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The majority of cases of community-acquired pneumonia are caused by Streptococcus pneumoniae and most studies on pneumococcal host interaction are based on cell culture or animal experiments. Thus, little is known about infections in human lung tissue.
Cyclooxygenase-2 and its metabolites play an important regulatory role in lung inflammation. Therefore, we established a pneumococcal infection model on human lung tissue demonstrating mitogen-activated protein kinase (MAPK)-dependent induction of cyclooxygenase-2 and its related metabolites.
In addition to alveolar macrophages and the vascular endothelium, cyclooxygenase-2 was upregulated in alveolar type II but not type I epithelial cells, which was confirmed in lungs of patients suffering from acute pneumonia. Moreover, we demonstrated the expression profile of all four E prostanoid receptors at the mRNA level and showed functionality of the E prostanoid(4) receptor by cyclic adenosine monophosphate production. Additionally, in comparison to previous studies, cyclooxygenase-2/prostaglandin E-2 related pro- and anti-inflammatory mediator regulation was partly confirmed in human lung tissue after pneumococcal infection.
Overall, cell type-specific and MAPK-dependent cyclooxygenase-2 expression and prostaglandin E-2 formation in human lung tissue may play an important role in the early phase of pneumococcal infections.
For centuries, Amaranthus sp. were used as food, ornamentals, and medication. Molecular mechanisms, explaining the health beneficial properties of amaranth, are not yet understood, but have been attributed to secondary metabolites, such as phenolic compounds. One of the most abundant phenolic compounds in amaranth leaves is 2-caffeoylisocitric acid (C-IA) and regarding food occurrence, C-IA is exclusively found in various amaranth species. In the present study, the anti-inflammatory activity of C-IA, chlorogenic acid, and caffeic acid in LPS-challenged macrophages (RAW 264.7) has been investigated and cellular contents of the caffeic acid derivatives (CADs) were quantified in the cells and media. The CADs were quantified in the cell lysates in nanomolar concentrations, indicating a cellular uptake. Treatment of LPS-challenged RAW 264.7 cells with 10 µM of CADs counteracted the LPS effects and led to significantly lower mRNA and protein levels of inducible nitric oxide synthase, tumor necrosis factor alpha, and interleukin 6, by directly decreasing the translocation of the nuclear factor κB/Rel-like containing protein 65 into the nucleus. This work provides new insights into the molecular mechanisms that attribute to amaranth’s anti-inflammatory properties and highlights C-IA’s potential as a health-beneficial compound for future research.
The regulation of energy homeostasis is controlled by the brain and, besides requiring high amounts of energy, it relies on functional insulin/insulin-like growth factor (IGF)-1 signalling in the central nervous system. This energy is mainly provided by mitochondria in form of ATP. Thus, there is an intricate interplay between mitochondrial function and insulin/IGF-1 action to enable functional brain signalling and, accordingly, propagate a healthy metabolism. To adapt to different nutritional conditions, the brain is able to sense the current energy status via mitochondrial and insulin signalling-dependent pathways and exerts an appropriate metabolic response. However, regional, cell type and receptor-specific consequences of this interaction occur and are linked to diverse outcomes such as altered nutrient sensing, body weight regulation or even cognitive function. Impairments of this cross-talk can lead to obesity and glucose intolerance and are linked to neurodegenerative diseases, yet they also induce a self-sustainable, dysfunctional 'metabolic triangle' characterised by insulin resistance, mitochondrial dysfunction and inflammation in the brain. The identification of causal factors deteriorating insulin action, mitochondrial function and concomitantly a signature of metabolic stress in the brain is of utter importance to offer novel mechanistic insights into development of the continuously rising prevalence of non-communicable diseases such as type 2 diabetes and neurodegeneration. This review aims to determine the effect of insulin action on brain mitochondrial function and energy metabolism. It precisely outlines the interaction and differences between insulin action, insulin-like growth factor (IGF)-1 signalling and mitochondrial function; distinguishes between causality and association; and reveals its consequences for metabolism and cognition. We hypothesise that an improvement of at least one signalling pathway can overcome the vicious cycle of a self-perpetuating metabolic dysfunction in the brain present in metabolic and neurodegenerative diseases.
Systemic inflammation is a hallmark of cancer cachexia. Among tumor-host interactions, the white adipose tissue (WAT) is an important contributor to inflammation as it suffers morphological reorganization and lipolysis, releasing free fatty acids (FA), bioactive lipid mediators (LM) and pro-inflammatory cytokines, which accentuate the activation of pro-inflammatory signaling pathways and the recruitment of immune cells to the tissue. This project aimed to investigate which inflammatory factors are involved in the local adipose tissue inflammation and what is the influence of such factors upon enzymes involved in FA or LM metabolism in healthy individuals (Control), weight stable gastro-intestinal cancer patients (WSC) and cachectic cancer patients (CC). The results demonstrated that the inflammatory signature of systemic inflammation is different from local adipose tissue inflammation. The systemic inflammation of the cachectic cancer patients was characterized by higher levels of circulating saturated fatty acids (SFA), tumor-necrosis-factor-α (TNF-α), interleukins IL-6, IL-8 and CRP while levels of polyunsaturated fatty acids (PUFAs), especially n3-PUFAs, were lower in CC than in the other groups. In vitro and in adipose tissue explants, pro-inflammatory cytokines and SFAs were shown to increase the chemokines IL-8 and CXCL10 that were found to be augmented in adipose tissue inflammation in CC which was more profound in the visceral adipose tissue (VAT) than in subcutaneous adipose tissue (SAT). Systemic inflammation was negatively associated with the expression of PUFA synthesizing enzymes, though gene and protein expression did hardly differ between groups. The effects of inflammatory factors on enzymes in the whole tissue could have been masked by differentiated modulation of the diverse cell types in the same tissue. In vitro experiments showed that the expression of FA-modifying enzymes such as desaturases and elongases in adipocytes and macrophages was regulated into opposing directions by TNF-α, IL-6, LPS or palmitate. The higher plasma concentration of the pro-resolving LM resolvin D1 in CC cannot compensate the overall inflammatory status and the results indicate that inflammatory cytokines interfere with synthesis pathways of pro-resolving LM. In summary, the data revealed a complex inter-tissue and inter-cellular crosstalk mediated by pro-inflammatory cytokines and lipid compounds enhancing inflammation in cancer cachexia by feed-forward mechanisms.
The role of serum amyloid A and sphingosine-1-phosphate on high-density lipoprotein functionality
(2015)
The high-density lipoprotein (HDL) is one of the most important endogenous cardiovascular protective markers. HDL is an attractive target in the search for new pharmaceutical therapies and in the prevention of cardiovascular events. Some of HDL's anti-atherogenic properties are related to the signaling molecule sphingosine-1-phosphate (S1P), which plays an important role in vascular homeostasis. However, for different patient populations it seems more complicated. Significant changes in HDL's protective potency are reduced under pathologic conditions and HDL might even serve as a proatherogenic particle. Under uremic conditions especially there is a change in the compounds associated with HDL. S1P is reduced and acute phase proteins such as serum amyloid A (SAA) are found to be elevated in HDL. The conversion of HDL in inflammation changes the functional properties of HDL. High amounts of SAA are associated with the occurrence of cardiovascular diseases such as atherosclerosis. SAA has potent pro-atherogenic properties, which may have impact on HDL's biological functions, including cholesterol efflux capacity, antioxidative and anti-inflammatory activities. This review focuses on two molecules that affect the functionality of HDL. The balance between functional and dysfunctional HDL is disturbed after the loss of the protective sphingolipid molecule S1P and the accumulation of the acute-phase protein SAA. This review also summarizes the biological activities of lipid-free and lipid-bound SAA and its impact on HDL function.
PURPOSE. Graves' orbitopathy (GO) is an autoimmune orbital disorder associated with Graves' disease caused by thyrotropin receptor autoantibodies. Orbital fibroblasts (OFs) and CD40 play a key role in disease pathogenesis. The bioactive lipid sphingosine-1-phosphate (S1P) has been implicated in promoting adipogenesis, fibrosis, and inflammation in OFs. We investigated the role of CD40 signaling in inducing S1P activity in orbital inflammation.
METHODS. OFs and T cells were derived from GO patients and healthy control (Ctl) persons. S1P abundance in orbital tissues was evaluated by immunofluorescence. OFs were stimulated with CD40 ligand and S1P levels were determined by ELISA. Further, activities of acid sphingomyelinase (ASM), acid ceramidase, and sphingosine kinase were measured by ultraperformance liquid chromatography. Sphingosine and ceramide contents were analyzed by mass spectrometry. Finally, the role for S1P in T-cell attraction was investigated by T-cell migration assays.
RESULTS. GO orbital tissue showed elevated amounts of S1P as compared to control samples. Stimulation of CD40 induced S1P expression in GO-derived OFs, while Ctl-OFs remained unaffected. A significant increase of ASM and sphingosine kinase activities, as well as lipid formation, was observed in GO-derived OFs. Migration assay of T cells in the presence of SphK inhibitor revealed that S1P released by GO-OFs attracted T cells for migration.
CONCLUSIONS. The results demonstrated that CD40 ligand stimulates GO fibroblast to produce S1P, which is a driving force for T-cell migration. The results support the use of S1P receptor signaling modulators in GO management.
METHODS. OFs and T cells were derived from GO patients and healthy control (Ctl) persons. S1P abundance in orbital tissues was evaluated by immunofluorescence. OFs were stimulated with CD40 ligand and S1P levels were determined by ELISA. Further, activities of acid sphingomyelinase (ASM), acid ceramidase, and sphingosine kinase were measured by ultraperformance liquid chromatography. Sphingosine and ceramide contents were analyzed by mass spectrometry. Finally, the role for S1P in T-cell attraction was investigated by T-cell migration assays. RESULTS. GO orbital tissue showed elevated amounts of S1P as compared to control samples. Stimulation of CD40 induced S1P expression in GO-derived OFs, while Ctl-OFs remained unaffected. A significant increase of ASM and sphingosine kinase activities, as well as lipid formation, was observed in GO-derived OFs. Migration assay of T cells in the presence of SphK inhibitor revealed that S1P released by GO-OFs attracted T cells for migration. CONCLUSIONS. The results demonstrated that CD40 ligand stimulates GO fibroblast to produce S1P, which is a driving force for T-cell migration. The results support the use of S1P receptor signaling modulators in GO management.
Das Selenoprotein Glutathionperoxidase 2 (GPx2) ist ein epithelzellspezifisches, Hydroperoxide-reduzierendes Enzym, welches im Darmepithel, vor allem in den proliferierenden Zellen des Kryptengrundes, exprimiert wird. Die Aufrechterhaltung der GPx2-Expression im Kryptengrund auch bei subadäquatem Selenstatus könnte darauf hinweisen, dass sie hier besonders wichtige Funktionen wahrnimmt. Tatsächlich weisen GPx2 knockout (KO)-Mäuse eine erhöhte Apoptoserate im Kryptengrund auf. Ein Ziel dieser Arbeit war es deshalb, die physiologische Funktion der GPx2 näher zu untersuchen. In Kryptengrundepithelzellen aus dem Colon selenarmer GPx2 KO-Mäuse wurde eine erhöhte Caspase 3/7-Aktivität im Vergleich zum Wildtyp (WT) festgestellt. Zudem wiesen diese Zellen eine erhöhte Suszeptibilität für oxidativen Stress auf. Die GPx2 gewährleistet also den Schutz der proliferierenden Zellen des Kryptengrundes auch bei subadäquater Selenversorgung. Des Weiteren wurde im Colon selenarmer (-Se) und -adäquater (+Se) GPx2 KO-Mäuse im Vergleich zum WT eine erhöhte Tumornekrosefaktor α-Expression und eine erhöhte Infiltration von Makrophagen festgestellt. Durch Fütterung einer selensupplementierten Diät (++Se) konnte dies verhindert werden. In GPx2 KO-Mäusen liegt demnach bereits basal eine niedriggradige Entzündung vor. Dies unterstreicht, dass GPx2 vor allem eine wichtige antiinflammatorische Funktion im Darmepithel besitzt. Dem Mikronährstoff Selen werden protektive Funktionen in der Colonkanzerogenese zugeschrieben. In einem Mausmodell der Colitis-assoziierten Colonkanzerogenese wirkte GPx2 antiinflammatorisch und hemmte so die Tumorentstehung. Auf der anderen Seite wurden jedoch auch prokanzerogene Eigenschaften der GPx2 aufgedeckt. Deshalb sollte in dieser Arbeit untersucht werden, welchen Effekt ein GPx2 knockout in einem Modell der sporadischen, durch Azoxymethan (AOM) induzierten, Colonkanzerogenese hat. Im WT kam es in präneoplastischen Läsionen häufig zu einer erhöhten GPx2-Expression im Vergleich zur normalen Darmmucosa. Eine derartige Steigerung der GPx2-Expression wurde auch in der humanen Colonkanzerogenese beschrieben. Das Fehlen der GPx2 resultierte in einer verminderten Entstehung von Tumoren (-Se und ++Se) und präneoplastischen Läsionen (-Se und +Se). Somit förderte GPx2 die Tumorentstehung im AOM-Modell. Acht Stunden nach AOM-Gabe war im GPx2 KO-Colon im Vergleich zum WT eine erhöhte Apoptoserate in der Kryptenmitte (-Se, +Se), nicht jedoch im Kryptengrund oder in der ++Se-Gruppe zu beobachten. Möglicherweise wirkte GPx2 prokanzerogen, indem sie die effiziente Elimination geschädigter Zellen in der Tumorinitiationsphase verhinderte. Eine ähnliche Wirkung wäre auch durch die erhöhte GPx2-Expression in der Promotionsphase denkbar. So könnte GPx2 proliferierende präneoplastische Zellen vor oxidativem Stress, Apoptosen, oder auch der Antitumorimmunität schützen. Dies könnte durch ein Zusammenwirken mit anderen Selenoproteinen wie GPx1 und Thioredoxinreduktasen, für die ebenfalls auch prokanzerogene Funktionen beschrieben wurden, verstärkt werden. Eine wichtige Rolle könnte hier die Modulation des Redoxstatus in Tumorzellen spielen. Die Variation des Selengehalts der Diät hatte im WT einen eher U-förmigen Effekt. So traten in der –Se und ++Se-Gruppe tendenziell mehr und größere Tumore auf, als in der +Se Gruppe. Zusammenfassend schützt GPx2 also die proliferierenden Zellen des Kryptengrundes. Sie könnte jedoch auch proliferierende transformierte Zellen schützen und so die sporadische, AOM-induzierte Colonkanzerogenese fördern. In einem Modell der Colitis-assoziierten Colonkanzerogenese hatte GPx2 auf Grund ihrer antiinflammatorischen Wirkung einen gegenteiligen Effekt und hemmte die Tumorentstehung. Die Rolle der GPx2 in der Colonkanzerogenese ist also abhängig vom zugrunde liegenden Mechanismus und wird maßgeblich von der Beteiligung einer Entzündung bestimmt.
Overweight and obesity are associated with hyperinsulinemia, insulin resistance, and a low-grade inflammation. Although hyperinsulinemia is generally thought to result from an attempt of the beta-cell to compensate for insulin resistance, there is evidence that hyperinsulinaemia itself may contribute to the development of insulin resistance and possibly the low-grade inflammation. To test this hypothesis, U937 macrophages were exposed to insulin. In these cells, insulin induced expression of the proinflammatory cytokines IL-1 beta, IL-8, CCL2, and OSM. The insulin-elicited induction of IL-1 beta was independent of the presence of endotoxin and most likely mediated by an insulin-dependent activation of NF-kappa B. Supernatants of the insulin-treated U937 macrophages rendered primary cultures of rat hepatocytes insulin resistant; they attenuated the insulin-dependent induction of glucokinase by 50%. The cytokines contained in the supernatants of insulin-treated U937 macrophages activated ERK1/2 and IKK beta, resulting in an inhibitory serine phosphorylation of the insulin receptor substrate. In addition, STAT3 was activated and SOCS3 induced, further contributing to the interruption of the insulin receptor signal chain in hepatocytes. These results indicate that hyperinsulinemia per se might contribute to the low-grade inflammation prevailing in overweight and obese patients and thereby promote the development of insulin resistance particularly in the liver, because the insulin concentration in the portal circulation is much higher than in all other tissues.
Insulinresistenz ist ein zentraler Bestandteil des metabolischen Syndroms und trägt maßgeblich zur Ausbildung eines Typ-2-Diabetes bei. Eine mögliche Ursache für die Entstehung von Insulinresistenz ist eine chronische unterschwellige Entzündung, welche ihren Ursprung im Fettgewebe übergewichtiger Personen hat. Eingewanderte Makrophagen produzieren vermehrt pro-inflammatorische Mediatoren, wie Zytokine und Prostaglandine, wodurch die Konzentrationen dieser Substanzen sowohl lokal als auch systemisch erhöht sind. Darüber hinaus weisen übergewichtige Personen einen gestörten Fettsäuremetabolismus und eine erhöhte Darmpermeabilität auf. Ein gesteigerter Flux an freien Fettsäuren vom Fettgewebe in andere Organe führt zu einer lokalen Konzentrationssteigerung in diesen Organen. Eine erhöhte Darmpermeabilität erleichtert das Eindringen von Pathogenen und anderer körperfremder Substanzen in den Körper.
Ziel dieser Arbeit war es, zu untersuchen, ob hohe Konzentrationen von Insulin, des bakteriellen Bestandteils Lipopolysaccharid (LPS) oder der freien Fettsäure Palmitat eine Entzündungsreaktion in Makrophagen auslösen oder verstärken können und ob diese Entzündungsantwort zur Ausbildung einer Insulinresistenz beitragen kann. Weiterhin sollte untersucht werden, ob Metabolite und Signalsubstanzen, deren Konzentrationen beim metabolischen Syndrom erhöht sind, die Produktion des Prostaglandins (PG) E2 begünstigen können und ob dieses wiederum die Entzündungsreaktion und seine eigene Produktion in Makrophagen regulieren kann. Um den Einfluss dieser Faktoren auf die Produktion pro-inflammatorischer Mediatoren in Makrophagen zu untersuchen, wurden Monozyten-artigen Zelllinien und primäre humane Monozyten, welche aus dem Blut gesunder Probanden isoliert wurden, in Makrophagen differenziert und mit Insulin, LPS, Palmitat und/ oder PGE2 inkubiert. Überdies wurden primäre Hepatozyten der Ratte isoliert und mit Überständen Insulin-stimulierter Makrophagen inkubiert, um zu untersuchen, ob die Entzündungsanwort in Makrophagen an der Ausbildung einer Insulinresistenz in Hepatozyten beteiligt ist.
Insulin induzierte die Expression pro-inflammatorischer Zytokine in Makrophagen-artigen Zelllinien wahrscheinlich vorrangig über den Phosphoinositid-3-Kinase (PI3K)-Akt-Signalweg mit anschließender Aktiverung des Transkriptionsfaktors NF-κB (nuclear factor 'kappa-light-chain-enhancer' of activated B-cells). Die dabei ausgeschütteten Zytokine hemmten in primären Hepatozyten der Ratte die Insulin-induzierte Expression der Glukokinase durch Überstände Insulin-stimulierter Makrophagen.
Auch LPS oder Palmitat, deren lokale Konzentrationen im Zuge des metabolischen Syndroms erhöht sind, waren in der Lage, die Expression pro-inflammatorischer Zytokine in Makrophagen-artigen Zelllinien zu stimulieren. Während LPS seine Wirkung, laut Literatur, unbestritten über eine Aktivierung des Toll-ähnlichen Rezeptors (toll-like receptor; TLR) 4 vermittelt, scheint Palmitat jedoch weitestgehend TLR4-unabhängig wirken zu können. Vielmehr schien die de novo-Ceramidsynthese eine entscheidene Rolle zu spielen. Darüber hinaus verstärkte Insulin sowohl die LPS- als auch die Palmitat-induzierte Ent-zündungsantwort in beiden Zelllinien. Die in Zelllinien gewonnenen Ergebnisse wurden größtenteils in primären humanen Makrophagen bestätigt.
Desweiteren induzierten sowohl Insulin als auch LPS oder Palmitat die Produktion von PGE2 in den untersuchten Makrophagen. Die Daten legen nahe, dass dies auf eine gesteigerte Expression PGE2-synthetisierender Enzyme zurückzuführen ist.
PGE2 wiederum hemmte auf der einen Seite die Stimulus-abhängige Expression des pro-inflammatorischen Zytokins Tumornekrosefaktor (TNF) α in U937-Makrophagen. Auf der anderen Seite verstärkte es jedoch die Expression der pro-inflammatorischen Zytokine Interleukin- (IL-) 1β und IL-8. Darüber hinaus verstärkte es die Expression von IL-6-Typ-Zytokinen, welche sowohl pro- als auch anti-inflammatorisch wirken können. Außerdem vestärkte PGE2 die Expression PGE2-synthetisierender Enzyme. Es scheint daher in der Lage zu sein, seine eigene Synthese zu verstärken.
Zusammenfassend kann die Freisetzung pro-inflammatorischer Mediatoren aus Makro-phagen im Zuge einer Hyperinsulinämie die Entstehung einer Insulinresistenz begünstigen. Insulin ist daher in der Lage, einen Teufelskreis der immer stärker werdenden Insulin-resistenz in Gang zu setzen.
Auch Metabolite und Signalsubstanzen, deren Konzentrationen beim metabolischen Syndrom erhöht sind (zum Beispiel LPS, freie Fettsäuren und PGE2), lösten Entzündungsantworten in Makrophagen aus. Das wechselseitige Zusammenspiel von Insulin und diesen Metaboliten und Signalsubstanzen löste eine stärkere Entzündungsantwort in Makrophagen aus als jeder der Einzelkomponenten. Die dadurch freigesetzten Zytokine könnten zur Manifestation einer Insulinresistenz und des metabolischen Syndroms beitragen.