Differential effects of acute and chronic hydrocortisone treatment on pyroptosis in vitro

Han, Bing (2023): Differential effects of acute and chronic hydrocortisone treatment on pyroptosis in vitro. Dissertation, LMU München: Medizinische Fakultät

Abstract

Pyroptosis is a mode of inflammatory programmed cell death triggered by Path-ogen Associated Molecular Patterns (PAMP) of pathological microbes and intracellular components from damaged cells in order to attract immune cells and to prevent spread of infection. Pyroptosis occurs mostly in macrophages but can be also found in other immune cells and epithelial cells. Upon PAMP-stimulation the pro-inflammatory NF-κB signaling pathway is activated, which is followed by inflammasome assembly and cleavage of effector caspase-1. The main features of pyroptosis are cell lysis mediated by gasdermin D pores, and release of the pro-inflammatory cytokines IL-1β and IL-18 into the extracellular space. The widely used synthetical glucocorticoid (GC) hydrocortisone (HC) is a steroidal drug to limit inflammation. Physiologically, GCs are secreted from the adrenal cortex upon stress and act as immune suppressants and anti-inflammatory hormones by inhibiting pro-inflammatory signaling pathways (e.g. NF-κB). However, it was shown that HC also has the potential to upregulate pro-inflammatory genes such as TLRs (Toll like receptors) and NLRP3, which indicates that HC can have both positive and negative effects on inflammatory immune responses. The impact of HC on pyroptosis in macrophages was not addressed by now. In the present work, the effects of incrementing HC concentrations on induc-tion and execution of pyroptosis were investigated in THP-1 macrophagelike cells. Accordingly, cells were pretreated either with 0.1 μg/ml HC to mimic ba-sal human cortisol levels or with 0.2 and 0.4 μg/ml to mimic chronically increased concentration levels. Pyroptosis was induced by LPS (lipopolysaccha-ride, 5 ng/ml) and ATP (adenosine triphosphate, 5 mM). Subsequent treatment with HC after pyroptosis induction was scheduled as an acute concentration increase from 0.1 µg/ml to 0.2 or 0.4 µg/ml, which corresponds to patients HC treatment upon severe inflammation or constant moderately (0.2 µg/ml) or high-ly (0.4 µg/ml) elevated HC levels, resembling stress condition or patients otherwise pretreated with HC, repectively. Results derived from these investigations have shown, that the acute HC ex-posure did not change LPS- and ATP-mediated cell lysis compared to physiological control, however chronically elevated HC dose-dependently attenuated cell lysis. Interestingly, after acute exposure, NLRP3 and caspase-1 activation as well as extracellular IL-1β levels were dose-dependently augmented. However, NF-κB signaling pathway activation and IL-1β mRNA levels were unal-tered under these conditions. Chronic exposure suppressd the NF-κB signaling pathway, protein expression and their activation. This study described that the effects of HC on pyroptosis in macrophages as well as on their release of the proinflammatory cytokine IL-1β are differently affected in dependence of an acute or chronic HC exposure. Moreover, the data promotes potential clinical studies to evaluate the impact of IL-1β as a possible inflammation and pharmacological biomarker in daily clinical routine.

Abstract

Die Pyroptose ist eine Form des entzündungsverursachenden programmierten Zelltodes, der durch PAMPs (Pathogen Associated Molecular Patterns / Patho-gen-assoziierte molekulare Muster) von pathologischen Mikroben und intrazel-lulären Komponenten von geschädigten Zellen ausgelöst wird. Dadurch sol-len Immunzellen angelockt und die Ausbreitung einer Infektion verhindert werden. Pyroptose findet hauptsächlich in Makrophagen statt, kann aber auch in anderen Immunzellen und Epithelzellen auftreten. Nach einer PAMP-Stimulation wird der proinflammatorische NF-κB-Signalweg aktiviert, was die Assemblierung des Inflammasoms und die Spaltung der Effektor-Caspase-1 zur Folge hat. Die Hauptmerkmale der Pyroptose sind eine durch Gasdermin D-Poren vermittelte Zelllyse und die Freisetzung der entzündungsfördernden Zytokine IL-1β und IL-18 in den extrazellulären Raum. Das weitläufig verabreichte synthetische Glucocortikoid (GC) Hydrocortison (HC) ist ein steroidales Medikament zur Behandlung von schweren Entzün-dungen. Physiologisch werden GCs bei Stress aus der Nebennierenrinde se-zerniert und wirken als Immunsuppressivum und entzündungshemmendes Hormon, indem sie entzündungsfördernde Signalwege (z. B. NF-κB) hemmen. Für HC wurde jedoch gezeigt, dass es auch das Potenzial hat, entzündungs-fördernde Gene wie TLRs (Toll-like-Rezeptoren) und NLRP3 hochzuregulie-ren, was darauf hindeutet, dass HC sowohl positive als auch negative Auswir-kungen auf die Entzündungsreaktion haben kann. Der Einfluss von HC auf die Pyroptose in Makrophagen wurde bisher nicht adressiert. In der vorliegenden Arbeit wurden die Auswirkungen einer Erhöhung der HC-Konzentrationen auf die Induktion und Ausführung der Pyroptose in THP-1-Makrophagen untersucht. Hierfür wurden die Zellen mit 0,1 μg/ml HC vorbe-handelt, um basale Cortisolspiegel nachzuahmen, oder mit 0,2 und 0,4 μg/ml für chronisch erhöhte Konzentrationsspiegel. Pyroptose wurde durch LPS (Lipopolysaccharid, 5 ng/ml) und ATP (Adenosintriphosphat, 5 mM) induziert. Die weitere Behandlung mit HC nach Pyroptoseinduktion erfolgte als eine akute Erhöhung von 0,1 µg/ml auf 0,2 bzw. 0,4 µg/ml, die Konzentrationen ei-ner klinischen Bedingung bei der Behandlung von schweren Infektion ent-sprechen bzw. bei mäßig (0,2 µg/ml) oder stark (0,4 µg/ml) gestressten oder mit HC vorbehandelten Patienten auftreten können. Die Ergebnisse der Untersuchungen haben gezeigt, dass eine akute HC-Exposition die LPS- und ATP-vermittelte pyroptotische Zelllyse im Vergleich zur physiologischen Kontrolle nicht veränderte, jedoch eine chronische erhöh-te HC-Exposition die Zelllyse dosisabhängig verminderte. Interessanterweise waren nach akuter HC-Exposition die NLRP3- und Caspase-1-Aktivierung so-wie die extrazellulären IL-1β-Spiegel dosisabhängig erhöht. Die Aktivierung des NF-κB-Signalweges und die IL-1β-mRNA-Spiegel blieben jedoch unter diesen Bedingungen unverändert. Die chronische Exposition hingegen un-terdrückte den NF-κB-Signalweg, die Proteinexpression und deren Aktivie-rung. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen zeigen, dass in Abhängigkeit einer akuten oder chronischen Exposition die Effekte von HC auf die Pyropto-se und die Ausschüttung des pro-inflammatorischen Zytokins IL-1β unter-schiedlich ausfallen. Sie legen zudem die Umsetzung klinischer Studien zur Bewertung der Auswirkungen von IL-1β als möglichen Entzündungs- und pharmakologischen Biomarker für den klinischen Alltag nahe.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften ; 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin und Gesundheit
• Fakultäten: Medizinische Fakultät
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 13. Juli 2023
• 1. Bericht­erstatter:in: Choukèr, Alexander