Einleitung
Seit wenigen Jahren zeigt eine steigende Anzahl wissenschaftlicher Studien einen bedeutenden Einfluss des Darmmikrobioms und seiner Metabolite auf die Entwicklung und Progression von kardiovaskulären Erkrankungen. Cholin- oder Betainreiche Diät wird durch das Darmmikrobiom sowie die Leber in den Metaboliten Trimethylamino-N-oxid (TMAO) umgewandelt, welcher in hohen Serum-Konzentrationen mit erhöhtem Risiko kardiovaskulärer Ereignisse assoziiert ist. Dagegen werden kurzkettigen Fettsäuren wie Propionat, die durch bakterielle Fermentierung aus faserreicher Diät generiert werden, immunmodulatorische Eigenschaften zugeschrieben.
Zielsetzung
In dieser Arbeit werden die Einflüsse von TMAO und Propionat auf endotheliale Zellphysiologie sowie Differenzierung von murinen Monozytensubpopulationen und T-Zellen bei intaktem oder depletiertem Darmmikrobiom in der Maus untersucht.
Methodik
Es wurden „spezifisch pathogenfreie“ (SPF)- oder sekundär gnotobiotische Mäuse mit Kontroll- oder cholinreicher Diät behandelt und Monozytensubpopulationen mittels Durchflusszytometrie bestimmt. In-vitro wurde die Monozytenadhäsion von Tamm-Horsfall Protein 1 (THP1) -Monozyten an humanen aortalen Endothelzellen (HAEC) bei Behandlung der Monozyten mit TMAO mittels Durchflusszytometrie untersucht. Weiterhin wurden SPF- oder sekundär gnotobiotische Wildtyp- oder ApoE-/--Mäuse auf High-Fat-Diet (HFD) mit Propionat behandelt und Monozytensubpopulationen als auch verschiedene T-Zellpopulationen (Th1, Th17 sowie Tregs) in Blut, Milz, Leber, mesenteriale Lymphknoten (MLN) und Knochenmark mittels Durchflusszytometrie bestimmt. In-vitro wurden die Monozytenadhäsion an Endothelzellen sowie Apoptose- und Expressionsverhalten von Adhäsionsmolekülen von HAEC unter Behandlung mit verschiedenen inflammatorischen Stimuli (1 oder 10 ng TNF/ml Medium) bei Vorbehandlung mit Propionat mittels Durchflusszytometrie untersucht.
Ergebnisse
Cholin bewirkte als Trimethylamin-haltige Vorläufersubstanz des TMAOs eine Verschiebung von anti-inflammatorischen zu pro-inflammatorischen Monozyten im Mausmodell im Blut ebenso wie im Knochenmark. Dieser Effekt war in Mäusen mit depletiertem Darmmikrobiom supprimiert. Cholinreiche Diät bewirkte keine signifikante Änderung der Anteile von Hämatopoetischen Stammzellen sowie Monozytenprogenitorzellen. Ebenso veränderte sich die Monozytenadhäsion unter TMAO nicht signifikant. Eine Behandlung mit Propionat im Mausmodell zeigte einen signifikanten Anstieg der regulatorischen T-Zellen in den mesenterialen Lymphknoten in SPF-Mäusen ohne signifikante Effekte in den weiteren Organen. Das Verhältnis von pro- zu anti-inflammatorischen Monozyten als auch die Anteile von Th1- sowie Th17-Zellen veränderten sich nicht signifikant. Weiterhin zeigte Propionat keinen signifikanten Einfluss auf Monozytenadhäsion und Apoptose von HAEC.
Schlussfolgerung
Cholinreiche Diät bewirkt einen erhöhten Anteil pro-inflammatorischer Monozyten im Blut, was zu einem erhöhten Risiko von kardiovaskulären Ereignissen im Menschen beitragen kann. Propionat bewirkt im hypercholesterinämischen Mausmodell eine intestinale Erhöhung des Anteils von regulatorischen T-Zellen, was sich günstig auf Lipidstoffwechsel und somit atheroprotektiv auswirken kann. Das Darmmikrobiom und seine Metabolite erweisen sich als wichtiger Ansatzpunkt zur Risikomodulation für kardiovaskuläre Ereignisse, welcher für therapeutische und präventive Strategien genutzt werden könnten.
Introduction
Growing evidence suggests a significant role of the gut microbiome and its metabolites for the development and progression of cardiovascular disease. A choline- or betaine-rich diet is metabolised by the gut microbiome and the liver into the compound trimethylamine-N-oxide (TMAO) which at high serum concentrations is associated with elevated risk of cardiovascular events in humans. Additionally, short-chain fatty acids (SCFA) like propionate generated upon bacterial fermentation of fiber rich diet have been suggested to have immunomodulatory properties with beneficial effects on cardiovascular health.
Goals
This work examines the impact of TMAO and propionate on distinct aspects of endothelial cell physiology and homeostasis of murine monocyte and T cell subpopulations in wildtype or atherosclerotic prone ApoE-/--mice with intact or depleted gut microbiome.
Methods
In mouse experiments “specific pathogen-free” (SPF)- or secondary gnotobiotic wildtype mice were fed with control or choline-rich diet and monocyte subpopulations were analysed by flow cytometry. In vitro, monocyte adhesion of Tamm-Horsfall Protein 1 (THP1)-monocytes on human aortic endothelial cells (HAEC) of TMAO-treated monocytes was examined by flow cytometry. Furthermore, SPF- or secondary gnotobiotic wildtype- or ApoE-/--mice on high-fat-diet (HFD) were treated with propionate and monocyte subpopulations and different T cell populations (Th1, Th17 and Tregs) in blood, spleen, liver, mesenteric lymph nodes (MLN) and bone marrow were determined by flow cytometry. In vitro, monocyte adhesion on endothelial cells and apoptosis as well as expression of adhesion molecules by HAEC upon stimulation with different inflammatory stimuli (1 or 10 ng TNF/ml medium) were examined by flow cytometry.
Results
Choline-rich diet triggered a shift of anti- to pro-inflammatory monocytes in blood and in bone marrow, which was prevented in mice with depleted gut microbiome. There was no significant effect in the ratios of hematopoietic stem cells or monocyte progenitor cells. Furthermore, TMAO did not induce any significant change in monocyte adhesion. Propionate induced a significant increase of Tregs in MLN in SPF-mice, but not in other organs. The ratio of pro- to anti-inflammatory monocytes and the concentration of Th1 and Th17 cells did not change significantly. Furthermore, propionate did not have a significant effect on monocyte adhesion or apoptosis in HAEC.
Conclusion
Choline-rich diet induces a shift towards pro-inflammatory monocytes which may contribute to increased cardiovascular risk in humans with elevated serum concentration of TMAO. Propionate has systemic immunomodulatory effects with potential atheroprotective properties, although it did not show direct anti-inflammatory and anti-apoptotic effects on endothelial cells in-vitro. The gut microbiome and its metabolites may represent a novel target to prevent and treat atherosclerotic cardiovascular disease.
