusätzlich führte die Dexamethason Stimulation von LPS-aktivierten Makrophagen zur vermehrten Produktion des immunmodulatorischen Metaboliten Itaconat, welcher eine entscheidende Verbindung zwischen metabolischen und antiinflammatorischen Effekten von Glukokortikoiden in Makrophagen repräsentiert. Mittels Verwendung von Makrophagen aus IRG1-defizienten Mäusen, denen die Fähigkeit fehlt, selbstständig Itaconat zu produzieren, sowie durch externe Applikation eines Itaconat-Derivats, konnten wir eine zentrale Bedeutung von Itaconat bei der Sekretionshemmung pro-inflammatorischer Zytokine durch Dexamethason nachweisen. Schlussfolgerungen: Immunmetabolische Effekte von Glukokortikoiden vermitteln deren anti-entzündliche Eigenschaften in Makrophagen, wobei die Glukokortikoid-induzierte Akkumulation des Metabolits Itaconat von zentraler Bedeutung ist. Weiterführende Experimente müssen helfen, die molekularen Mechanismen, welche dieser vermehrten Itaconat-Produktion durch Glukokortikoide zugrunde liegen, zu identifizieren. Die Ergebnisse dieser Arbeit könnten zur Entdeckung neuartiger Signalwege beitragen, die als Zielstrukturen effektiver anti-inflammatorischer Medikamente dienen könnten.