Augmentation du temps de récupération et une diminution de LPS administration à étudier les mécanismes de stimulation du nerf vague dans les réponses inflammatoires limitées
Summary
Vagus nerve stimulation has proven to have a strong efficacy for decreasing peripheral inflammation. Here, we present a modified vagus nerve stimulation protocol that allows for further examinations of the cholinergic anti-inflammatory mechanisms in limited inflammatory responses.
Abstract
Inflammation is a local response to infection and tissue damage mediated by activated macrophages, monocytes, and other immune cells that release cytokines and other mediators of inflammation. For a long time, humoral and cellular mechanisms have been studied for their role in regulating the immune response, but recent advances in the field of immunology and neuroscience have also unraveled specific neural mechanisms with interesting therapeutic potential. The so-called cholinergic anti-inflammatory pathway (CAP) has been described to control innate immune responses and inflammation in a very potent manner. In the early 2000s, Tracey and collaborators developed a technique that stimulates the vagus nerve and mimics the effect of the pathway. The methodology is based on the electrical stimulation of the vagus nerve at low voltage and frequency, in order to avoid any side effects of overstimulation, such as deregulation of heart rate variability. Electrical devices for stimulation are now available, making it easy to set up the methodology in the laboratory. The goal of this research was to investigate the potential involvement of prostaglandins in the CAP. Unfortunately, based on earlier attempts, we failed to use the original protocol, as the induced inflammatory response either was too high or was not suitable for enzymatic metabolism properties. The different settings of the original surgery protocol remained mostly unchanged, but the conditions regarding inflammatory induction and the time point before sacrifice were improved to fit our purposes (i.e., to investigate the involvement of the CAP in more limited inflammatory responses).
The modified version of the original protocol, presented here, includes a longer time range between vagus nerve stimulation and analysis, which is associated with a lower induction of inflammatory responses. Additionally, while decreasing the level of lipopolysaccharides (LPS) to inject, we also came across new observations regarding mechanistic properties in the spleen.
Introduction
L'immunité innée fournit une première ligne de défense immédiate contre les infections et les maladies dans un large éventail d'organismes. Elle initie non seulement la réponse immunitaire primaire pour éliminer la menace, mais il joue également un rôle central dans l'activation et l'éducation de l'immunité adaptative qui réalise des réponses immunitaires secondaires d'une manière spécifique des agents pathogènes. L'inflammation est orchestrée par une pléthore de cytokines et chimiokines, qui à leur tour ont la capacité d'attirer d'autres cellules immunitaires sur le site d'infection et d'induire les signes cardinaux de l'inflammation, tels que la rougeur, l'enflure, la douleur, la perte de la fonction et de la fièvre . La durée et l'intensité de l'inflammation dépendent de plusieurs facteurs, mais la résolution de l'inflammation et la restauration de l'homéostasie est une étape essentielle pour éviter l'apparition de maladies inflammatoires chroniques. Les progrès récents dans le domaine des neurosciences et de l'immunologie ont élucidé les mécanismes neuronaux spécifiques avec un immense potentiel thérapeutique pour contrôler inflinflammation à la fois dans le système nerveux central et à la périphérie. L' un de ces mécanismes est la voie anti-inflammatoire cholinergique (CAP), également connu sous le réflexe inflammatoire, qui est entraîné par le système nerveux autonome 4, 5.
On pense actuellement que les médiateurs inflammatoires activent les nerfs sensoriels et envoient des signaux sur l'état de l'inflammation au système nerveux central. Une réponse réflexe est ensuite activé par l'intermédiaire du nerf efférent pneumogastrique. Une étude approfondie des détails anatomiques de la PAC a mis en évidence un modèle parasympathique-sympathique composé de deux nerfs, le nerf vague et les nerfs splénique, respectivement 6. Dans le CAP, le nerf cholinergique vagal efférente activé se termine dans le ganglion mésentérique-cœliaque, ce qui entraîne l'activation du nerf adrénergiques splénique par un mécanisme encore à explorer. Le nerf splénique, ainsi activé, est connu pour intérieurevée à proximité des cellules immunitaires dans la pulpe blanche, la zone marginale et la pulpe rouge de la rate, le principal organe et obligatoire de la PAC 7, 8. Norépinéphrine (NE) à partir des terminaisons nerveuses spléniques se lie aux récepteurs β 2 adrénergiques correspondantes exprimées sur les lymphocytes T spléniques. Ceci induit la libération choline acétyltransférase (ChAT) médiée par l' acétylcholine (ACh), qui à son tour active les récepteurs nicotiniques de l' acétylcholine a7 (α7nACh) sur les macrophages, ce qui limite la production et l' inflammation cytokine 2. Par conséquent, il est maintenant clair que le système nerveux est capable de réguler l'inflammation dans les tissus périphériques et de rétablir l'homéostasie immunitaire locale.
Comme le nom de la voie indique, le système acétylcholine est d'une importance capitale pour le bon fonctionnement de cette voie de régulation neuro-immunitaire. Fait intéressant, les mécanismes impliqués dans l'activation desla PAC semble être différente dans la périphérie et dans le système nerveux central. Bien que l'importance des récepteurs nicotiniques (α7nAChR) dans la rate a été démontré plus haut 9, les récepteurs muscariniques (mAChR) sont obligatoires pour l'activation de la voie centrale 10, 11. Plus récemment, l' administration périphérique d'un facteur de nécrose tumorale sériques et de la rate agoniste muscarinique M1 à action centrale sensiblement supprimée α (TNF) au cours de l' endotoxémie létale murine, une action requise nerf vague intact et le nerf splénique de signalisation 12. Nous avons également montré récemment que les souris dépourvues prostaglandine E 2 (PGE 2) ne sont pas en mesure de répondre à la stimulation du nerf vague et ne régulent la libération induite par le LPS de cytokines dans le sérum et la rate 3. Par conséquent, la PAC pourrait également être réglementé par des systèmes autres que les principaux pathw Achay.
Le nerf vague a été nommé en tant que tel en raison de son parcours de déambulation dans le corps, innervant principaux organes , y compris le foie, les poumons, la rate, les reins et l' intestin 13. Compte tenu de cette grande innervation et l'effet immunosuppresseur très puissant du nerf pneumogastrique, le potentiel thérapeutique de la PAC pourrait couvrir un large éventail de conditions inflammatoires. Le nerf vague peut être électriquement (ou mécanique) activé, avec contrôle de la tension et la fréquence, et contrairement aux traitements classiques, sans médicaments ajoutés au corps. Des essais sont en cours chez les patients rhumatismales, par exemple, pour tester la signification clinique de VNS dans le traitement de l' inflammation chronique 14. Au total, la communication neuro-immunitaire et régulation de l'inflammation sont actuellement à l'étude, qui fournira un traitement alternative possible au traitement conventionnel. Par conséquent, l'analyse du nerf vague stimulationeffet n dans les différents organes innervé, mais aussi la caractérisation de l'action thérapeutique potentielle dans des modèles animaux d'inflammation chronique, serait certainement donner un aperçu et l'espoir de nouvelles cibles thérapeutiques potentielles.
La méthodologie originale développée par Tracey et ses collègues 4 ne pouvait pas être transposée à notre domaine de la recherche en raison de surstimulation de la réponse inflammatoire (par une dose létale de LPS) et une plage de temps trop court entre l' activation CAP et la lecture. Dans le présent document, nous allons présenter les modifications apportées au protocole d'origine, comparer les deux méthodes différentes sur les taux de cytokines, et mettre en évidence une nouvelle observation et à l'opposé de l'organe cible (la rate).
Protocol
Representative Results
Discussion
Depuis sa découverte au début des années 2000, les mécanismes de la PAC ont été soigneusement étudiés. Nous avons maintenant une bonne image de la voie, et en particulier, l'organe cible, la rate, où NE, les cellules T mémoire, Ach et macrophages travail en équipe très efficace pour réguler négativement les médiateurs inflammatoires 2. Nous avons récemment publié des données sur l'importance d'un système de prostaglandine fonctionnelle chez les souris, en particulie…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The study was supported by the Swedish Research Council, the Swedish Rheumatism Asociation, Karolinska Institute Foundations, Stockholm County Council, The Wallenberg Foundation, and the GV 80 Years’ Foundation for research. The authors would also like to thank Hannah Aucott for proofreading the manuscript.
Materials
| Computer | Toshiba | – | Any computer is actually compatible |
| MP-150 data acquisition system | Biopac Systems | MP150WSW | |
| Acknowledge software | Biopac Systems | ||
| Mice C57Bl/6 | Charles River | ||
| Anesthetic machine | Simtec Engineering | ||
| Medical oxygen bottle | AGA | 107563 | |
| Medical air bottle | AGA | 108639 | |
| Vetflurane (1000mg/g) | Virbac | 137317 | |
| LPS | Sigma-Aldrich | L2630 | |
| Saline | Merck Millipore | 1024060080 | |
| PBS 10X | Sigma-Aldrich | P5493 | Diluted 10 times for used concentration |
| Syringe (1 ml) | BD Plastipak | 303172 | |
| Needles 23G | KD-FINE | 900284 | 0.6 x 30 mm (blue) |
| Microdissecting forceps (curved) | Sigma-Aldrich | F4142 | |
| Dissecting scissors | Sigma-Aldrich | Z265969 | |
| Surgical suture 4-0 | Ethicon | G667G | |
| Euthanasia unit | Euthanex Smartbox | EA-32000 | |
| Cavilon No Sting Barrier Film | 3M Health Care | 3346N | |
| TH1/TH2 9-Plex assay, ultrasensitive kit | MesoScale Discovery | K15013C-1 |
References
- Nathan, C. Points of control in inflammation. Nature. 420 (6917), 846-852 (2002).
- Rosas Ballina, M., et al. Acetylcholine-synthesizing T cells relay neural signals in a vagus nerve circuit. Science. 334 (6052), 98-101 (2011).
- Le Maître, E., et al. Impaired vagus-mediated immunosuppression in microsomal prostaglandin E synthase-1 deficient mice. Prostaglandins Other Lipid Mediat. 121 (Part B), 155-162 (2015).
- Borovikova, L. V., et al. Vagus nerve stimulation attenuates the systemic inflammatory response to endotoxin. Nature. 405 (6785), 458-462 (2000).
- Olofsson, P. S., Rosas-Ballina, M., Levine, Y. A., Tracey, K. J. Rethinking inflammation: neural circuits in the regulation of immunity. Immunol. Rev. 248 (1), 188-204 (2012).
- Pavlov, V. A., Tracey, K. J. Neural circuitry and immunity. Immunol Res. 63 (1-3), 38-57 (2015).
- Huston, J. M., et al. Splenectomy inactivates the cholinergic antiinflammatory pathway during lethal endotoxemia and polymicrobial sepsis. J. Exp. Med. 203 (7), 1623-1628 (2006).
- Rosas-Ballina, M., et al. Splenic nerve is required for cholinergic anti-inflammatory pathway control of TNF in endotoxemia. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 105 (31), 11008-11013 (2008).
- Wang, H., et al. Nicotinic acetylcholine receptor alpha7 subunit is an essential regulator of inflammation. Nature. 421 (6921), 384-388 (2003).
- Pavlov, V. A., et al. Central muscarinic cholinergic regulation of the systemic inflammatory response during endotoxemia. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 103 (13), 5219-5223 (2006).
- Pavlov, V. A., et al. Brain acetylcholinesterase activity controls systemic cytokine levels through the cholinergic anti-inflammatory pathway. Brain Behav. Immun. 23 (1), 41-45 (2009).
- Rosas-Ballina, M., et al. Xanomeline suppresses excessive pro-inflammatory cytokine responses through neural signal-mediated pathways and improves survival in lethal inflammation. Brain Behav. Immun. 44, 19-27 (2014).
- Bellinger, D. L., Lorton, D., Lubahn, D., Felten, D. L., Ader, R., Felten, D. L., Cohen, N. . Psychoneuroimmunology. 55, 55-112 (2001).
- Andersson, U., Tracey, K. J. A new approach to rheumatoid arthritis: treating inflammation with computerized nerve stimulation. Cerebrum. 2012, 3 (2012).
- Ono, S. J., Nakamura, T., Miyazaki, D., Ohbayashi, M., Dawson, M., Toda, M. Chemokines: Roles in leucocyte development, trafficking, and effector function. J. Allergy Clin. Immunol. 111 (6), 1185-1199 (2003).
- Silvestre-Roig, C., Hidalgo, A., Soehnlein, O. Neutrophil heterogeneity: implications for homeostasis and pathogenesis. Blood. , (2016).
- Matteoli, G., Boeckxstaens, G. E. The vagal innervation of the gut and immune homeostasis. Gut. 62, 1214-1222 (2013).
- Pereira, M. R., Leite, P. E. The involvement of parasympathetic and sympathetic nerve in the inflammatory reflex. J. Cell. Physiol. 231, 1862-1869 (2016).
- Levine, Y. A., et al. Neurostimulation of the cholinergic anti-inflammatory pathway ameliorates disease in rat collagen-induced arthritis. PLoS One. 9 (8), e104530 (2014).
- Huston, J. M., et al. Transcutaneous vagus nerve stimulation reduces serum high mobility group box 1 levels and improves survival in murine sepsis. Crit. Care Med. 35 (12), 2762-2768 (2007).
- Yuan, H., Silberstein, S. D. Vagus nerve and vagus nerve stimulation, a comprehensive review: Part II. Headache. 56 (2), 259-266 (2016).
