Heme degradation pathway controls inflammation in model of mouse prostatitis

Abstract

Acute or chronic inflammation in the prostate is implicated in pathogenesis of benign prostate hyperplasia (BPH) as well as development of prostatic intraepithelial neoplasia (PIN) and prostate cancer (PCa). Chronic prostatitis (inflammation in the prostate) is associated with high morbidity and negatively impacts life quality. Macrophages are critical regulators of inflammatory processes and are early immune cells responders. Among macrophage-associated genes, the stress-induced enzyme heme oxygenase-1 (HO-1), which degrades heme to carbon monoxide (CO), biliverdin and iron, has strong immunomodulatory effects in in vitro and in vivo disease models.

In this study, we investigated the specific role of HO-1 in macrophages on modulation of prostate inflammation. We established a mouse model of bacterial prostatitis in wild type mice, and evaluated the role of HO-1 in pathogen-induced prostate inflammation by using mice with conditional deletion of HO-1 in myeloid cells (LysM-Cre:Hmox1fl/fl). Immunohistological analysis showed increased infiltration of CD45 positive leukocytes and mitosis in the prostate glands as represented by phospho-Histone-H3 (p-HH3) staining in mice after bacterial challenge. Inflammation was accelerated in mice lacking myeloid-derived HO-1 with increased number of CD45 positive cells in the prostate glands. Further, we confirmed activation of the mitogen-activated protein kinase (MAPK) signaling pathway as observed by increased phosphorylation of extracellular signal-regulated kinase (Erk1/2) and induction of the inflammatory mediator interleukin-1β (IL-1β).

Since exogenous CO mimics the majority, if not all, of the HO-1 effects, we asked whether CO plays a role in the model of prostatitis in mice. CO suppressed proliferation as shown by decreased p-HH3 staining and p-Erk1/2 levels in the inflamed mice prostates. CO also suppressed bacteria-induced expression of lipid metabolic enzymes acyl-CoA synthetase-1 (ACSL1) and fatty acid synthase (FAS), which mediated macrophage activation in other inflammation models.

In summary, these results suggest that HO-1 plays a role in modulating pathogen-induced prostate inflammation via suppression of leukocyte influx and that exogenous CO may be used to block inflammation trigged proliferation and prevent PIN lesion formation.

Popular Abstract (Swedish)

Dödliga gasen kolmonoxid – behandling mot prostatacancer?

Kolmonoxid är för de flesta människor känd som en gas som kan orsaka förgiftning och snabbt leda till döden. Små doser av kolmonoxid har dock upptäckts kunna motverka inflammation. Många forskare är övertygade om att kolmonoxid inom en snar framtid skulle kunna användas som läkemedel mot bland annat kronisk tarminflammation. Ett hopp har också väckts om att kolmonoxid skulle kunna användas som behandling mot cancer, då gasen visat sig ha en tillväxthämmande effekt på cancerceller. Som en del i den här studien undersökte vi hur kolmonoxid påverkade möss med prostatainflammation. Inflammation i prostata är ett vanligt problem hos människor, som har koppling till prostatacancer.

Nära hälften av alla vuxna män drabbas någon gång av prostatainflammation, ett tillstånd som kan orsaka prostatacancer. Inflammation i prostata orsakas oftast av flera samverkande faktorer, bland annat bakterieinfektion i urinvägarna. Inflammationer triggas av att bakterier aktiverar särskilda vaktstyrkor av immunceller i kroppen som oskadliggör inkräktarna och dirigerar återuppbyggnaden av den skadade vävnaden. I den här studien tog vi fram en musmodell i syfte att undersöka utvecklingen av prostatainflammation efter urinvägsinfektion. Vi tillförde levande bakterier via kateter in i urinblåsan i möss och analyserade graden av inflammation respektive celltillväxt i prostata upp till 3 veckor efter injektion. Som kontrollgrupper använde vi obehandlade möss och möss som injicerats med saltlösning via urinvägarna. Genom att märka in särskilda cellmarkörer i prostata dem under mikroskop kunde vi räkna antalet inflammationsceller och aktivt växande celler i de olika grupperna. Analysen visade att mössen som infekterats med bakterier utvecklade bestående prostatainflammation, med större antal inflammationsceller och ökad celltillväxt än mössen i kontrollgrupperna efter 3 veckor.

Kolmonoxid produceras inte bara i bilmotorer utan även naturligt i kroppen av enzymet Hemeoxygenas-1 (HO-1) genom nedbrytning av giftiga järnhaltiga restprodukter från röda blodkroppar (heme). Tidigare har forskare kunnat konstatera att låga koncentrationer av kolmonoxid har immunreglerande och skyddande egenskaper gentemot inflammationsrelaterade skador på celler och vävnader. Dessutom har tidigare resultat från vår forskargrupp visat att kolmonoxid blockerar tillväxt av prostatacancerceller odlade i laboratorium eller under huden på möss. Inom ramen för vår studie ville vi undersöka hur möss med prostatainflammation påverkas av behandling med låga doser kolmonoxid (250 ppm i 1 timme) efter injektion av bakterier. Våra resultat visade att kolmonoxidbehandlade möss med prostatainflammation hade lägre grad av celltillväxt i prostata, jämfört med icke-behandlade möss Det gällde inte för möss med normal prostata. Detta är ett första tecken på att kolmonoxid kan hämma tillväxt av celler i prostata efter inflammation, som annars skulle kunna vidareutvecklas till cancerliknade celler.

Framtida läkemedel mot cancer?
Resultaten från vår studie tyder på att kolmonoxid i låga doser har potential att hämma inflammationsrelaterad tillväxt av celler i prostata efter en bakteriell urinvägsinfektion. Idag är många forskare överens om att prostatainflammation med ökad celltillväxt har en stor betydelse för utveckling av prostatacancer. Ytterligare forskning krävs för att verifiera resultaten, men detta är en första indikation på att kolmonoxid, en dödlig gas, också skulle kunna sättas in som vapen i kampen mot prostatacancer.

Handledare: Jenny L. Persson och Barbara Wegiel
Examensarbete för masterexamen i cell- och molekylärbiologi 60 hp, 2015
Biologiska institutionen, Lunds Universitet

• author: Vikström, Lisa
• supervisor: Barbara Wegiel; Jenny L Persson
• organization: Degree Projects in Molecular Biology
• course: MOBT15
• year: 2015
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Biology and Life Sciences
• language: English
• id: 7862195
• date added to LUP: 2015-09-09 09:02:07
• date last changed: 2015-09-09 09:02:07