Respiratory Infections Cause the Release of Extracellular Vesicles: Implications in Exacerbation of Asthma/COPD

Background: Infection-related exacerbations of respiratory diseases are a major health concern; thus understanding the mechanisms driving them is of paramount importance. Despite distinct inflammatory profiles and pathological differences, asthma and COPD share a common clinical facet: raised airway ATP levels. Furthermore, evidence is growing to suggest that infective agents can cause the release of extracellular vesicle (EVs) in vitro and in bodily fluids. ATP can evoke the P2X7/caspase 1 dependent release of IL-1β/IL-18 from EVs; these cytokines are associated with neutrophilia and are increased during exacerbations. Thus we hypothesized that respiratory infections causes the release of EVs in the airway and that the raised ATP levels, present in respiratory disease, triggers the release of IL-1β/IL-18, neutrophilia and subsequent disease exacerbations.

Methods: To begin to test this hypothesis we utilised human cell-based assays, ex vivo murine BALF, in vivo pre-clinical models and human samples to test this hypothesis.

Results: Data showed that in a murine model of COPD, known to have increased airway ATP levels, infective challenge causes exacerbated inflammation. Using cell-based systems, murine models and samples collected from challenged healthy subjects, we showed that infection can trigger the release of EVs. When exposed to ATP the EVs release IL-1b/IL-18 via a P2X₇/caspase-dependent mechanism. Furthermore ATP challenge can cause a P2X₇ dependent increase in LPS-driven neutrophilia.

Conclusions: This preliminary data suggests a possible mechanism for how infections could exacerbate respiratory diseases and may highlight a possible signalling pathway for drug discovery efforts in this area.

HPV16 activates the AIM2 inflammasome in keratinocytes

Human papillomaviruses (HPV) are double-stranded DNA viruses, which selectively infect keratinocytes in stratified epithelia. After an initial infection, many patients clear HPV. In some patients, however, HPV persist, and dysfunctional innate immune responses to HPV infection could be involved in the ineffective clearing of these viruses. In this study, the mechanisms of HPV-induced immune responses in keratinocytes were investigated. Binding of viral DNA leads to AIM2 inflammasome activation and IL-1β release, while IFI16 activation results in IFN-β release. Using immunohistochemistry, AIM2 and IFI16-two recently identified sensors for cytosolic DNA-were also detected in HPV positive skin lesions. CISH stainings further confirmed the presence of cytosolic HPV16 DNA in biopsy samples. Moreover, active IL-1β and cleaved caspase-1 were detected in HPV infected skin, suggesting inflammasome activation by viral DNA. In subsequent functional studies, HPV16 DNA triggered IL-1β and IL-18 release via the AIM2 inflammasome in normal human keratinocytes. Although HPV DNA did not induce IFN-β in keratinocytes, IFN-β secretion was observed when AIM2 was blocked. Meanwhile, blocking of IFI16 increased HPV16 DNA-induced IL-1β, but not IL-18, secretion. These findings suggest crosstalk between IFI16 and AIM2 in the immune response to HPV DNA. In sum, novel aspects concerning HPV-induced innate immune responses were identified. Eventually, understanding the mechanisms of HPV-induced inflammasome activation could lead to the development of novel strategies for the prevention and treatment of HPV infections.

A Burkholderia Type VI Effector Deamidates Rho GTPases to Activate the Pyrin Inflammasome

Burkholderia cenocepacia is an opportunistic pathogen of the cystic fibrosis lung that elicits a strong inflammatory response. B. cenocepacia employs a type VI secretion system (T6SS) to survive in macrophages by disarming Rho-type GTPases, causing actin cytoskeletal defects. Here, we identified TecA, a non-VgrG T6SS effector responsible for actin disruption. TecA and other bacterial homologs bear a cysteine protease-like catalytic triad, which inactivates Rho GTPases by deamidating a conserved asparagine in the GTPase switch-I region. RhoA deamidation induces caspase-1 inflammasome activation, which is mediated by the familial Mediterranean fever disease protein Pyrin. In mouse infection, the deamidase activity of TecA is necessary and sufficient for B. cenocepacia-triggered lung inflammation and also protects mice from lethal B. cenocepacia infection. Therefore, Burkholderia TecA is a T6SS effector that modifies a eukaryotic target through an asparagine deamidase activity, which in turn elicits host cell death and inflammation through activation of the Pyrin inflammasome.

Points quantiques : caractérisation et applications en sciences pharmaceutiques

L’imagerie médicale a longtemps été limitée à cause des performances médiocres des fluorophores organiques. Récemment la recherche sur les nanocristaux semi-conducteurs a grandement contribué à l’élargissement de la gamme d’applications de la luminescence dans les domaines de l’imagerie et du diagnostic. Les points quantiques (QDs) sont des nanocristaux de taille similaire aux protéines (2-10 nm) dont la longueur d’onde d’émission dépend de leur taille et de leur composition. Le fait que leur surface peut être fonctionnalisée facilement avec des biomolécules rend leur application particulièrement attrayante dans le milieu biologique. Des QDs de structure « coeur-coquille » ont été synthétisés selon nos besoins en longueur d’onde d’émission. Dans un premier article nous avons modifié la surface des QDs avec des petites molécules bi-fonctionnelles portant des groupes amines, carboxyles ou zwitterions. L’effet de la charge a été analysé sur le mode d’entrée des QDs dans deux types cellulaires. À l’aide d’inhibiteurs pharmacologiques spécifiques à certains modes d’internalisation, nous avons déterminé le mode d’internalisation prédominant. L’endocytose par les radeaux lipidiques représente le mode d’entrée le plus employé pour ces QDs de tailles similaires. D’autres modes participent également, mais à des degrés moindres. Des disparités dans les modes d’entrée ont été observées selon le ligand de surface. Nous avons ensuite analysé l’effet de l’agglomération de différents QDs sur leur internalisation dans des cellules microgliales. La caractérisation des agglomérats dans le milieu de culture cellulaire a été faite par la technique de fractionnement par couplage flux-force (AF4) associé à un détecteur de diffusion de la lumière. En fonction du ligand de surface et de la présence ou non de protéines du sérum, chacun des types de QDs se sont agglomérés de façon différente. À l'aide d’inhibiteur des modes d’internalisation, nous avons corrélé les données de tailles d’agglomérats avec leur mode d’entrée cellulaire. Les cellules microgliales sont les cellules immunitaires du système nerveux central (CNS). Elles répondent aux blessures ou à la présence d’inflammagènes en relâchant des cytokines pro-inflammatoires. Une inflammation non contrôlée du CNS peut conduire à la neurodégénérescence neuronale et est souvent observée dans les cas de maladies chroniques. Nous nous sommes intéressés au développement d’un nanosenseur pour mesurer des biomarqueurs du début de l’inflammation. Les méthodes classiques pour étudier l’inflammation consistent à mesurer le niveau de protéines ou molécules relâchées par les cellules stressées (par exemple monoxyde d’azote, IL-1β). Bien que précises, ces méthodes ne mesurent qu’indirectement l’activité de la caspase-1, responsable de la libération du l’IL-1β. De plus ces méthode ne peuvent pas être utilisées avec des cellules vivantes. Nous avons construit un nanosenseur basé sur le FRET entre un QD et un fluorophore organique reliés entre eux par un peptide qui est spécifiquement clivé par la caspase-1. Pour induire l’inflammation, nous avons utilisé des molécules de lipopolysaccharides (LPS). La molécule de LPS est amphiphile. Dans l’eau le LPS forme des nanoparticules, avec des régions hydrophobes à l’intérieure. Nous avons incorporé des QDs dans ces régions ce qui nous a permis de suivre le cheminement du LPS dans les cellules microgliales. Les LPS-QDs sont internalisés spécifiquement par les récepteurs TLR-4 à la surface des microglies. Le nanosenseur s’est montré fonctionnel dans la détermination de l’activité de la caspase-1 dans cellules microgliales activées par le LPS. Éventuellement, le senseur permettrait d’observer en temps réel l’effet de thérapies ciblant l’inflammation, sur l’activité de la caspase-1.

Studies on IL-18 in HIV infection : effects of the cytokine on intestinal integrity, and platelets as a new source of the cytokine

L'interleukine IL-18 (IL-18), un membre de la famille de l’IL-1, est une cytokine pro-inflammatoire multifonctionnelle. Elle est produite par les monocytes, les macrophages, les cellules dendritiques, les cellules épithéliales, les kératinocytes et le cortex surrénal dans le corps humain. Cette cytokine est d'abord produite comme une protéine précurseure inactive, qui est par la suite clivée en une forme mature par la caspase-1 activée. La caspase, en elle-même, existe comme précurseur inactif dans les cellules humaines et requiert l'assemblage d'inflammasomes pour son activation. L'IL-18 pour joue un rôle clé dans la médiation des conditions inflammatoires. Notre laboratoire et d'autres ont montré que l'infection par le VIH est accompagnée d'une augmentation des taux circulants d'IL-18 avec une diminution des niveaux de son antagoniste, l'interleukine-18 binding protein (IL-18BP). Dans cette thèse, nous démontrons pour que l'IL-18 est également produite et sécrétée par les plaquettes humaines lors de leur activation. Les plaquettes contiennent des composants de l'inflammasome. Ils assemblent et activent la caspase-1, qui ensuite traite le précurseur de l'IL-18 dans sa forme mature au cours du processus d'activation des plaquettes. La cytokine est synthétisée de novo lors de l'activation des plaquettes. Contrairement à l'IL-18, les plaquettes expriment constitutivement l’IL-18BP, et la libèrent de manière constitutive, ainsi que lors de l'activation. L'IL-18 et l'IL-18BP sont colocalisés avec CD63, un marqueur pour les granules α des plaquettes. L'IL-18 libéré des plaquettes constitue la source principale de cette cytokine dans la circulation humaine chez les individus sains. Nous avons identifié des concentrations faibles de cette cytokine dans les lysats de plaquettes chez les individus infectés par le VIH par rapport à ceux en santé. D'autre part, les concentrations ont été augmentées dans le sérum et le plasma pauvre en plaquettes chez les individus infectés. Des résultats similaires ont été obtenus avec l'IL-18BP dans les lysats de plaquettes d'individus sains et infectés par le VIH. Cependant, des quantités plus faibles de cet antagoniste ont été trouvées dans le sérum et le plasma pauvre en plaquettes d'individus infectés par le VIH par rapport à ceux en santé. Nos résultats ont des implications importantes pour les maladies inflammatoires chroniques dans laquelle une activité accrue de l'IL-18 joue un rôle pathogène. Le VIH est également accompagné par une inflammation intestinale et une diminution de l'intégrité intestinale, mesurée par la réparation de la muqueuse, la régénération et la perméabilité. Cependant, on en sait peu sur la relation entre le niveau élevé de l'IL-18 associé à l'infection au VIH et la perméabilité intestinale: ceci n'a jamais été étudié. Dans cette thèse, nous démontrons le rôle du virus et sa protéine Tat à augmenter la production d'IL-18 chez deux lignées de cellules épithéliales intestinales (HT29 et Caco2) ainsi qu'une diminution de l'IL-18BP. L'IL-18 induit une hyperperméabilité de la barrière épithéliale en perturbant à la fois les jonctions serrées et adhérentes, et ce, en modulant l'expression et la distribution de l'occludine, de claudine-2 et de la bêta-caténine. Une désorganisation de l'actine F a également été observée dans les cellules lors de l'incubation avec l'IL-18. Les mêmes observations ont été faites avec la protéine Tat du VIH-1. Après une incubation prolongée, l'IL-18 a causé la mort des cellules intestinales et induit l'apoptose par l'activation de la caspase-1 et la caspase-3. Fait intéressant, les taux plasmatiques de lipopolysaccharides chez trois catégories différentes de patients au VIH (ART-naïf, ART-traitée et contrôleurs élite) sont en corrélation avec les niveaux plasmatiques de l'IL-18. Enfin, nous avons étudié la voie de signalisation à travers laquelle l'IL-18 induit une perméabilité intestinale accrue. En bref, nos études identifient les plaquettes comme une source importante d'IL-18, et leur activation lors d'une infection à VIH contribue à des concentrations accrues de cette cytokine. Le virus entraine également l'augmentation de la production de cytokines par les cellules épithéliales intestinales. L'activité biologique accrue de ces cytokines contribue à la pathogenèse du sida en augmentant la perméabilité intestinale et en causant la mort des cellules intestinales. L'IL-18 pourrait servir de cible moléculaire pour retarder la progression du sida et réduire l'inflammation chronique dans un stade précoce d'une infection à VIH.

A Novel Pathway for Inducible Nitric-oxide Synthase Activation through Inflammasomes

Innate immune recognition of flagellin is shared by transmembrane TLR5 and cytosolic Nlrc4 (NOD-like receptor family CARD (caspase activation recruitment domain) domain containing 4)/Naip5 (neuronal apoptosis inhibitory protein 5). TLR5 activates inflammatory genes through MYD88 pathway, whereas Nlrc4 and Naip5 assemble multiprotein complexes called inflammasomes, culminating in caspase-1 activation, IL-1 beta/IL-18 secretion, and pyroptosis. Although both TLR5 and Naip5/Nlrc4 pathways cooperate to clear infections, little is known about the relative anti-pathogen effector mechanisms operating through each of them. Here we show that the cytosolic flagellin (FLA-BSDot) was able to activate iNOS, an enzyme previously associated with TLR5 pathway. Using Nlrc4- or Naip5-deficient macrophages, we found that both receptors are involved in iNOS activation by FLA-BSDot. Moreover, distinct from extracellular flagellin (FLA-BS), iNOS activation by intracellular flagellin is completely abrogated in the absence of caspase-1. Interestingly, IL-1 beta and IL-18 do not seem to be important for FLA-BSDot-mediated iNOS production. Together, our data defined an additional anti-pathogen effector mechanism operated through Naip5 and Nlrc4 inflammasomes and illustrated a novel signaling transduction pathway that activates iNOS.

THE ROLE OF INNATE IMMUNITY IN SEPTIC ACUTE KIDNEY INJURIES

Acute kidney injury (AKI) is an important clinical syndrome characterized by abnormalities in the hydroelectrolytic balance. Because of high rates of morbidity and mortality (from 15% to 60%) associated with AKI, the study of its pathophysiology is critical in searching for clinical targets and therapeutic strategies. Severe sepsis is the major cause of AKI. The host response to sepsis involves an inflammatory response, whereby the pathogen is initially sensed by innate immune receptors (pattern recognition receptors [PRRs]). When it persists, this immune response leads to secretion of proinflammatory products that induce organ dysfunction such as renal failure and consequently increased mortality. Moreover, the injured tissue releases molecules resulting from extracellular matrix degradation or dying cells that function as alarmines, which are recognized by PRR in the absence of pathogens in a second wave of injury. Toll-like receptors (TLRs) and NOD-like receptors (NLRs) are the best characterized PRRs. They are expressed in many cell types and throughout the nephron. Their activation leads to translocation of nuclear factors and synthesis of proinflammatory cytokines and chemokines. TLRs` signaling primes the cells for a robust inflammatory response dependent on NLRs; the interaction of TLRs and NLRs gives rise to the multiprotein complex known as the inflammasome, which in turn activates secretion of mature interleukin 1 beta and interleukin 18. Experimental data show that innate immune receptors, the inflammasome components, and proinflammatory cytokines play crucial roles not only in sepsis, but also in organ-induced dysfunction, especially in the kidneys. In this review, we discuss the significance of the innate immune receptors in the development of acute renal injury secondary to sepsis.

Envolvimento do inflamassoma e citocinas na resposta imunológica em infecção induzida pelo fungo Sporothrix schenckii

Pós-graduação em Biociências e Biotecnologia Aplicadas à Farmácia - FCFAR

Endogenous and uric acid-induced activation of NLRP3 inflammasome in pregnant women with preeclampsia

Preeclampsia (PE) is a specific syndrome of pregnancy, characterized by hypertension and proteinuria. This pathology is associated with hyperuricemia and elevated serum levels of inflammatory cytokines. Uric acid crystals may activate an intracellular complex called inflammasome, which is important for processing and release of inflammatory cytokines. This study investigated the state of monocyte activation, both endogenous and stimulated with monosodium urate (MSU), by gene expression of NLRP1 and NLRP3 receptors as well as their association with inflammatory cytokines expression. Monocytes were obtained from peripheral blood of 23 preeclamptic pregnant women, 23 normotensive pregnant women (NT) and 23 healthy non-pregnant women (NP). Inflammasome activation was evaluated by the gene expression of NLRP1, NLRP3, caspase-1, IL-1 beta, IL-18 and TNF-alpha by RT-qPCR in unstimulated monocytes (endogenous expression), or after cell stimulation with MSU (stimulated expression). The concentration of cytokines was assessed by ELISA. In preeclamptic pregnant women, gene expression of NLRP1, NLRP3, caspase-1, IL-1 beta and TNF-alpha by monocytes stimulated or not with MSU was significantly higher than in NT and NP groups. Stimulation of monocytes from preeclamptic and non-pregnant women with MSU induced increased gene expression of NLRP3, caspase-1 and TNF-alpha in relation to the endogenous expression in these groups, while this was not observed in the NT group. The cytokine determination showed that monocytes from women with PE produced higher endogenous levels of IL-1 beta, IL-18 and TNF-alpha compared to the other groups, while the stimulus with MSU led to higher production of these cytokines in preeclamptic group than in the NT group. In conclusion, the results showed increased basal gene expression of NLRP1 and NLRP3 receptors in monocytes from PE group. These cells stimulation with MSU demonstrates that uric acid plays a role in NLRP3 inflammasome activation, suggesting the participation of this inflammatory complex in the pathogenesis of preeclampsia.

Análise de inflamassoma induzido por urato monossódico em monócitos de gestantes portadoras de pré-eclampsia

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Inflamassomos NLRC4 E NLRP3 na Doença Periodontal Experimental Induzida por Aggregatibacter Actinomycetemcomitans

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Inflamassomos NLRC4 E NLRP3 na Doença Periodontal Experimental Induzida por Aggregatibacter Actinomycetemcomitans

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

NLRP3 inflammasome-mediated neutrophil recruitment and hypernociception depend on leukotriene B4 in a murine model of gout

Objective Deposition of monosodium urate monohydrate (MSU) crystals in the joints promotes an intense inflammatory response and joint dysfunction. This study evaluated the role of the NLRP3 inflammasome and 5-lipoxygenase (5-LOX)derived leukotriene B4 (LTB4) in driving tissue inflammation and hypernociception in a murine model of gout. Methods. Gout was induced by injecting MSU crystals into the joints of mice. Wild-type mice and mice deficient in NLRP3, ASC, caspase 1, interleukin-1 beta (IL-1 beta), IL-1 receptor type I (IL-1RI), IL-18R, myeloid differentiation factor 88 (MyD88), or 5-LOX were used. Evaluations were performed to assess neutrophil influx, LTB4 activity, cytokine (IL-1 beta, CXCL1) production (by enzyme-linked immunosorbent assay), synovial microvasculature cell adhesion (by intravital microscopy), and hypernociception. Cleaved caspase 1 and production of reactive oxygen species (ROS) were analyzed in macrophages by Western blotting and fluorometric assay, respectively. Results. Injection of MSU crystals into the knee joints of mice induced neutrophil influx and neutrophildependent hypernociception. MSU crystal-induced neutrophil influx was CXCR2-dependent and relied on the induction of CXCL1 in an NLRP3/ASC/caspase 1/IL-1 beta/MyD88-dependent manner. LTB4 was produced rapidly after injection of MSU crystals, and this was necessary for caspase 1-dependent IL-1 beta production and consequent release of CXCR2-acting chemokines in vivo. In vitro, macrophages produced LTB4 after MSU crystal injection, and LTB4 was relevant in the MSU crystalinduced maturation of IL-1 beta. Mechanistically, LTB4 drove MSU crystal-induced production of ROS and ROS-dependent activation of the NLRP3 inflammasome. Conclusion. These results reveal the role of the NLRP3 inflammasome in mediating MSU crystalinduced inflammation and dysfunction of the joints, and highlight a previously unrecognized role of LTB4 in driving NLRP3 inflammasome activation in response to MSU crystals, both in vitro and in vivo.

NF-κB activation mediates crystal translocation and interstitial inflammation in adenine overload nephropathy

Adenine overload promotes intratubular crystal precipitation and interstitial nephritis. We showed recently that these abnormalities are strongly attenuated in mice knockout for Toll-like receptors-2, -4, MyD88, ASC, or caspase-1. We now investigated whether NF-κB activation also plays a pathogenic role in this model. Adult male Munich-Wistar rats were distributed among three groups: C (n = 17), receiving standard chow; ADE (n = 17), given adenine in the chow at 0.7% for 1 wk and 0.5% for 2 wk; and ADE + pyrrolidine dithiocarbamate (PDTC; n = 14), receiving adenine as above and the NF-κB inhibitor PDTC (120 mg•kg-1•day-1 in the drinking water). After 3 wk, widespread crystal deposition was seen in tubular lumina and in the renal interstitium, along with granuloma formation, collagen accumulation, intense tubulointerstitial proliferation, and increased interstitial expression of inflammatory mediators. Part of the crystals were segregated from tubular lumina by a newly formed cell layer and, at more advanced stages, appeared to be extruded to the interstitium. p65 nuclear translocation and IKK-α increased abundance indicated activation of the NF-κB system. PDTC treatment prevented p65 migration and normalized IKK-α, limited crystal shift to the interstitium, and strongly attenuated interstitial fibrosis/inflammation. These findings indicate that the complex inflammatory phenomena associated with this model depend, at least in part, on NF-κB activation, and suggest that the NF-κB system may become a therapeutic target in the treatment of chronic kidney disease.

Evaluation of pyroptosis in macrophages using cytosolic delivery of purified flagellin

Pyroptosis is a molecularly controlled form of cell death that exhibits some features of apoptosis as well of necrosis. Pyroptosis is induced by inflammasome-activated caspase-1 or caspase-11 (caspase-4 in humans), as a result of distinct pathogenic or damage stimuli. Although pyroptosis displays some morphological and biochemical features of apoptosis, it has an inflammatory outcome due to the loss of plasma membrane integrity and the consequent release of intracellular contents, reminiscent to necrosis. Here, we use cytosolic delivery of purified flagellin as an experimental tool to trigger pyroptosis and describe potential methods to study this form of cell death. Finally, we discuss the advantages and limitations of these methods