Characteristics of the proinflammatory response of monocytes/macrophages in patients with metabolic syndrome, exemplified by the production of IL-6 and MCP-1

V. V. Malashchenko; Малащенко В. В.; O. G. Khaziakhmatova; Хазиахматова О. Г.; K. A. Yurova; Юрова К. А.; N. M. Todosenko; Тодосенко Н. М.; M. M. Bograya; Бограя М. М.; N. D. Gazatova; Газатова Н. Д.; O. B. Melashchenko; Мелащенко О. Б.; M. A. Beletskaya; Белецкая М. А.; L. S. Litvinova; Литвинова Л. С.

doi:10.46235/1028-7221-16912-COT

Characteristics of the proinflammatory response of monocytes/macrophages in patients with metabolic syndrome, exemplified by the production of IL-6 and MCP-1

Authors: Malashchenko V.V.¹, Khaziakhmatova O.G.¹, Yurova K.A.¹, Todosenko N.M.¹, Bograya M.M.¹, Gazatova N.D.¹, Melashchenko O.B.¹, Beletskaya M.A.¹, Litvinova L.S.¹
Affiliations:
1. Immanuel Kant Baltic Federal University
Issue: Vol 27, No 4 (2024)
Pages: 877-882
Section: SHORT COMMUNICATIONS
Submitted: 03.04.2024
Accepted: 04.04.2024
Published: 25.10.2024
URL: https://rusimmun.ru/jour/article/view/16912
DOI: https://doi.org/10.46235/1028-7221-16912-COT
ID: 16912

Cite item

Full Text

Abstract
Full Text
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

Metabolic syndrome (MS) is one of the most common socially significant diseases. Around 1.9 billion people suffer from this disease, which places an enormous burden on healthcare systems around the world. This is particularly true in connection with concomitant diseases. With the progression of MS, disorders in the function of the immune system occur in the body, including those associated with mitochondrial dysfunction, leading to the development of chronic inflammation. In particular, there is an increase in the number of circulating monocytes actively recruited to inflamed adipose tissue, where there is non-specific proinflammatory activation of innate immune cells, which adopt an M1-like phenotype and become less sensitive to anti-inflammatory stimuli. This ultimately leads to a decrease in the functional activity of monocytes/macrophages and their immunoplasticity. The subject of the study was the venous blood of patients and the CD14⁺ monocytes/macrophages obtained from it by immunomagnetic separation. In our work, we focused on the search for significant relationships between markers of chronic inflammation and the formation of immune tolerance of monocytes/macrophages in patients with metabolic syndrome. Biochemical parameters, basal and LPS-stimulated production of proinflammatory cytokines (IL-6 and MCP-1) were investigated by culture of monocytes/macrophages in patients with metabolic syndrome. The evaluation of biochemical parameters in blood samples from MS patients and healthy donors revealed that the levels of ALAT, AST, GGT, alkaline phosphatase, uric acid, C-reactive protein, glucose and insulin were significantly higher in MS patients than in healthy donors. The levels of P-amylase and high-density lipoprotein were significantly lower than in the control group.

Within the experimental model, repeated stimulation showed a decrease in cytokine production in response to LPS compared to the first stimulation on day 7. It was also found that the response to the primary stimulus was higher in cells from patients with a body mass index (BMI) > 40 kg/m², which could indirectly indicate the presence of a phenotype associated with chronic inflammation and consequently with reduced plasticity of the monocyte/macrophage immune response.

Keywords

metabolic syndrome, IL-6, MCP-1, monocytes, macrophages, body mass index

Full Text

Данное исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 23-15-00061).

Введение

Метаболический синдром (МС) является одним из ведущих социально значимых заболеваний. Около четверти населения планеты страдают от нарушений метаболического спектра [1]. Прогрессирование МС приводит к развитию сахарного диабета 2-го типа (СД 2-го типа), сердечно-сосудистых заболеваний, печеночной и почечной дисфункции, ретинопатии, снижению когнитивных функций, развитию инфекционных и онкологических заболеваний [4]. Эти факторы значительно снижают уровень жизни пациентов, способствуя их инвалидизации. Существует тесная связь между ожирением, диабетом и компонентами врожденного иммунитета, в частности моноцит/макрофагами [2]. Метаболическая дисрегуляция, включающая метаболизм липидов и глюкозы, может привести к неспецифической провоспалительной активации моноцитов и макрофагов; при этом макрофагальные клетки приобретают фенотип, близкий к М1-поляризованным макрофагам, начинают активно продуцировать широкий спектр провоспалительных цитокинов [3, 5, 6]. В рамках исследования мы сосредоточились на поиске значимых взаимосвязей между маркерами хронического воспаления и формированием иммунной толерантности моноцитов/макрофагов у больных МС.

Материалы и методы

В исследование были включены пациенты с МС, прошедшие обследование и верификацию диагноза в областной клинической больнице г. Калининград, а также в клинико-диагностическом центре БФУ им. И. Канта. Ко всем лицам, принявшим участие в исследовании, были применены следующие критерии включения: возраст от 18 до 65 лет; верифицированный в условиях стационара диагноз ожирение (ИМТ > 30 кг/ м²); верифицированный в условиях стационара диагноз СД 2-го типа; обязательное подписание информированного согласия на участие в исследовании и использование биологического материала в целях исследования.

Объектом исследования являлась венозная кровь пациентов, а также полученные из нее методом иммуномагнитной сепарации CD14⁺ моноцит/макрофаги.

Согласно задачам исследования, было проведено формирование групп и комплексный анализ больных МС, включающий в себя сбор анамнеза и антропометрических характеристик. Было сформировано 3 группы: группа пациентов с МС и ИМТ выше 40 кг/м² (n = 24), группа пациентов с МС и ИМТ в пределах 30-40 кг/ м² (n = 56) и группа здоровых доноров с ИМТ до 30 кг/ м² (n = 28). Для каждой группы исследования был проведен биохимический анализ крови, определен уровень инсулина и индекс инсулинорезистентности (HOMA-IR).

Для оценки базальной и стимулированной продукции провоспалительных цитокинов моноцитами/макрофагами была разработана экспериментальная модель, включающая следующие контрольные точки: базальная секреция через 24 ч инкубации; ЛПС-стимулированная секреция через 24 ч инкубации; базальная секреция на 7-е сутки культивирования; повторно стимулированная секреция на 7-е сутки культивирования; первично стимулированная секреция на 7-е сутки культивирования. Жизнеспособность культур CD14⁺ моноцит/макрофагов, полученных из цельной крови методом иммуномагнитной сепарации, составляла не менее 95%.

В полученных образцах (супернатантах клеточных культур) методом иммуноферментного анализа проводили оценку уровней провоспалительных цитокинов IL-6 и MCP-1.

Результаты и обсуждение

Оценка биохимических показателей в образцах крови пациентов с МС и у здоровых доноров позволила выявить, что уровни АЛАТ, АСАТ и ГГТ у пациентов с МС были значимо выше, чем у здоровых доноров, но при этом находились в пределах верхней границы нормы. Для группы с ИМТ > 40 кг/м² они составляли 28,40 (22,28-57,45), 22,65 (19,50-32,30) и 29,60 (23,83-39,08) Ед/л. Для группы с ИМТ 30-40 кг/м² – 22,00 (15,10-35,33), 21,15 (17,53-25,93) и 20,50 (15,25-39,20) Ед/л. В контрольной группе эти показатели были равны 11,25 (8,20-14,65), 16,80 (16,00-20,53) и 13,40 (11,35-16,63) Ед/л соответственно.

Уровни общего, прямого и непрямого билирубина также находились в пределах нормы и значимо не отличались у больных МС и у здоровых доноров.

Уровень щелочной фосфатазы у пациентов с МС был выше нормы. При этом он статистически значимо различался как между группами исследования, так и от контрольной группы и составлял: 196,00 (186,00-213,00), 164,00 (149,50-208,00) и 130,00 (108,50-165,75) Ед/л для групп с ИМТ > 40 кг/м², ИМТ 30-40 кг/м² и контрольной группы соответственно. Уровни мочевины и общего белка варьировали в пределах нормы и значимо не различались между группами, хотя наблюдалась тенденция к повышению этих показателей у больных МС. В то же время уровни мочевой кислоты у лиц с ИМТ > 40 кг/м² значимо отличались от контрольной группы, превышали норму и составляли 413,85 (311,98-476,93) ммоль/л. В группе с ИМТ 30-40 кг/м² и контрольной группе эти показатели были равны 328,90 (270,08-385,33) и 260,10 (218,50-290,38) ммоль/л соответственно.

Уровни П-амилазы у пациентов с ИМТ > 40 кг/ м² были значимо ниже, чем в контрольной группе, и составляли 8,95 (6,28-12,73) Ед/л. В группе с ИМТ 30-40 кг/м² и контрольной группе эти показатели значимо не различались и были равны 12,40 (8,40-18,80) и 15,85 (12,33-22,20) Ед/л соответственно.

Уровень С-реактивного белка значимо различался между всеми группами и был выше нормы в обеих группах больных МС, составляя 7,13 (5,26-10,45), 3,75 (1,75-6,46) и 0,32 (0,15-1,22) мг/л для групп с ИМТ > 40 кг/м², ИМТ 30-40 кг/м² и контрольной группы, соответственно.

Интересно отметить, что уровень холестерина во всех группах исследования, включая контроль, не отличался и при этом находился в пределах нормы. Уровень триглицеридов в группах исследования был повышен, но находился в пределах нормы и значимо отличался от показателей контрольной группы. Для групп с ИМТ > 40 кг/м², ИМТ 30-40 кг/м² и контрольной группы его уровни составляли 1,81 (1,24-2,15), 1,31 (0,92-1,69) и 0,63 (0,60-0,89) ммоль/л соответственно. Липопротеины высокой плотности были снижены, особенно в группе с ИМТ > 40 кг/м², составляя 1,22 (1,02-1,47), 1,46 (1,27-1,60) и 1,84 (1,60-2,05) ммоль/л для групп с ИМТ > 40 кг/м², ИМТ 30-40 кг/м² и контрольной группы соответственно.

Содержание липопротеинов низкой плотности в основном варьировало в пределах нормы и значимо не различалось между группами. Значения индекса атерогенности во всех группах находились в пределах нормы, но статистически значимо отличались от показателей контрольной группы и составляли 2,96 (2,44-3,72), 2,72 (2,02-3,35) и 1,98 (1,47-2,41).

Уровень железа находился в пределах нормы, но значимо различался между группами с ИМТ > 40 кг/м² и контролем. У пациентов с МС он был ближе к нижней границе нормы и составлял 12,00 (9,25-15,15), 15,30 (12,05-17,80) и 17,05 (14,75-20,45) нмоль/л для групп с ИМТ > 40 кг/ м², ИМТ 30-40 кг/м² и контрольной группы соответственно.

Уровни глюкозы и инсулина были повышены у больных МС в сравнении с контрольными значениями составляя 5,38 (4,84-5,99, 5,01 (4,68-5,33) и 4,41 (4,19-4,62) ммоль/л для групп с ИМТ > 40 кг/м², ИМТ 30-40 кг/м² и контрольной группы, соответственно. Индекс инсулинорезистентности (HOMA-IR) был повышен у больных МС, однако его значения варьировали в пределах референсных.

На следующем этапе мы оценили in vitro реакцию CD14⁺ моноцит/макрофагов, полученных от больных МС, на провоспалительный стимул.

Данные по продукции IL-6 представлены в таблице 1.

ТАБЛИЦА 1. УРОВЕНЬ ПРОДУКЦИИ IL-6 МОНОЦИТ/МАКРОФАГАМИ, ПОЛУЧЕННЫМИ У БОЛЬНЫХ МС, В ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ МОДЕЛИ IN VITRO, Me (Q_0,25-Q_0,75)

TABLE 1. LEVEL OF IL-6 PRODUCTION BY MONOCYTES/MACROPHAGES FROM MS PATIENTS IN AN EXPERIMENTAL IN VITRO MODEL, Me (Q_0.25-Q_0.75)

Контрольные точки оценки продукции IL-6

IL-6 product evaluation points

Группа исследования (ИМТ > 40)

Study group (BMI > 40)

Группа исследования (ИМТ 30-40)

Study group (BMI 30-40)

Контрольная группа

Control group

Базальная секреция через 24 ч инкубации (пг/мл)

Basal secretion after 24 hours of incubation (pg/mL)

91,59*

(19,93-194,88)

43,28*

(21,15-186,84)

419,45

(52,27-2301,97)

ЛПС-стимулированная секреция через 24 ч инкубации (пг/мл)

LPS-stimulated secretion after 24 hours of incubation (pg/mL)

44218,00*

(21797,90-70000,00)

31167,50*

(18127,70-56170,05)

14881,60

(10658,00-20723,95)

Базальная секреция на 7-е сутки культивирования (пг/мл)

Basal secretion on the 7^th day of cultivation (pg/mL)

5,78

(0,82-11,43)

12,18

(0,00-22,96)

9,49

(0,61-16,59)

Повторно стимулированная секреция на 7-е сутки культивирования (пг/мл)

Re-stimulated secretion on the 7^th day of cultivation (pg/mL)

12,02

(7,72-18,86)

18,28

(0,00-26,36)

8,74

(0,00-13,44)

Первично стимулированная секреция на 7-е сутки культивирования (пг/мл)

Primary stimulated secretion on the 7^th day of cultivation (pg/mL)

88,21* **

(14,12-320,22)

23,15

(11,28-53,39)

15,75*

(0,00-20,23)

Примечание. * – p < 0,05 по сравнению с контрольной группой; ** – p < 0,05 между группами исследования.

Note. *, p < 0.05 compared to the control group; **, p < 0.05 between study groups.

Для групп с ИМТ > 40 кг/м² и ИМТ 30-40 кг/ м², наблюдали схожие уровни продукции IL-6, за исключением первично ЛПС-стимулированной продукции на 7-е сутки.

Важно отметить, что продукция IL-6 на 7-е сутки в случае первичной стимуляции была значимо выше, чем при повторной, и наиболее выражена в группе с ИМТ > 40 кг/м², в то время как в контроле значимой разницы выявлено не было.

Это может указывать на чувствительность моноцит/макрофагов у больных МС к провоспалительным стимулам и, как следствие, способность поддерживать хроническое воспаление.

Данные по продукции MCP-1 представлены в таблице 2.

ТАБЛИЦА 2. УРОВЕНЬ ПРОДУКЦИИ MCP-1 МОНОЦИТ/МАКРОФАГАМИ, ПОЛУЧЕННЫМИ У БОЛЬНЫХ МС, В ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ МОДЕЛИ IN VITRO, Me (Q_0,25-Q_0,75)

TABLE 2. LEVEL OF MCP-1 PRODUCTION BY MONOCYTES/MACROPHAGES FROM MS PATIENTS IN AN EXPERIMENTAL IN VITRO MODEL, Me (Q_0.25-Q_0.75)

Контрольные точки оценки продукции MCP-1

MCP-1 product evaluation points

Группа исследования (ИМТ > 40)

Study group (BMI > 40)

Группа исследования (ИМТ 30-40)

Study group (BMI 30-40)

Контрольная группа

Control group

Базальная секреция через 24 ч инкубации (пг/мл)

Basal secretion after 24 hours of incubation (pg/mL)

687,61*

(445,54-1125,16)

1981,70*

(606,54-12152,88)

11082,83

(2823,95-25000,00)

ЛПС-стимулированная секреция через 24 ч инкубации (пг/мл)

LPS-stimulated secretion after 24 hours of incubation (pg/mL)

49893,10*

(29594,85-59859,10)

34156,70*

(20518,05-65239,95)

19790,30

(14862,70-34657,05)

Базальная секреция на 7-е сутки культивирования (пг/мл)

Basal secretion on the 7^th day of cultivation (pg/mL)

292,17

(93,34-418,61)

394,17

(336,16-434,76)

377,31

(312,09-424,60)

Повторно стимулированная секреция на 7-е сутки культивирования (пг/мл)

Re-stimulated secretion on the 7^th day of cultivation (pg/mL)

414,70

(330,45-439,12)

474,20

(421,54-610,10)

406,79

(353,70-491,56)

Первично стимулированная секреция на 7-е сутки культивирования (пг/мл)

Primary stimulated secretion on the 7^th day of cultivation (pg/mL)

456,74*

(413,25-719,68)

471,32*

(355,06-1746,58)

397,30

(329,71-461,92)

Примечание. * – p < 0,05 по сравнению с контрольной группой.

Note. *, p < 0,05 compared to the control group.

MCP-1 демонстрировал картину, схожую с IL- 6: отличия между первичной и повторной стимуляцией значимо различались только в группе с ИМТ > 40 кг/м².

В целом соотношение показателей продукции IL-6 и MCP-1 может указывать на чувствительность моноцит/макрофагов у больных МС к провоспалительным стимулам, и, как следствие, способность поддерживать хроническое воспаление.

Корреляционный анализ позволил выявить несколько взаимосвязанных кластеров, среди которых ожидаемо были кластеры, содержащие индекс инсулинорезистентности и инсулин; АЛАТ, АСАТ, мочевая кислота, индекс атерогенности; ЛПВП, ЛПНП, триглицериды и холестерин; билирубин и креатинин. Из них наибольший интерес представляла сильная корреляция между продукцией IL-6 и MCP-1 при повторной стимуляции ЛПС на 7-е сутки культивирования (r = 0,83, p < 0,0001) у пациентов с ИМТ > 40 кг/ м². В то же время у лиц с ИМТ 30- 40 кг/ м² аналогичная взаимосвязь была показана при первичной стимуляции на 7-е сутки (r = 0,82, p < 0,0001). В контрольной группе выявлены обе взаимосвязи, но они менее выражены (r = 0,4, p < 0,05) (r = 0,47, p < 0,01).

Заключение

Таким образом, на фоне МС наблюдается формирование провоспалительного микроокружения, что, с одной стороны, приводит к снижению функциональной активности моноцит/макрофагов. В этих условиях повторная стимуляция ЛПС приводит к менее выраженному ответу посредством продукции провоспалительных цитокинов (IL-6, и MCP-1), чем первичная. С другой стороны, чувствительность к провоспалительным стимулам при длительном культивировании сохраняется только у клеток, полученных от больных МС ИМТ > 40 кг/м², что может свидетельствовать о наличии фенотипа у этой категории лиц, ассоциированного с хроническим воспалением и, как следствие, о снижении пластичности моноцит/макрофаг-опосредованного иммунного ответа.

Публикация размещена при участии Балтийского федерального университета им. И. Канта.