Regulation of inducible nitric oxide production in activated macrophages

Abstract

Lääketieteen lisensiaatti Riku Korhosen farmakologian (lääkeaineopin) oppialaan kuuluvassa väitöskirjassa tutkittiin tulehdusta sääteleviä mekanismeja. Väitöskirjatutkimuksessa löydettiin uusi kortisonin vaikutusmekanismi. Lisäksi tutkimuksissa todettiin Gefilus-tuotteisiin lisättävän Lactobacillus rhamnosus GG:n säätelevän tulehdukseen osallistuvien solujen toimintaan.

Tulehdus on elimistön suojareaktio taudinaiheuttajia tai muita vahingollisia tekijöitä vastaan. Tällaisia tekijöitä ovat muun muassa mikrobit, erilaiset haitalliset kemialliset tai fysikaaliset tekijät, sekä mekaaniset vauriot. Tulehdusreaktion tarkoitus on poistaa elimistön hyvinvointia uhkaava tekijä, ja korjata syntyneet vauriot. Pitkittyessään tai kohdistuessaan väärin, kuten esimerkiksi reumassa tai astmassa, tulehdus aiheuttaa kudostuhoa ja taudin oireita. Tulehdusta säätelevät elimistön tuottamat välittäjäaineet, joita ovat muun muassa typpioksidi, eikosanoidit sekä sytokiinit.

Typpioksidi on vesiliukoinen, kaasumainen molekyyli, joka säätelee muun muassa monia sydän- ja verisuoniston fysiologisia toimintoja sekä toimii hermovälittäjäaineena. Immuunijärjestelmässä tulehduksen välittäjäaineet saavat valkosolut ja monet elimistön muut solut tuottamaan indusoituvaa typpioksidisyntaasi -entsyymiä, joka muodostaa suuria määriä typpioksidia. Tällöin typpioksidi toimii sekä elimistön puolustusvasteita säätelevänä välittäjäaineena että mikrobeja tappavana tekijänä. Tiedetään, että typpioksidi liittyy moniin kroonisiin tulehdussairauksiin kuten astmaan, nivelreumaan ja tulehduksellisiin suolistosairauksiin.

Monet elimistön solut tuottavat typpioksidia vasteena tulehduksellisille signaaleille, mutta solunsisäiset mekanismit, jotka säätelevät typpioksidin tuottoa, ovat vielä epäselviä. Väitöskirjatyössä tutkittiin typpioksidituotantoon liittyviä mekanismeja solu- ja molekyylibiologisin menetelmin. Tutkimuksen päälöydös oli, että tulehduslääkkeenä käytettävä glukokortikoidi eli kortisoni vähensi typpioksidin tuotantoa geenitasolla. Vaikutus johtui typpioksidia tuottavan entsyymin lähetti-RNA:n nopeutuneesta hajoamisesta. Kyseessä on uusi glukokortikoidien vaikutusmekanismi, joka osaltaan selittää näiden lääkkeiden tulehdusta lievittävää vaikutusta. Lisäksi tutkimuksessa havaittiin terveysvaikutteisen Lactobacillus rhamnosus GG:n (Gefilus) saavan aikaan typpioksidin tuotannon tulehdussoluissa, eli Lactobacillus rhamnosus GG:llä näyttää olevan elimistön puolustusvastetta sääteleviä vaikutuksia.

Väitöskirjatyö tuo uutta tietoa niiden geenien säätelystä, jotka aiheuttavat tulehduksessa tärkeän typpioksidin tuotantoa. Lisäksi tutkimus valaisee tulehduksen solutason mekanismeja, mikä on tärkeää tulehduksellisten sairauksien täsmälääkkeiden ja muiden kohdennettujen hoitojen kehitystyössä.

Inflammation is a protective response of the host to infectious/injurious factors threatening. The purpose of inflammation is to eliminate the cause of the response, and to repair and/or regenerate the injured tissue. In response to threatening factors, immune cells of the host produce inflammatory mediators such as nitric oxide (NO), cytokines and eicosanoids, which regulate the course of the inflammation. NO is a gaseous, water- and lipid-soluble molecule that regulates various physiological responses in the cardiovascular and nervous system. In inflammation, immune and tissue cells are elicited to produce NO via inducible nitric oxide synthase (iNOS) pathway in response to infectious and injurious agents and proinflammatory cytokines secreted by the host. In immune system, NO plays a central role regulating several cellular and vascular responses of inflammation, and serves as a killing mechanism in the host-defence reactions. Experimental and clinical data suggest that increased iNOS expression and NO production are also involved in many chronic inflammatory diseases such as asthma, rheumatoid arthritis and inflammatory bowel disease.

The induction of iNOS expression and the production of NO have been found to take place in various cells along the inflammatory process, but the mechanisms involved are yet to be established. In the present study, mechanisms regulating the expression of iNOS and the production of NO in activated macrophages in vitro, were investigated. The detailed aims were to investigate the role of the free intracellular calcium and the effect of anti-inflammatory glucocorticoid dexamethasone on iNOS expression and NO production. In addition, the effects of probiotic bacteria Lactobacillus rhamnosus GG were investigated. iNOS expression and NO production were found to be induced in response to Lactobacillus rhamnosus GG suggesting that this probiotic has immunomodulatory effects. The main finding of the study was that dexamethasone and elevated free intracellular calcium inhibited NO production by reducing iNOS mRNA stability in macrophages exposed to bacterial endotoxin. This is a new mechanism of action by which glucocorticoids regulate NO production and the inflammatory process. The results also emphasize the importance of post-transcriptional mechanisms in the regulation of inducible NO production in activated inflammatory cells. The present study provides novel information on the regulation of NO production through iNOS pathway, and illuminates the mechanisms involved in the regulation of inflammation, which is of importance in the search of new targets for therapeutic interventions in inflammatory diseases.