PPAR agonists in modulating the inflammatory properties of macrophages

Abstract

PPAR-agonistien vaikutukset makrofagien aktivaatioon

Tulehdus on keskeinen tekijä sekä perinteisten tulehdussairauksien, kuten nivelreuman, että lihavuuteen liittyvien sairauksien, kuten aikuistyypin diabeteksen ja sydän- ja verisuonisairauksien, tautiprosesseissa. Nivelreumassa liiallinen tulehdusreaktio aiheuttaa kudostuhoa ja kipua sekä hankaloittaa potilaan kykyä työskennellä ja toimia yhteiskunnassa. Lihavuuteen liittyvä tulehdus on voimakkuudeltaan hiljaisempaa kuin nivelreumassa, mutta silti tulehdus heikentää kudosten ja elinten toimintaa.

Peroksisomin proliferaattoriaktivoidut reseptorit (PPAR:t) ovat solun sisäisiä proteiineja, jotka elimistön rasvahappomolekyylien pitoisuuden noustessa käynnistävät solussa rasvahappojen pilkkomiseen tarvittavien proteiinien valmistamisen. PPAR:ien aktiivisuutta lisääviä lääkkeitä tiatsolidiinidioneja ja fibraatteja käytetään aikuistyypin diabeteksen ja sydän- ja verisuonisairauksille altistavan korkean veren kolesterolipitoisuuden hoidossa. Viime aikoina PPAR:ien on havaittu osallistuvan solujen energia-aineenvaihdunnan lisäksi myös tulehdusreaktion säätelyyn. Tässä väitöskirjatyössä tutkittiin PPAR:ien aktiivisuutta lisäävien lääkkeiden, PPAR-agonistien, vaikutusta eräiden valkosoluihin kuuluvien syöjäsolujen, makrofagien, aktiivisuuteen.

Väitöskirjatyössä havaittiin, että PPARα- ja PPARγ-agonistit vähensivät makrofagien tulehdusaktiivisuutta sekä soluviljelyssä että hiiren tulehdusmallissa. Tämä tulehdusta hillitsevä vaikutus antaa syyn olettaa, että PPAR-agonistit voisivat olla hyödyllisiä lääkkeitä aineenvaihduntasairauksien lisäksi pitkäaikaisissa tulehdussairauksissa kuten nivelreumassa. PPARα-agonistit myös vähensivät makrofagien kudosvaurion paranemista tukevaa aktiivisuutta, mikä on toivottava ominaisuus erityisesti sairauksissa, joihin liittyy liiallinen sidekudoksen muodostuminen. Tällaisia sairauksia ovat monet reumatauteihin kuuluvat sidekudossairaudet, kuten systeeminen skleroosi.

Jotta PPAR-agonistien vaikutukset sekä solujen aineenvaihduntaan että tulehdukseen saataisiin parhaiten hyödynnettyä ilman sivuvaikutuksia, olisi optimaalista, että lääkeaine voitaisiin annostella paikallisesti haluttuun kohteeseen. Väitöskirjatyön yhteydessä valmistettiinkin sekä PPARα:aa että PPARγ:aa aktivoivaa muraglitatsaaria vapauttava biohajoava verisuonistentti. Väitöskirjatutkimuksessa näytetyt soluviljelytason tulokset osoittavat, että lääkeaineen vapautuminen stentistä tapahtuu sopivalla nopeudella ja että stentti hillitsee tulehdusta toivotulla tavalla.

Tulehduksen ja aineenvaihdunnan yhteys on havainto, joka voi tulla mullistamaan paitsi lihavuuteen liittyvien sairauksien myös kroonisten tulehdussairauksien lääkehoidon. Tämä tutkimus vahvistaa hypoteesia PPAR:sta välittäjänä aineenvaihdunnan ja tulehduksen välillä. PPAR:t ovat lupaavia uusien reuman hoidossa käytettävien lääkkeiden vaikutuskohteita.

Inflammation plays a central role in the pathophysiology of several chronic diseases. Although the role of inflammation in traditional inflammatory diseases, like in rheumatoid diseases, is better understood, it is believed that inflammation is also involved in other chronic conditions, for example in several metabolic diseases. In rheumatoid diseases, the overwhelming inflammation causes tissue damage, joint erosion and subsequent pain or abnormal tissue healing with fibrosis, both of which often lead to disability and represent a serious burden both to the individual patient and to society. Although a wide range of immunomodulating therapeutics are available, a significant number of patients with rheumatoid diseases do not obtain even adequate relief with the current treatments. The concept of the interaction between metabolism and inflammation has revealed new avenues in inflammation research. In metabolic diseases, the intensity of inflammation is lower than in traditional inflammatory diseases, but over time, it insidiously impairs the function of tissues and organs. Although the close relationship between metabolism and inflammation is now becoming clear, very little is known about the mechanisms that are underlying this interaction. Peroxisome proliferator-activated receptors (PPARs) are nuclear receptors that were originally found to regulate glucose and fatty acid metabolism in cells. The PPARα agonists, fibrates, are old lipid-lowering drugs that are currently used in the treatment of hypertriglyceridemia. The PPARγ agonists, thiazolidinediones, are a group of insulin sensitizing drugs that became available for the treatment of type II diabetes mellitus in the late 1990s. Interestingly, PPARs have later been found to affect inflammatory responses. The aim of the present study was to investigate the immunomodulating properties of PPAR agonists with the focus on macrophage activation. Both PPARα and PPARγ agonists suppressed lipopolysaccharide (LPS)-induced classical activation of macrophages as shown by reduced production of proinflammatory mediators interleukin 6 (IL-6) and nitric oxide and protein levels of the inducible nitric oxide synthase (iNOS) by PPAR agonists in J774 murine macrophages. The effects of PPAR agonists on iNOS expression were studied in more detail and PPARα and PPARγ agonists were found to suppress iNOS expression via different mechanisms. PPARγ agonists reduced the transcription of iNOS, whereas PPARα agonists had no effect on iNOS transcription. Instead, PPARα agonists increased the degradation of iNOS protein through the proteasome pathway. PPARα and PPARγ agonists also had different effects on IL-4 + IL-13 –induced alternative activation of J774 macrophages, a phenomenon linked to fibrotic diseases, for example. PPARγ agonists increased the levels of three alternative activation markers, arginase 1, found in inflammatory zone 1 (fizz1) and mannose receptor 1. In contrast, PPARα agonists decreased the levels of these markers. Similarly to murine J774 cells, PPARα agonists also reduced the levels of alternative activation markers in human THP-1 monocyte-macrophages. This is the first study where the anti-inflammatory properties of a dual PPARα/γ agonist muraglitazar were characterized. Similarly to both PPARα and PPARγ agonists, muraglitazar suppressed the production of IL-6 and nitric oxide and the expression of iNOS in classically activated macrophages. Muraglitazar also attenuated the development of carrageenan-induced paw oedema in mice. In parallel to the results in vitro, IL-6, iNOS and tumour necrosis factor (TNF) mRNA levels were also lower in carrageenan-induced paw inflammation in muraglitazar-treated than in control mice in vivo. Finally, as an example of novel applications that would combine the benefits of muraglitazar in both metabolism and inflammatory pathways, a muraglitazar-eluting degradable vascular stent was manufactured. In the experiments reported in this study, the biological efficacy of muraglitazar was retained during the manufacturing process of the drug-coated stent. The drug-elution kinetics of the muraglitazar-coated stent was also promising thus representing a promising basis for further studies. Although the current anti-inflammatory therapeutic agents have significantly improved the prognosis of the patients with rheumatoid diseases, novel pharmacological approaches are needed to treat those patients who do not appropriately respond to the medications or are not able, for some reason, to use the drugs. The link between inflammation and metabolism may offer a new option to treat the traditional inflammatory diseases. This study supports the hypothesis of PPARs as important players or channels between metabolism and inflammation. PPARs are promising targets in the development of new antirheumatic pharmaceutics.