Zur metabolischen Hierarchie spezifischer Immunprozesse bei menschlichen Monozyten

Abstract

Background: At sites of inflammation, monocytes require energy and building blocks to fulfil immunological functions. They must cope with immunometabolic restrictions such as hypoxia and low glucose levels in the microenvironment. Objective: To investigate the adaptive potential of human monocytes, we modelled conditions of immunometabolic restriction by gradual inhibition of OXPHOS in the absence of glucose. Methods: Monocytes of healthy donors were cultivated under glucose free conditions, and mitochondrial ATP production was gradually decreased by Myxothiazol, an inhibitor of the respiration chain. For three different immunometabolic levels upon stimulation with LPS, we assessed phagocytosis, the expression of surface activation markers CD16, CD80, CD11b, HLA-DR and production of the inflammatory cytokines IL-1β, IL-6 and TNF-α by flow cytometry. With a Clark type electrode, we assessed ATP production and the production of reactive oxygen species through NOX amperometrically. ATP content was determined by luminometric assessment. Results: Monocytes showed no sign of apoptosis following inhibition of mitochondrial respiration. In our model, the effect of immunometabolic restriction was most pronounced on the surface expression of CD11b, HLA-DR, production of TNF-α, IL-1β and production of ROS through NOX. Phagocytosis and the production of IL-6 were less affected. Conclusion: Our data demonstrate a hierarchy of immune functions in LPSstimulated human monocytes. This represents novel knowledge, which could potentially lead to the development of new therapeutic targets in monocyte-mediated inflammatory diseases.

Hintergrund: Monozyten benötigen zur Ausführung spezifischer immunologischer Prozesse Energie und biosynthetische Substrate. Diese stehen in der Mikroumgebung einer Entzündung aufgrund von u.a. Hypoxie und Glukosemangel nur begrenzt zur Verfügung. Fragestellung: Die Anpassung der Monozyten an metabolisch ungünstige Bedingungen sollte hier mithilfe einer stufenweise gehemmten OXPHOS unter Glukoseentzug untersucht werden. Hierbei sollte herausgefunden werden, ob spezifische immunologische Prozesse unter diesen Bedingungen einer Hierarchie unterliegen. Methoden: Monozyten gesunder Spender wurden unter Glukoseentzug kultiviert, die mitochondriale ATP-Produktion wurde durch den Atmungskettenhemmstoff Myxothiazol stufenweise reduziert. Für insgesamt 3 Belastungsstufen mit Myxothiazol untersuchten wir durchflusszytometrisch die Phagozytosekapazität, die Expression der Oberflächenmoleküle CD16, CD80, CD11b, HLA-DR sowie die Produktion der inflammatorischen Zytokine IL-1β, IL-6 und TNF-α. Mit einer Clark-Elektrode wurden die Produktion von ROS durch NOX und die mitochondriale ATP-Produktion amperometrisch untersucht, die ATP-Menge der Zellen wurde luminometrisch bestimmt. Ergebnisse: Die Monozyten zeigten keine Zeichen einer Apoptose unter Glukoseund/oder Energieentzug. Die metabolische Belastung beeinträchtigte vor allem die Expression der Marker CD11b und HLA-DR, die Produktion von TNF-α und IL-1β sowie die ROS Produktion durch NOX. Sie zeigte einen geringeren Effekt auf die Phagozytose und die IL-6 Produktion. Schlussfolgerung: Unsere Ergebnisse sprechen klar für eine Hierarchie der Immunprozesse menschlicher, LPS-stimulierter Monozyten unter metabolischer Belastung. Dieses Wissen könnte zur Entwicklung zukünftiger Therapieansätze für Monozyten-vermittelte entzündliche Erkrankungen führen.