Synovial fibroblasts shape local inflammatory responses in the joint

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2022-03-21
Issue Year
2022
Authors
Friscic, Jasna
Editor
Abstract

Chronic inflammatory diseases are often characterized by the recurrence of flares of inflammation at specific predilection sites. This alternating between bouts of inflammation and remission period precedes the final chronification of the disease. The underlying mechanism for this switch from acute to chronic disease has not been know until now. In our newly designed model of repeated exposure to inflammatory triggers, we showed that re-exposure of joints to inflammatory stimuli caused prolonged and worsened experimental arthritis and tissue damage in rodents. This mechanism of site-specific trained immunity, local tissue priming, is antigen-independent, and the mounted response presumably serves the purpose of more efficient defense against a recurrent appearance of inflammatory stimuli. Repeated inflammatory insults affected synovial fibroblasts (SFs), a cell population resident in the joint, inducing their functional changes. Primed SFs acquire an aggressive pathogenic phenotype characterized by increased proliferation, migration and osteoclastogenic properties, as well as cytokine and chemokine production. Furthermore, we proved that the inflammatory priming is maintained through the complement system-driven metabolic alteration of SFs and subsequent inflammasome assembly. Intracellular complement C3 activation, and C3a-C3aR signaling initiates mTOR-HIF1α activation and metabolic invigoration of SFs encompassing a switch towards anaerobic glycolysis, which finally leads to the activation of the NLRP3 inflammasome. Assay for Transposase-Accessible Chromatin using sequencing (ATAC seq) analysis showed that the changes in SFs occurred after inflammatory priming were epigenetically imprinted. SFs were characterized by increased chromatin accessibility at the transcription start sites of genes connected to inflammation, bone remodeling, metabolism, complement components and Nlrp3. Treatment with an inhibitor of Bromodomain and extraterminal proteins, IBET-151, was able to reverse the epigenetic changes and abolish the inflammatory priming. We also showed that microbiome composition plays an important role in tissue priming, and that microbiota-derived metabolites can regulate tissue priming and thus serve as a valuable tool for managing disease symptoms.

Abstract

Chronische Entzündungskrankheiten sind häufig durch das Wiederauftreten von Entzündungsschüben an spezifischen Prädilektionsstellen gekennzeichnet. Dieser Wechsel zwischen Entzündungsschüben und Remissionsphasen geht der endgültigen Chronifizierung der Krankheit voraus. Der zugrundeliegende Mechanismus für den Übergang von der akuten zur chronischen Erkrankung war bisher nicht bekannt. In unserem neu entwickelten Modell der wiederholten Exposition gegenüber Entzündungsauslösern konnten wir zeigen, dass die erneute Exposition der Gelenke gegenüber Entzündungsreizen in Nagern eine verlängerte und verschlimmerte experimentelle Arthritis und damit einhergehende Gewebeschäden verursacht. Dieser Mechanismus der einer gewebsspezifischen „trained Immunity“, das lokale Gewebspriming („inflammatory tissue priming“), ist antigenunabhängig, und dient vermutlich dem Zweck einer effizienteren Verteidigung gegen wiederholt auftretende entzündliche Trigger. Wiederholte entzündliche Reize wirkten sich auf synoviale Fibroblasten (SFs), eine gelenksständige Zellpopulation aus und führten zu deren funktioneller Veränderung. Geprimte Fibroblasten entwickeln einen aggressiven pathogenen Phänotyp, der durch eine erhöhte Proliferation, Migration und osteoklastogene Eigenschaften sowie durch die Produktion von Zytokinen und Chemokinen gekennzeichnet ist. Darüber hinaus konnten wir nachweisen, dass die Entzündungsreaktion durch eine vom Komplementsystem gesteuerte metabolische Veränderung der SFs und die anschließende Aktivierung des Inflammasoms aufrechterhalten wird. Die intrazelluläre Komplement-C3-Aktivierung und die C3a-C3aR-Signalübertragung initiieren eine mTOR-HIF1α-Aktivierung und die metabolische Umprogrammierung von SFs, die einen Wechsel zu anaerober Glykolyse umfasst, was schließlich zur Aktivierung des NLRP3-Inflammasoms führt. Assay for Transposase-Accessible Chromatin using sequencing (ATAC seq)-Analysen zeigten, dass die durch das inflammatorische Priming hervorgerufenen Veränderungen in SFs epigenetisch geprägt sind. SFs waren durch eine erhöhte Chromatinzugänglichkeit an den Transkriptionsstartstellen von Genen gekennzeichnet, die mit Entzündung, Knochenumbau, Metabolismus, Komplementkomponenten und Nlrp3 in Verbindung stehen. Eine Behandlung mit einem Inhibitor von Bromodomain- und extraterminalen Proteinen, IBET-151, konnte diese epigenetischen Veränderungen rückgängig machen und das entzündliche Priming aufheben. Zudem konnten wir zeigen, dass die Zusammensetzung des Mikrobioms eine wichtige Rolle beim Gewebe-Priming spielt und dass die aus der Mikrobiota stammenden Metabolite ein wertvolles Instrument zur Behandlung von Krankheitssymptomen sein können.

DOI
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