הגברת Recovery Time וירידה מינהל LPS לחקר העצב התועה מנגנוני גירוי בתגובות דלקתיות מוגבל
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
חסינות מולדת מספקת שורה ראשונה מיידית של הגנה מפני זיהומים ומחלות במגוון רחב של אורגניזמים. זה לא רק משיג את התגובה החיסונית הראשונית כדי לחסל את האיום, אבל זה גם משחק תפקיד מרכזי בהפעלה והדרכת החסינות אדפטיבית כי מבצעת תגובות משתי חיסוניות בצורה פתוגן ספציפית. דלקת היא מתוזמרת על ידי שפע של ציטוקינים chemokines, שבתורה יש את היכולת למשוך תאים חיסוניים אחרים לאתר של זיהום וכדי לגרום סימני הקרדינל של דלקת, כגון אדמומיות, נפיחות, כאב, אובדן התפקוד, וחום . משך ועוצמת הדלקת תלוי במספר גורמים, אך בפתרון דלקת ושחזור הומאוסטזיס הוא שלב קריטי, כדי למנוע התפרצות של מחלות דלקתיות כרוניות. התפתחויות אחרונות בתחום הנוירולוגיה אימונולוגיה יש נפרם מנגנונים עצביים ספציפיים עם פוטנציאל טיפולי עצום לשלוט inflammation היא במערכת העצבים המרכזית ובפריפריה. אחד המנגנונים האלה הוא המסלול אנטי דלקתי כולינרגית (CAP), הידוע גם בשם רפלקס הדלקתי, אשר מונע על ידי מערכת העצבים האוטונומית 4, 5.
הוא חשב כרגע כי מתווכים דלקתיים להפעיל עצבים תחושתיים ושולחים אותות על מצב הדלקת במערכת העצבים המרכזית. תגובה רפלקס אז מופעל באמצעות העצב התועה efferent. מחקר מקיף על הפרטים האנטומיים של CAP חשף דגם הפאראסימפתטית-אוהד מורכב משני עצבים, העצב התועה ואת עצב טחול, בהתאמה 6. בשנות ה CAP, העצב התועה כולינרגית efferent מופעל מסתיים גנגליון צליאק-mesenteric, וכתוצאה מכך ההפעלה של עצב הטחול אדרנרגיים על ידי מנגנון טרם נחקרו. עצב הטחול, ולכן הופעל, ידוע פנימיvate בסמיכות לתאים חיסוניים עיסת לבן, אזור שולי, ואת עיסת אדום של הטחול, קרן איבר חובה של CAP 7, 8. ונוראפינפרין (NE) מן קצות עצבי טחול נקשר לרצפטורים אדרנרגיים β 2 המתאימים הביעו על לימפוציטים מסוג T טחול. זה גורם transferase אצטיל כולין (צ'אט) אצטילכולין בתיווך (ACH) שחרור, אשר בתורו מפעיל קולטני אצטילכולין ניקוטינית α7 (α7nACh) על מקרופאגים, וכך להגביל ייצור ציטוקינים ודלקות 2. כתוצאה מכך, עכשיו זה ברור כי מערכת העצבים היא מסוגלת לווסת דלקת ברקמות היקפיות וכדי לשחזר הומאוסטזיס מקומית חיסונית.
כפי שהשם של המסלול מרמז, מערכת האח היא בעל חשיבות מרכזית לתפקוד מסלול המסדיר נוירו-החיסון הזה. מעניין, המנגנונים מעורבים בהפעלהה- CAP נראה שונה בפריפריה ובמערכת העצבים המרכזית. למרות החשיבות של קולטנים ניקוטינית (α7nAChR) בטחול הודגמה מוקדם 9, קולטנים מוסקריניים (mAChR) הם חובה עבור ההפעלה המרכזית של המסלול 10, 11. לאחרונה, ממשל היקפי של אגוניסט M1 מוסקריניים מרכזי הפועל α גורם נימק בסרום מודחק משמעותי וטחול גידול (TNFα) במהלך endotoxemia בעכברים הקטלני, פעולה שחייב שלם עצב תועה ואת עצב טחול איתות 12. גם הראינו לאחרונה כי עכברים שחסרו פרוסטגלנדין E 2 (PGE 2) לא היו מסוגלים להגיב לגירוי העצב התועה ולא למטה להסדיר את שחרורו המושרה LPS של ציטוקינים בסרום והטחול 3. לכן, CAP יכול גם להיות מוסדר על ידי מערכות אחרות מאשר pathw האח הראשיAY.
העצב התועה כבר בשם כזה בגלל כמובן לנדוד בגוף, innervating אברים עיקריים כולל הכבד, ריאות, טחול, כליות, ואת הבטן 13. בהתחשב עצבוב גדול זו והשפעת אימונוסופרסיבי מאוד חזקה של העצב התועה, את הפוטנציאל הטיפולי של CAP יכול לכסות מגוון רחב של מצבים דלקתיים. עצב התועה יכול להיות חשמלי (או מכאני) מופעל, עם שליטה על המתח ותדירות, ובניגוד לטיפול קונבנציונלי, ללא תרופות הוסיפו לגוף. ניסויים נערכים כיום בחולי ראומטיים, למשל, כדי לבדוק את המשמעות הקלינית של VNS בטיפול בדלקת כרונית 14. בסך הכל, התקשורת חיסונית-נוירו והרגולציה של דלקת כרגע תחת חקירה, אשר תספק טיפול חלופי אפשרי לטיפול קונבנציונלי. לכן, ניתוח של העצב התועה stimulatioאפקט n באיברים מעוצבבים השונים, אלא גם אפיון של הפעולה הטיפולית הפוטנציאלית מודלים בבעלי חיים למחלות דלקתיות כרוני, בהחלט ייתן תובנה ולקוות מטרות טיפוליות פוטנציאליות חדשות.
המתודולוגיה המקורית שפותחה על ידי טרייסי ועמיתיו 4 לא יכולה להיות משורבבת לתחום שלנו של מחקר עקב גירוי יתר של התגובה הדלקתית (על ידי מנה קטלנית של LPS) ומגוון מדי-זמן קצר בין הפעלת CAP ואת ההקראה. בעבודה הנוכחית, נציג את השינויים שבוצעו בפרוטוקול המקורי, להשוות בין שתי מתודולוגיות שונות על רמות ציטוקינים, ולהאיר של התבוננות חדשה ההפוכה על איבר המטרה (הטחול).
Protocol
Representative Results
Discussion
מאז גילויו בתחילת שנות ה -2000, המנגנונים של CAP נחקרו ביסודיות. עכשיו יש לנו תמונה טובה של המסלול, ובפרט, איבר היעד, הטחול, שבו NE, תאי T הזיכרון, אח, ו מקרופאגים העבודה כצוות יעיל מאוד למטה לווסת מתווכים דלקתיים 2. גם פרסמנו נתונים לאחרונה על החשיבות של מערכת פרו…
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).
