Granulopoietic growth factors. Cytokine and cellular regulation of GM-CSF and G-CSF production.

Abstract

Granulocyte-macrophage- (GM-) and granulocyte- (G-) colony stimulating factor (CSF) are important cytokines in the regulation of hematopoiesis and for the function of mature blood cells. They are also involved in the cytokine network regulating the inflammatory and immune response. The aim of this study was to investigate the regulation of GM- and G-CSF production at the cellular level. The studies focused on the secretion by monocytes derived from peripheral blood of healthy subjects and by endothelial cells derived from human umbilical cord veins. The cells were cultured in vitro and the production of GM-CSF and G-CSF measured by immunoassays or RT-PCR. The results show that GM-CSF and G-CSF secretion can be separately modulated within the same cell system, and furthermore that there are differences in the regulation of GM- and G-CSF secretion between the different cell types. G/GM-CSF secretion by endothelial cells is regulated by the presence or absence of a stimulus in a "switch-on - switch-off" manner, with interleukin (IL-) 1 being the most effective stimulus. No factors down-regulate G/GM-CSF secretion by endothelial cells. However, corticosteroids and the addition of neutrophils enhance G-CSF secretion by activated endothelial cells. Secretion by monocytes is induced by endotoxin and IL-1. Activated monocytes continue to secrete G/GM-CSF also when stimulus is removed. However, the secretion eventually ceases due to the effect of down-regulatory factors. Monocytes inhibit by the secretion of IL-10 in an autocrine manner GM-CSF secretion but not G-CSF secretion. The addition of T-lymphocytes increases the production of monocyte-derived IL-10. Furthermore, corticosteroids selectively down-regulate GM-CSF but not G-CSF secretion by monocytes. IL-4 and IL-13 down-regulate GM-CSF and G-CSF secretion by monocytes to the same extent. Neutrophils and mononocytes modulate the biological activity of secreted GM- and G-CSF by absorption of the cytokines. The interpretation of the results is that G/GM-CSF secreted by monocytes function in the local compartment, and the production is therefore regulated in a more complex manner. Endothelial cells are by their production of especially G-CSF responsible for the long-range activity.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Blodbildningen är en av kroppens livligaste processer. Varje dag bildas det upp mot en triljon (12 nollor!) mogna blodceller. De röda blodkropparna står för transporten av syre, de vita blodkropparna försvarar mot infektioner och trombocyterna deltar i blodlevringen. Bildningen av blodceller sker i benmärgen och kan liknas vid ett träd, där roten utgörs av de så kallade stamcellerna och löven av de mogna blodcellerna (se figur 1 på sid. 9). Utvecklingen från stamcell till mogna blodceller karakteriseras av en samtidig celldelning och utmognad. I de tidiga utvecklingsstadierna har cellen kvar sin förmåga att bilda olika typer av mogna blodceller. Så småningom avtar denna förmåga, cellutvecklingen grenar sig och cellen drivs mot den specialiserade slutprodukten. De mogna blodcellerna har en begränsad överlevnad. Flertalet går under genom att cellen aktiverar ett eget självmordsprogram.



Blodbildningen styrs av faktorer som reglerar överlevnaden, celldelningen och utmognaden hos benmärgscellerna (figur 2, sid. 13). Dessa faktorer kan indelas i två grupper. Den ena gruppen kallas för transkriptionsfaktorer. Dessa är proteiner (äggviteämnen) som bildas av den blodbildande cellen själv och som styr vilka av cellens gener (arvsmassa) som skall uttryckas. Transkriptionsfaktorerna är centrala för cellens utmognad till den specialiserade slutprodukten. Den andra gruppen av faktorer kallas för cytokiner. Cytokinerna, som också är proteiner, utsöndras från mogna blodceller, celler i blodkärlväggen (endotelcellerna) och vissa celler i stödjevävnaden. De påverkar de blodbildande cellerna genom att haka fast på specifika mottagarstationer (receptorer) och är framför allt viktiga för att reglera celldelningen och överlevnaden. Cytokinerna ingår i ett kommunikationssystem där bl.a. de blodbildande cellerna i benmärgen informeras om kroppens behov av mogna blodceller. Cytokinerna påverkar emellertid också funktionen hos de mogna blodcellerna. De är bland annat viktiga i de inflammatoriska och immunologiska reaktionerna vid infektioner. Det finns ett drygt tjugotal identifierade cytokiner. Deras funktioner är mycket komplexa. Varje cytokin har många effekter och kan påverka olika typer av målceller. Dessutom har många cytokiner likartade, överlappande effekter. Cytokinerna bildar ett nätverk där de påverkar varandras bildning och effekt på målcellen. Ett cytokin kan verka på den cell som bildade det eller på celler i grannskapet, men kan, om tillräckliga mängder utsöndras, också ha effekt på avlägsna celler. Allt detta gör att det är svårt att specificera den exakta betydelsen av varje enskilt cytokin.



Även om cytokinerna är komplicerade kan man grovt indela dem efter deras huvudsakliga funktion. De två cytokiner som min avhandling handlar om, GM-CSF och G-CSF, verkar som tillväxtfaktorer i blodbildningen. Framför allt stimulerar de bildningen och funktionen av två typer av vita blodkroppar, granulocyter och monocyter. Granulocyternas huvudsakliga uppgift är att fagocytera ("äta upp") bakterier. Även monocyterna är viktiga fagocyter, men de har också andra uppgifter. Bland annat producerar monocyterna själva många cytokiner, t.ex. GM-och G-CSF. Hur produktionen av granulocyter och monocyter styrs för att upprätthålla en för kroppen lämplig nivå är inte känt i detalj. G-CSF är sannolikt det viktigaste cytokinet för att upprätthålla en adekvat granulocytnivå, även om också andra cytokiner deltar i den regleringen. G-CSF och möjligen också GM-CSF är dessutom viktiga för att öka blodbildningen och blodets nivå av fagocyterande celler som svar på en infektion. De biologiska effekterna av GM-CSF och G-CSF kan illustreras av hur man använder dem som läkemedel. Man kan utnyttja dem för att höja granulocytnivån hos patienter med lågt antal granulocyter t.ex. efter en kraftig cytostatikabehandling. Med höga doser G/GM-CSF ökar man också antalet blodbildande celler, och framför allt lämnar många av dessa blodbildande celler benmärgen och går ut i det cirkulerande blodet. Därifrån kan man med s.k. aferesteknik effektivt samla in de blodbildande cellerna. Detta utnyttjas för att "skörda" stamceller till patienter som skall genomgå "benmärgs"-transplantation. G/GM-CSF är också involverade i det nätverk av cytokiner som reglerar det inflammatoriska och immunologiska svaret. Det verkar finnas skillnader mellan dem ur denna aspekt, eftersom GM-CSF antagligen stimulerar och G-CSF dämpar dessa processer.



Jag har studerat produktionen av GM-CSF och G-CSF från i första hand två slags celler, monocyter och endotelceller. Blod från friska personer användes för att isolera monocyter och navelsträngsvener för att ta fram endotelceller. Cellerna odlades sedan och exponerades för olika faktorer. Därefter mätte jag hur mycket GM-CSF och G-CSF de utsöndrade. Målsättningen var att öka förståelsen för vilka roller som de olika celltyperna har med sin produktion av dessa cytokiner. I vidare bemärkelse syftade studierna till att öka kunskapen om hur bildningen av blodceller regleras. Det nya som mina studier visar är att produktionen av GM-CSF och G-CSF från endotelcellen regleras annorlunda än produktionen av samma cytokiner från monocyten. Dessutom kan man påverka cellerna så att utsöndringen av GM- och G-CSF från samma slags cell blir olika. Mina fynd sammanfattas på figur 4 (sid. 48). Effekten av kortison kan tas som ett exempel. Kortison minskar monocytens produktion av GM-CSF kraftigt medan G-CSF-produktionen ökar marginellt. Endotelcellens GM-CSF-utsöndring är opåverkad medan G-CSF-produktionen ökar kraftigt. Kortison har som läkemedel en kraftfull inflammations-dämpande effekt och höjer antalet granulocyter i blodet. Det är möjligt att dessa effekter delvis kan förklaras med att kroppens GM- och G-CSF-produktion påverkas.



Möjligen är det så att monocytens produktion av GM-CSF och G-CSF i första hand har lokala uppgifter, d.v.s. att påverka de celler som finns i närheten av den lokala infektionshärden. Monocytens utsöndring av cytokiner måste kunna regleras noggrant så att den lokala infektionsbekämpningen blir lagom och inte onödigt kraftig eller alltför svag. Monocytens produktion av cytokiner är därför komplext reglerad och kan påverkas av en rad faktorer, vilka beskrivs i artiklarna II-V. Vid en kraftig infektion behövs fler fagocyterande celler till den lokala härden. Bland annat monocyterna signalerar då till endotelcellerna i den lokala kärlbädden att de skall starta sin produktion av GM-CSF och G-CSF. Endotelcellerna utsöndrar sina cytokiner till blodet, där de i första hand stimulerar den lokala ansamlingen och aktiveringen av fagocyterande celler. Regleringen av endotelcellens produktion, vilken beskrivs i artiklarna I, III och V, är något mindre komplex än monocytens. Möjligen regleras endotelcellens produktion av hur aktiverad monocyten är, det vill säga av hur mycket endotelstimulerande signaler monocyten utsöndrar. Dessutom moduleras aktiviteten av G-CSF av hur mycket granulocyter som finns i endotelcellens omgivning. Om endotelcellen producerar tillräckligt mycket G-CSF transporteras det till benmärgen där det stimulerar blodbildningen och produktionen av nya fagocyterande celler. Det pågår ett ständigt möte mellan bakterier och monocyter i vävnaderna, till exempel i luftvägarna och i magtarmkanalens slemhinna. Troligen gör detta att monocyterna konstant är lite retade. Detta leder till att endotelcellerna upprätthåller en viss produktion av GM-CSF och G-CSF, vilket i sin tur gör att en lämplig nivå av fagocyterande celler upprätthålls i blodet och i vävnaderna.



Min avhandling skall ses som ett litet bidrag till kunskapen om hur det komplexa samspelet mellan celler och cytokiner går till. Det finns idag många cytokiner som är renframställda och som kan användas som läkemedel. Det finns också läkemedel som verkar genom att hämma cytokinernas effekter. Genom att bättre förstå cytokinernas och de cytokin-producerande cellernas roller i kroppen kan vi förhoppningsvis bli bättre på att utnyttja dessa läkemedel mot olika sjukdomar.

• author: Lenhoff, Stig
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Palmblad, Jan, Professor, Huddinge Hospital, Huddinge
• organization: Division of Hematology and Transfusion Medicine
• publishing date: 1999
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Hematology
• keywords: monocytes, endothelial cells, GM-CSF, G-CSF, Haematology, extracellular fluids, Hematologi, extracellulära vätskor
• pages: 118 pages
• defense location: Föreläsningssal 1, Main Block, University Hospital, Lund
• defense date: 1999-04-09 13:00:00
• external identifiers: other:ISRN: LUMEDW/MEMA--99(1053)--SE
• ISBN: 91-628-3420-7
• language: English
• LU publication?: yes
• id: adf75e26-be0f-4ac0-91d1-b459a434c15f (old id 39391)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:38:49
• date last changed: 2018-11-21 21:06:12