Effect of the gut microbiota metabolite urolithin A on the inflammatory responses induced by LPS or X-irradiation in BMDMs

Abstract

Makrophagen sind die erste Verteidigungslinie bei der angeborenen Immunität und spielen eine entscheidende Rolle bei der Initiierung von übermäßigen Entzündungsreaktionen, die an der Pathogenese verschiedener (Auto-)Immunerkrankungen, wie entzündliche Darmerkrankungen, Rheumatoide Arthritis, aber auch Sepsis beteiligt sind. Diese Zellen exprimieren ein PRR-System, das verschiedene mikrobielle und gefährliche Substanzen erkennt. Urolithin A (UA) ist ein natürlicher polyphenolischer Metabolit, der aus Ellagsäure und Ellagitannine durch die Darmmikrobiota nach dem Verzehr von Früchten wie Granatäpfeln oder Erdbeeren erzeugt wird. Die vorliegende Studie wurde durchgeführt, um eine mögliche entzündungshemmende Wirkung von UA als Antioxidans und Strahlenschutzmittel gegen chronische Entzündungen durch Chemotherapie, Strahlentherapie und intestinale Mikrobiota-Dysfunktion zu bewerten. Darüber hinaus sollten die Einflüsse von UA auf TLR (TLR2 und TLR4) Signalwege in murinen BMDMs untersucht werden. Hierfür wurden zwei Modelle verwendet, um die Entzündungen zu untersuchen. Erstens bakterielles LPS (1μg/ml), da es viele entzündliche Wirkungen nachahmt und zweitens 6 Gy Röntgenstrahlungsexpositionen, bei denen die Becken- und abdominale Strahlentherapie die Darmbakterien schädigen und neben dem Verlust der Darmhomöostase die Anfälligkeit für gastrointestinale Toxizität erhöhen kann. Die Ergebnisse zeigen zum ersten Mal, dass ein nicht pathogenes Molekül, aber ein Darm-Mikrobiota-Metabolit die TLR2-Expression stimulieren und die Downstream-Signalkaskade in murinen BMDMs aktivieren kann. Insbesondere zeigte UA seine anti-oxidative und entzündungshemmende Fähigkeit durch die Hemmung des intrazellulären Kalziums und der zellulären und mitochondrialen ROS-Produktion sowie die Verringerung von DNA Schäden, welche durch LPS-Stimulation oder Röntgenbestrahlung in BMDMs induziert wurden. Interessanterweise waren die prophylaktische Anwendung sowie die niedrige UA-Dosis (25 μM) effizienter und zeigten bessere Wirkungen als die Behandlung nach Stimulation und eine hohe UA-Dosis (50 μM). Darüber hinaus zeigten die Analysen der TLR Downstream-Signalwege wie NF-κB (IκBα), MAPK (ERK, p38, JNK) und PI3K/AKT/mTOR, dass UA die Aktivierung von MAPK und PI3K, die durch LPS-Stimulation oder Röntgenbestrahlung aktiviert wurden, unterdrückte und die Phosphorylierung von NF-κB beeinträchtigte. UA alleine aktivierte die TLR2-Signalisierung über MAPK (ERK und p38) und PI3K (AKT und mTOR), jedoch nicht IκBα. Dementsprechend reduzierte UA, die durch LPS-Stimulation oder Röntgenbestrahlung induzierte, hohe mRNA Expression von pro-inflammatorischen Molekülen, wie Zytokine und andere Mediatoren (NOS2) sowie pro-inflammatorische miRNAs. Interessanterweise induzierte UA allein einen bemerkenswerten Anstieg von IFNγ, und eine leichte Erhöhung der TNFα, IL-10, TGFβ, und NOS2-Produktion. Zusammenfassend liefert die vorliegende Studie molekulare und biochemische Belege für die anti-entzündliche und anti-oxidative Aktivität von UA und macht es zu einem vielversprechenden Therapeutikum für chronisch entzündliche Erkrankungen sowie ein Strahlenschutzmittel gegen Strahlenkrankheit.