Impact of inflammasome inhibition on the development of insulin resistance in the context of diet-induced obesity

Abstract

High-fat diets (HFD) cause inflammation both in the periphery and the central nervous system. In adipose tissue, inflammation is mainly mediated by macrophages that are recruited to the tissue. Similarly, microglia, the innate immune cells of the brain, are activated in the hypothalamus of mice fed an HFD. Several studies have shown that the nucleotide-binding oligomerization domain (NOD)-like receptor pyrin domain containing 3 (NLRP3) inflammasome, which is expressed by microglia and macrophages, plays a pivotal role in the metainflammation caused by diet-induced obesity (DIO). We were able to use a potential pharmacological NLRP3 inflammasome inhibitor called Ebselen to test the hypothesis that a selective pharmacological inhibition of the NLRP3 inflammasome reduces HFD-induced metabolic alterations. First, we showed that Ebselen was able to inhibit IL-1β secretion in peritoneal macrophages and microglia. We also tested the effects of Ebselen in vivo using male C57/BL 6 wild-type mice fed on a control diet or a high-fat diet, as well as a subgroup of HFD mice and CHOW mice treated with the potential NLRP3 inflammasome inhibitor Ebselen (intraperitoneal injections of 10 mg/kg 3 times a week) or a vehicle. HFD feeding increased weight and impaired glucose homeostasis. Intraperitoneal Ebselen treatment averted weight gain and insulin resistance in HFD-IO (HFD-induced obesity) mice with no change in caloric intake. This effect may be due to the inhibition of IL-β secretion of the NLRP3 inflammasome; however, we cannot exclude that these effects might have been a consequence of drug toxicity, as the mice treated with Ebselen exhibited peritonitis and a high mortality rate. To avoid the side effects of the intraperitoneal injections of Ebselen, we changed the method of administration. The mice were given the same dose of Ebselen as before, but this time it was administered through their drinking water. In this experiment, Ebselen did not affect the w eight gain in HFD mice, but the drug prevented the development of insulin resistance in HFD-IO mice after 1 month of treatment. After 2 months of treatment, this effect had vanished. After 10 weeks of treatment, HFD-IO mice did not exhibit elevated IL-1β levels, so the long-term effects of Ebselen on the IL-β level could not be assessed. In addition to proving that Ebselen can inhibit the NLRP3 inflammasome, further research into alternative application routes and drug formulations must be carried out before Ebselen can become a viable therapeutic option.

Stark fetthaltige Nahrung (HFD) verursacht eine Entzündung in der Peripherie sowie in dem zentralen Nervensystem. Im Fettgewebe wird die Entzündung hauptsächlich durch Makrophagen ausgelöst. Analog wurde gezeigt, dass HFD und Übergewicht eine Aktivierung von Mikroglia, den angeborenen Immunzellen des Gehirns, im Hypothalamus von Mäusen auslöst. Mehrere Studien zeigten, dass NLR family, pyrin domain containing 3 (NLRP3) Inflammasomes eine entscheidende Rolle in dieser peripheren sowie zentralen Meta-Inflammation in der Pathophysiologie von HFD und Übergewicht hat. Unser Labor hat die bis jetzt unveröffentlichte Information erhalten, dass das Pharmakologen Ebselen das NLRP3 Inflammasome pharmazeutisch hemmt. Daher testeten wir die Hypothese, ob Ebselen, durch eine selektive Hemmung des NLRP3 Inflammasomes zu einer Reduktion der metabolischen Veränderungen bei durch fettreiche Ernährung ausgelöstem Übergewicht führt. Zuerst zeigten wir, dass Ebselen die IL-1β-Sekretion in peritonealen Makrophagen und Mikroglia in vitro hemmt. Für die in vivo-Experimente wurden männliche C57 /BL6- Wildtyp-Mäuse mit entweder fettreicher Nahrung oder Kontrollfutter gefüttert. Diese beiden Gruppen wurden dann jeweils in zwei Gruppen, die entweder mit dem potentiellen NLRP3 Inflammasome Inhibitor Ebselen (10mg/kg dreimal pro Woche intraperitoneal) oder als Kontrolle nur mit dem Lösungsmittel behandelt. In der Kontrollgruppe, die mit HFD gefüttert wird, entwickelten die Mäuse Übergewicht und eine beeinträchtige Glukosehomöostase. Die intraperitoneale Injektion mit Ebselen führte in der HFD und in der Kontrollfutter Gruppe zu einer Peritonitis bis hin zum Tod. Daher ist die reduzierte Gewichtszunahme und verbesserte Glukosehomöostase in der mit Ebselen behandelten HFD Gruppe, wahrscheinlich auf die Erkrankung der Mäuse zurück zu führen. Die Menge der aufgenommenen Kalorien in beiden HFD Gruppen war identisch. Ob die Gewichtsreduktion und verbesserte Insulinsensitivität auch auf der pharmakologischen Hemmung des NLRP3 Inflammasomes beruht, können wir nicht ausschließen. Um die Nebenwirkungen der intraperitonealen Injektion zu vermeiden, wurde als alternativer Applikationsweg Ebselen in Trinkwasser aufgelöst und den Mäusen darüber zugeführt. In diesem Experiment hatte Ebselen keinen Einfluss auf die Gewichtszunahme. Nach einem Monat Behandlung verhinderte Ebselen die Entwicklung einer Insulinresistenz. Dieser Effekt war jedoch zu einem späteren Zeitpunkt verschwunden. Nach 10-wöchiger Behandlung hatte keine der HFD Gruppen erhöhte IL-1β Spiegel in weißem Fettgewebe, so dass die Wirkung von Ebselen auf den IL-β Spiegel nicht untersucht werden konnte. Neben der Veröffentlichung der Hemmung der NLRP3 Inflammasomes durch Ebselen sind weitere Untersuchungen zu alternativen Anwendungswegen und Arzeimittelrezeptur notwendig, um Ebselen zu einer Behandlungsmöglichkeit bei Übergewicht zu etablieren.