The role of nitric oxide in small intestinal motility in a model of acute inflammation

Motility responses of the small intestine of iNOS deficient mice (iNOS −/−) and their wildtype littermates (iNOS+/+) to the inflammatory challenge of lipopolysaccharide (LPS) were investigated. LPS administration failed to attenuate intestinal transit in iNOS−/− mice but depressed transit in their iNOS+/+ littermates. Supporting an inhibitory role for sustained nitric oxide (NO) synthesis in the regulation of intestinal motility during inflammation, iNOS immunoreactivity was upregulated in all regions of the small intestine of iNOS+/+ mice. In contrast, neuronal NOS was barely affected. Cyclooxygenase activation was determined by prostaglandin E2 (PGE2) concentration. Following LPS challenge, PGE2 levels were elevated in all intestinal segments in both animal groups. Moreover, COX-1 and COX-2 protein levels were elevated in iNOS+/+ mice in response to LPS, while COX-2 levels were similarly increased in iNOS −/− intestine. However, no apparent relationship was observed between increased prostaglandin concentrations and attenuated intestinal transit. The presence of heme oxygenase 1 (HO-1) in the murine small intestine was also investigated. In both animal groups HO-1 immunoreactivity in the proximal intestine increased in response to treatment, while the constitutive protein levels detected in the middle and distal intestine were unresponsive to LPS administration. No apparent correlation of HO-1 to the suppression of small intestinal motility induced by LPS administration was detected. The presence of S-nitrosylated contractile proteins in the small intestine was determined. γ-smooth muscle actin was basally nitrosylated as well as in response to LPS, but myosin light chain kinase and myosin regulatory chain (MLC20) were not. In conclusion, in a model of acute intestinal inflammation, iNOS-produced NO plays a significant role in suppressing small intestinal motility while nNOS, COX-1, COX-2 and HO-1 do not participate in this event. S-nitrosylation of γ-smooth muscle actin is associated with elevated levels of nitric oxide in the smooth muscle of murine small intestine. ^

A review of the pharmacobiotic regulation of gastrointestinal inflammation by probiotics, commensal bacteria and prebiotics.

The idea that microbes induce disease has steered medical research toward the discovery of antibacterial products for the prevention and treatment of microbial infections. The twentieth century saw increasing dependency on antimicrobials as mainline therapy accentuating the notion that bacterial interactions with humans were to be avoided or desirably controlled. The last two decades, though, have seen a refocusing of thinking and research effort directed towards elucidating the critical inter-relationships between the gut microbiome and its host that control health/wellness or disease. This research has redefined the interactions between gut microbes and vertebrates, now recognizing that the microbial active cohort and its mammalian host have shared co-evolutionary metabolic interactions that span millennia. Microbial interactions in the gastrointestinal tract provide the necessary cues for the development of regulated pro- and anti-inflammatory signals that promotes immunological tolerance, metabolic regulation and other factors which may then control local and extra-intestinal inflammation. Pharmacobiotics, using nutritional and functional food additives to regulate the gut microbiome, will be an exciting growth area of therapeutics, developing alongside an increased scientific understanding of gut-microbiome symbiosis in health and disease.

Cyclic nucleotide signaling in intestinal epithelia: getting to the gut of the matter

The intestine is the primary site of nutrient absorption, fluid-ion secretion, and home to trillions of symbiotic microbiota. The high turnover of the intestinal epithelia also renders it susceptible to neoplastic growth. These diverse processes are carefully regulated by an intricate signaling network. Among the myriad molecules involved in intestinal epithelial cell homeostasis are the second messengers, cyclic AMP (cAMP) and cyclic GMP (cGMP). These cyclic nucleotides are synthesized by nucleotidyl cyclases whose activities are regulated by extrinsic and intrinsic cues. Downstream effectors of cAMP and cGMP include protein kinases, cyclic nucleotide gated ion channels, and transcription factors, which modulate key processes such as ion-balance, immune response, and cell proliferation. The web of interaction involving the major signaling pathways of cAMP and cGMP in the intestinal epithelial cell, and possible cross-talk among the pathways, are highlighted in this review. Deregulation of these pathways occurs during infection by pathogens, intestinal inflammation, and cancer. Thus, an appreciation of the importance of cyclic nucleotide signaling in the intestine furthers our understanding of bowel disease, thereby aiding in the development of therapeutic approaches.

Investigation of toll-like receptor tolerance in the regulation of inflammation

Inflammation is a complex and highly organised immune response to microbes and tissue injury. Recognition of noxious stimuli by pathogen recognition receptor families including Toll-like receptors results in the expression of hundreds of genes that encode cytokines, chemokines, antimicrobials and regulators of inflammation. Regulation of TLR activation responses is controlled by TLR tolerance which induces a global change in the cellular transcriptional expression profile resulting in gene specific suppression and induction of transcription. In this thesis the plasticity of TLR receptor tolerance is investigated using an in vivo, transcriptomics and functional approach to determine the plasticity of TLR tolerance in the regulation of inflammation. Firstly, using mice deficient in the negative regulator of TLR gene transcription, Bcl-3 (Bcl-3-/-) in a model of intestinal inflammation, we investigated the role of Bcl-3 in the regulation of intestinal inflammatory responses. Our data revealed a novel role for Bcl-3 in the regulation of epithelial cell proliferation and regeneration during intestinal inflammation. Furthermore this data revealed that increased Bcl-3 expression contributes to the development of inflammatory bowel disease (IBD). Secondly, we demonstrate that lipopolysaccharide tolerance is transient and recovery from LPS tolerance results in polarisation of macrophages to a previously un-described hybrid state (RM). In addition, we identified that RM cells have a unique transcriptional profile with suppression and induction of genes specific to this polarisation state. Furthermore, using a functional approach to characterise the outcomes of TLR tolerance plasticity, we demonstrate that cytokine transcription is uncoupled from cytokine secretion in macrophages following recovery from LPS tolerance. Here we demonstrate a novel mechanism of regulation of TLR tolerance through suppression of cytokine secretion in macrophages. We show that TNF-α is alternatively trafficked towards a degradative intracellular compartment. These studies demonstrate that TLR tolerance is a complex immunological response with the plasticity of this state playing an important role in the regulation of inflammation.

Inflammation intestinale associée à la fibrose kystique : rôle du CFTR et propriétés anti-inflammatoires de la vitamine D

Les patients fibrose kystique (FK) souffrent de complications digestives qui incluent une inflammation intestinale modérée dont l’étiologie est méconnue. Les personnes atteintes de FK présentent également une malabsorption des vitamines liposolubles, telles la vitamine D. Or, la vitamine D possède des propriétés immunomodulatrices et anti-inflammatoires. Le présent projet vise à investiguer le rôle du CFTR, dont le gène est muté dans la FK, dans l’étiologie de cette inflammation intestinale et à étudier le potentiel anti-inflammatoire de la vitamine D sur celle-ci. Le CFTR a été invalidé génétiquement par la méthode des ARN interférents (shRNAi) et/ou inhibé pharmacologiquement par l’utilisation d’un antagoniste inhibiteur spécifique (CFTRinh-172). Un état inflammatoire a été induit par les cytokines pro-inflammatoires TNF-α et IL-1β. Afin d’évaluer le rôle anti-inflammatoire de la vitamine D, les cellules ont été pré-traitées avec la forme bioactive de la vitamine D, la 1,25(OH)2D3. La sécrétion et l’expression génique d’interleukine-8, ainsi que l’activation de la voie de signalisation p38MAPK et du facteur de transcription NFκB ont été évaluées. Pour explorer la voie par laquelle la vitamine D exerce ses actions anti-inflammatoires, les cellules ont été pré-incubées avec le BIRB796 pour inhiber la voie p38MAPK. Finalement l’expression génique du récepteur nucléaire de la vitamine D et des hydroxylases intestinales impliquées dans son métabolisme a été déterminée. Nos résultats suggèrent que le CFTR a un rôle dans l’étiologie de l’inflammation intestinale associée à la FK. De plus, la vitamine D semble moduler à la baisse la réponse inflammatoire de la cellule intestinale dont le CFTR a été génétiquement invalidé.

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.

Local and remote tissue injury upon intestinal ischemia and reperfusion depends on the TLR/MyD88 signaling pathway

Innate immune responses against microorganisms may be mediated by Toll-like receptors (TLRs). Intestinal ischemia-reperfusion (i-I/R) leads to the translocation of bacteria and/or bacterial products such as endotoxin, which activate TLRs leading to acute intestinal and lung injury and inflammation observed upon gut trauma. Here, we investigated the role of TLR activation by using mice deficient for the common TLR adaptor protein myeloid differentiation factor 88 (MyD88) on local and remote inflammation following intestinal ischemia. Balb/c and MyD88(-/-) mice were subjected to occlusion of the superior mesenteric artery (45 min) followed by intestinal reperfusion (4 h). Acute neutrophil recruitment into the intestinal wall and the lung was significantly diminished in MyD88(-/-) after i-I/R, which was confirmed microscopically. Diminished neutrophil recruitment was accompanied with reduced concentration of TNF-alpha and IL-1 beta level. Furthermore, diminished microvascular leak and bacteremia were associated with enhanced survival of MyD88(-/-) mice. However, neither TNF-alpha nor IL-1 beta neutralization prevented neutrophil recruitment into the lung but attenuated intestinal inflammation upon i-I/R. In conclusion, our data demonstrate that disruption of the TLR/MyD88 pathway in mice attenuates acute intestinal and lung injury, inflammation, and endothelial damage allowing enhanced survival.

HSP70, heparanase e HPRT participam da resposta inflamtória intestinal induzida por TNBS em ratos

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Antioxidant and intestinal anti-inflammatory effects of plant-derived coumarin derivatives

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

Antidiarrheal and intestinal antiinflammatory activities of a methanolic extract of Qualea parviflora Mart. in experimental models

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

Experimental evidence of MAP kinase gene expression on the response of intestinal anti-inflammatory drugs

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

Experimental evidence of heparanase, Hsp70 and NF-κB gene expression on the response of anti-inflammatory drugs in TNBS-induced colonic inflammation

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

B Lymphocyte-Induced Maturation Protein-1 Contributes to Intestinal Mucosa Homeostasis by Limiting the Number of IL-17-Producing CD4(+) T Cells

The transcription factor B lymphocyte induced maturation protein-1 (Blimp-1) plays important roles in embryonic development and immunity. Blimp-1 is required for the differentiation of plasma cells, and mice with T cell specific deletion of Blimp-1 (Blimp-1CKO mice) develop a fatal inflammatory response in the colon. Previous work demonstrated that lack of Blimp-1 in CD4(+) and CD8(+) T cells leads to intrinsic functional defects, but little is known about the functional role of Blimp-1 in regulating differentiation of Th cells in vivo and their contribution to the chronic intestinal inflammation observed in the Blimp1CKO mice. In this study, we show that Blimp-1 is required to restrain the production of the inflammatory cytokine IL-17 by Th cells in vivo. Blimp-1CKO mice have greater numbers of IL-17 producing TCR beta(+)CD4(+)cells in lymphoid organs and in the intestinal mucosa. The increase in IL-17 producing cells was not restored to normal levels in wild-type and Blimp-1CKO mixed bone marrow chimeric mice, suggesting an intrinsic role for Blimp-1 in constraining the production of IL-17 in vivo. The observation that Blimp-1 deficient CD4(+) T cells are more prone to differentiate into IL-17(+)/IFN-gamma(+) cells and cause severe colitis when transferred to Rag1-deficient mice provides further evidence that Blimp-1 represses IL-17 production. Analysis of Blimp-1 expression at the single cell level during Th differentiation reveals that Blimp-1 expression is induced in Th1 and Th2 but repressed by TGF-beta in Th17 cells. Collectively, the results described here establish a new role for Blimp-1 in regulating IL-17 production in vivo. The Journal of Immunology, 2012,189: 5682-5693.