Verhoogde Recovery Time en verminderde LPS Administration aan de Nervus Vagus Stimulatie Mechanismen in Limited ontstekingsreacties Studie
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
Aangeboren immuniteit zorgt voor een onmiddellijke eerste verdedigingslinie tegen infecties en ziekten in een breed scala van organismen. Het initieert niet alleen de primaire immuunrespons op de dreiging weg te nemen, maar het speelt ook een centrale rol in het activeren en het opleiden van de adaptieve immuniteit die verricht secundaire immuunreacties in een pathogeen-specifieke wijze. Ontsteking wordt georkestreerd door een overvloed aan cytokines en chemokines, die op hun beurt hebben de mogelijkheid om andere immuuncellen te trekken naar de plaats van infectie en de kardinale tekenen van ontsteking, zoals roodheid, zwelling, pijn, verlies van functie, en koorts veroorzaken . De duur en intensiteit van de ontsteking hangt af van verschillende factoren, maar de oplossing van de ontsteking en homeostase te herstellen is een belangrijke stap om het ontstaan van chronische ontstekingsziekten voorkomen. Recente ontwikkelingen op het gebied van neurologie en immunologie hebben specifieke neurale mechanismen ontrafeld met een enorm therapeutisch potentieel te infl controleammation zowel in het centrale zenuwstelsel en in de periferie. Een van deze mechanismen is het cholinerge anti-inflammatoire pathway (CAP), ook bekend als inflammatoire reflex, die wordt aangedreven door het autonome zenuwstelsel 4, 5.
Momenteel wordt gedacht dat ontstekingsmediatoren activeren gevoelszenuwen en stuurt signalen over de stand van de ontsteking aan het centrale zenuwstelsel. Een reflex reactie wordt vervolgens geactiveerd door de efferente nervus vagus. Een uitgebreide studie van de anatomische gegevens van het GLB een parasympathische sympathische model bestaat uit twee zenuwen, de nervus vagus zenuw en milt respectievelijk 6 geopenbaard. In het GLB, de geactiveerde cholinergische efferente nervus vagus eindigt de coeliakie-mesenterische ganglion, wat resulteert in de activatie van de adrenerge milt zenuw door een mechanisme dat nog moet worden onderzocht. De milt zenuw aldus geactiveerd is bekend binnenzijdevate in de nabijheid van immuuncellen in de witte pulp, marginale zone, en rode pulp van de milt, de opdrachtgever en dwingende orgaan van de kap 7, 8. Norepinefrine (NE) vanaf de milt zenuwuiteinden bindt aan de overeenkomstige β 2 adrenerge receptoren tot expressie gebracht op milt T-lymfocyten. Dit induceert choline acetyl transferase (ChAT) gemedieerde acetylcholine (ACh) afgifte, die op zijn beurt α7 nicotinische acetylcholinereceptoren (α7nACh) met macrofagen, waardoor cytokineproductie en inflammatie 2 beperkend activeert. Daarom is het nu duidelijk dat het zenuwstelsel in staat is om de ontsteking te regelen in de perifere weefsels en om de lokale immuun homeostase te herstellen.
Zoals de naam van het pad doet vermoeden, ACh systeem is van cruciaal belang voor de werking van deze neuro-immuun regulerende route. Interessant is dat de mechanismen die betrokken zijn bij de activering vanGLB lijken verschillend in de periferie en in het centrale zenuwstelsel te zijn. Hoewel het belang van nicotinereceptoren (α7nAChR) in de milt is eerder aangetoond 9, muscarinereceptoren (mAChR) zijn verplicht voor de centrale activering van de route 10, 11. Recenter perifere toediening van een centraal werkende M1 muscarinische agonist significant onderdrukt serum en milt tumornecrosefactor α (TNFa) bij muizen dodelijke endotoxemie, een handeling die vereist intact nervus vagus zenuw en milt 12 signalering. We hebben onlangs aangetoond dat muizen die prostaglandine E2 (PGE2) waren niet in staat te reageren op nervus vagus stimulatie en niet down-reguleren van de door LPS geïnduceerde afgifte van cytokinen in het serum en milt 3. Daarom zou het GLB ook worden gereguleerd door andere dan de belangrijkste ACh pathw systemenay.
De nervus vagus is zo genoemd vanwege de zwervende natuurlijk in het lichaam, innerveren hoofdorganen zoals de lever, longen, milt, nieren en darmen 13. Gezien deze grote innervatie en de zeer potente immunosuppressieve effect van de nervus vagus, kan het therapeutisch potentieel van het GLB uiteenlopende ontstekingsaandoeningen dekken. De nervus vagus kan elektrisch (of mechanisch) geactiveerd, met controle over de spanning en frequentie, en in tegenstelling tot conventionele behandeling, zonder drugs toegevoegd aan het lichaam. Trials zijn momenteel aan de gang in reumapatiënten, bijvoorbeeld, om de klinische betekenis van VNS te testen in de behandeling van chronische ontsteking 14. Al met al, de neuro-immuun communicatie en regulering van de ontsteking worden momenteel onderzocht, waarbij een mogelijke alternatieve behandeling voor conventionele therapie zal bieden. Daarom is onderzoek van de nervus vagus stimulatien effect in de verschillende geïnnerveerde organen, maar ook de karakterisering van de mogelijke therapeutische werking in diermodellen van chronische ontsteking, zou zeker inzichten geven en hopen op nieuwe potentiële therapeutische doelen.
De originele methodologie ontwikkeld door Tracey en collega's 4 kon niet worden toegepast op ons vakgebied van het onderzoek als gevolg van overstimulatie van de ontstekingsreactie (door middel van een dodelijke dosis van LPS) en een te korte tijd bereik tussen CAP activering en het uitlezen. In de huidige papier, zullen we de wijzigingen in het oorspronkelijke protocol presenteren, vergelijk de twee verschillende methodes op cytokine niveaus, en markeert een nieuwe en tegenover observatie op het doel orgaan (de milt).
Protocol
Representative Results
Discussion
Sinds de ontdekking in de vroege jaren 2000, de mechanismen van het GLB zijn grondig bestudeerd. We hebben nu een goed beeld van de route, en in het bijzonder, het doelorgaan, de milt, waar de NE, geheugen T-cellen, Ach, en macrofagen werk als een zeer efficiënte team het neerwaarts reguleren van ontstekingsmediatoren 2. We hebben onlangs gepubliceerde gegevens over het belang van een functionele prostaglandinesysteem bij muizen, met name PGE2, wat uiteraard een verplicht onderdeel AC…
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).
