Role of adhesion molecules and chemokines in TNF-alpha-induced leukocyte recruitment

Abstract

Migration of leukocytes from the circulating blood into the extravascular tissue is a key component in inflammatory reactions. Leukocyte extravasation (rolling-activation-adhesion-transmigration) is strictly coordinated by adhesion molecules and chemokines expressed on cell surfaces and in tissues. Tumor necrosis factor-alpha (TNF-alpha) is pleiotrophic cytokine, which plays an important role in the pathophysiology of numerous clinical conditions, including sepsis, rheumatic arthritis and inflammatory bowel diseases. The purpose of this study was to define adhesive pathways and chemokine networks regulating TNF-alpha-induced leukocyte recruitment in vivo. It was found that TNF-alpha-induced leukocyte rolling was mainly mediated by P-selectin. This P-selectin-supported rolling was found to be a precondition for the subsequent firm adhesion and tissue accumulation of leukocytes in response to TNF-alpha. Moreover, by use gene-deficient mice, it was observed that CD18 (Beta2-integrins) is dominating adhesion molecule on leukocytes mediating TNF-alpha-induced leukocyte adhesion. Moreover, it was found that the CXC chemokines, MIP-2 and KC, induced all steps in the extravasation process of leukocytes. In fact, CXC chemokine-induced leukocyte rolling was exclusively dependent on P-selectin, an event, which also was a prerequisite for later firm adhesion and transmigration. CXCR2, which the main receptor for MIP-2 and KC, was not expressed on endothelial cells, suggesting that an intermediary cell(s) mediates CXC chemokine upregulation of P-selectin. TNF-alpha increased gene expression of both MIP-2 and KC. However, no synergistic interaction between MIP-2 and KC was found and immunoneutralization of either MIP-2 or KC had no effect on TNF-alpha-provoked leukocyte responses. On the other hand, inhibition of both MIP-2 and KC markedly reduced tissue migration of leukocyte in response to TNF-alpha. The immunomodulator Linomide was found to inhibit TNF-alpha-induced leukocyte adhesion and accumulation. Taken together, this study demonstrates that leukocyte rolling supported by P-selectin is a common and final pathway for cytokine- and chemokine-induced leukocyte recruitment. Moreover, our data suggest that CXC chemokines are functionally redundant in TNF-alpha-induced accumulation of leukocytes.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Svensk sammanfattning



Inflammation är kroppens svar på yttre störning. Det inflammatoriska svaret är nödvändigt för att bekämpa infektioner, t.ex. med bakterier. Å andra sidan orskar det inflammatoriska svaret mycket skada när det aktiveras utan närvaro av infektioner, tex vid astma, reumatism, blodförgiftning och inflammatorisk tarmsjukdom. Akut inflammation karaktäriseras av ökat blodflöde och läckande blodkärl samt rekrytering av vita blodkroppar (leukocyter). Rekryteringen av leukocyter är en fundamental komponent i den inflammatoriska processen och huvudansvarig för den vävnadsskada som uppkommer vid akut inflammation. Därför är det särskillt viktigt att studera mekanimser som styr rekryteringen av leukocyter i vävnaderna. Vid den inflammatoriska reaktionen frisätts en mängd olika ämnen som senare styr leukocytrekryteringen, blodets levring, blodflödet. En av de i särklass viktigaste ämnena heter tumör nekos faktor-alpha (TNF-alpha). TNF-alpha har visat sig vara mycket viktig för flera inflammatoriska sjukdomar och nyare behandlingsstrategier har blivit inriktade på att blockera TNF-alpha. Normalt sett cirkulerar leukocyterna runt i blodbanan, men vid störning och aktivering i en vävnad eller ett organ aktiveras kärlväggens celler (endotelceller) som uttrycker specifika proteiner (adhesionsmolekyler), som leukocyterna kan binda till. Utträdesprocessen av vita blodkroppar är en flerstegsprocess som inleds med att cellerna rullar utmed kärlväggen. Vid inflammation upptäcker de vita blod kropparna olika substanser (kemokiner) som aktiverar leukocyten. Den aktiverade leukocyten slutar rulla och binder då fast till kärlväggen. Är stimuleringen tillräckligt starkt kryper leukocyterna ut emellan endotelceller på kärlväggen och ackumuleras så småningom i vävnaden. Varje steg i den här flerstegsprocessen (rullning-fast adhesion-transmigration) koordineras genom uttryck av specifika adhesionsmolekyler. Rullning har framförallt visats vara beroende av selektiner (P-, E-, L-selektin), medan den fasta adhesionen styrs av integriner (bla. undergrupper av Beta1- och Beta2-integriner). Det är dock inte känt vilka adhesionsmolekyler som är viktiga för att möjliggöra rullning och fast adhesion av leukocyter i samband med TNF-alpha aktivering. Vidare är effekten av kemokiner på de olika stegen i utträdesprocessen av leukocyter okänd. Det är inte heller klart vilken roll chemokiner spelar i TNF-alpha-inducerad inflammation.



Den här avhandlingen har visat att rullning av leukocyter i samband med TNF-alpha-aktivering framförallt är beroende av P-selektin, medan L-selektin inte verkar ha någon större betydelse. Dessutom kunde det slås fast att den P-selektin-beroende rullningen var ett kritiskt steg för den fasta adhesionen och transmigrationen av leukocyter i samband med TNF-alpha-aktivering. Dessa observationer indikerar att P-selektin är en potentiellt viktig måltavla som skulle kunna vara användar i behandlingen av inflammatoriska sjukdomar.



Den har varit mycket diskussion i tidigare studier om betydelsen av Beta2-integriner (CD18) för den fasta adhesionen av leukocyter. Data har antytt att betydelsen av CD18 kan vara beroende både av vilket organ och vilket stimulus som man studerar. Därför var det ett centralt mål i den här avhandlingen att definiera betydelsen av CD18 i samband med TNF-alpha aktivering i muskel och hud. Med hjälp av genetiskt förändrade möss som hade ett kraftigt reducerat uttryck av CD18 kunde det konstateras att CD18 är en dominerande adhesionsmolekyl för den fasta adhesionen både i muskel och hud. TNF-alpha ökade uttrycket av CD18 lika mycket på vanliga leukocyter som på leukocyter från de muterade mössen, vilket indikerar att det inte fanns någon funktionell störning i cellaktiveringen. Det visade sig också att den CD18-beroende adhesionen var nödvändig för vävnadsrekryteringen av leukocyter, vilket stödjer den flerstegs-hypotes som är ett återkommande paradigm i den här avhandlingen.



Aktivering och migration av leukocyter koordineras av kemiska ämnen vilka benämns kemokiner. Viktigast att studera i den här avhandlingen var MIP-2 och KC. Det framkom att MIP-2 och KC kunde stimulera alla stegen i leukocyternas utträdesprocess, d.v.s. rullning, adhesion och transmigration. Kemokin-inducerad rullning var återigen helt beroende av P-selektin och den här P-selektin-beroende rullningen visade sig vara en förutsättning för fast adhesion och vävnadsackumulering av leukocyter. Eftersom P-selektin-medierad leukocytrulling är beroende av endotelcellsaktivering letade vi efter kemokin-receptorer på mus endotelceller. CXCR2 är den viktigaste receptorn för MIP-2 och KC, men vi fann inga genaktiveringsfragment i endotelcellerna, vilket indikerar att kemokin-effekten på P-selektin medieras via någon intermediär cell i vävnaden. Vidare kunde det konstateras att TNF-alpha ökade uttrycket av både MIP och KC i vävnaden samtidigt. Däremot fanns ingen synergistisk interaktion mellan MIP-2 och KC med avseende på leukocytrekrytering. I linje med dessa fynd upptäckte vi att blockering av MIP-2 och/eller KC ensamt inte hade någon effekt på TNF-alpha-inducerad leukocyterullning och fast adhesion. Endast kombinerad blockad av MIP-2 och KC samtidigt kunde påtagligt reducerar vävnadsrekryteringen av leukocyter stimulerad med TNF-alpha. Dessa data visar att MIP-2 och KC har liknande funktioner och således kan vikariera för varandra. Därför kan det vara nödvändigt att blockera både MIP-2 och KC för att kunna minska rekryteringen av leukocyter vid patologisk inflammation.



Det finns ett stort behov av effektiva anti-inflammatoriska substanser. Linomide är en immunomodulator som har visat sig effektiv mot flera olika inflammatoriska sjukdomar på djur, inklusive blodförgiftning, diabetes, glomerulonefrit och kolit. Däremot är den anti-inflammatoriska mekanismen bakom Linomide mindre känd. Eftersom TNF-alpha är en viktig regulator av inflammationen vid många av de sjukdomar som Linomide är effektiv mot är det möjligt att Linomide kan reducera TNF-alpha-inducerad inflammation. När möss förbehandlades med Linomide kunde en kraftigt hämmande effekt på TNF-alpha-inducerad leukocytadhesion och -rekrytering observeras. I andra studier har vi och andra funnit att Linomide kan nedreglera uttrycket av TNF-alpha. Sammantaget kan man konkludera att Linomide kan hämma både uttrycket och funktionen av TNF-alpha.



Sammanfattningvis slår den här avhandling fast att P-selektin-medierad rullning är ett slutligiltligt och gemensamt steg för TNF-alpha- och kemokin-inducerad vävnadsrekytering av leukocyter. Vidare slås det fast att CD18 är en dominerande molekyl för den fasta adhesionen i samband med TNF-alpha-inducerad inflammation.

• author: Zhang, Xiao Wei
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Prof. Menger, Micheal, University of Saarland, Germany
• organization: Surgery (research group)
• publishing date: 2001
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Surgery
• keywords: Surgery, intravital microscopy, microcirculation, inflammation, adhesion, leukocyte, orthopaedics, traumatology, Kirurgi, ortopedi, traumatologi
• pages: 139 pages
• defense location: Department of surgery in Malmö
• defense date: 2001-05-14 10:15:00
• ISBN: 91-89625-00-5
• language: English
• LU publication?: yes
• id: ac44de4f-fdaa-484e-85a9-39fc541d510a (old id 41479)
• date added to LUP: 2016-04-04 12:10:44
• date last changed: 2018-11-21 21:09:28