Mechanismen der Aktivierung des NLRP3 Inflammasoms bei chronischer Nierenerkrankung und kardiovaskulären Erkrankungen

Abstract

Eine sterile Inflammation spielt eine wichtige Rolle bei der Entstehung und Progression einer chronischen Nierenerkrankung als auch bei kardiovaskulären Erkrankungen. In Vorarbeiten konnte unsere Arbeitsgruppe zeigen, dass die Lipoproteine HDL und LDL auf unterschiedliche Weise das angeborene Immunsystem wie beispielsweise Toll-like Rezeptor-2 (TLR2) aktivieren und so eine systemische Inflammation induzieren. Das NLRP3 Inflammasom stellt einen weiteren wichtigen Bestandteil des angeborenen Immunsystems dar, welcher pro-IL-1 in dessen aktive Form prozessiert. Ziel dieser Arbeit war es zu untersuchen, welche Rolle die verschiedenen Lipoproteinklassen bei der Aktivierung des NLRP3 Inflammasoms spielen. In humanen Monozyten führte VLDL aber nicht HDL oder LDL zur Freisetzung von IL-1. Wir konnten nachweisen, dass die Hauptproteinkomponente in VLDL Apolipoprotein C3 hierfür verantwortlich ist. ApoC3 führt auf der Oberfläche humaner Monozyten zur Heterotrimerisierung von TLR2 und TLR4 zusammen mit dem Adapterprotein SCIMP. Dies aktiviert die Kinase Syk, führt zum Calcium-Einstrom in die Zelle über den TRPM2 Kanal und induziert die NADPH Oxidase-abhängige Produktion reaktiver Sauerstoffspezies (ROS). Diese aktivieren Caspase-8, was zur Zusammenlagerung des NLRP3 Inflammasomkomplexes aus seinen Komponenten NLRP3, ASC und Caspase-1 führt. Das aktive NLRP3 Inflammasom prozessiert in der Folge pro- IL-1 in matures IL-1, welches von den Monozyten sezerniert wird und eine systemische proinflammatorische Antwort auslöst. Wir konnten nachweisen, dass dieser Signalweg der alternativen NLRP3 Aktivierung auf das humane System beschränkt ist. Zur Überprüfung der pathophysiologischen Relevanz dieser experimentellen Befunde wurden humanisierte Mäuse generiert. D.h. in immuninkompentente NOD-SCID Mäuse wurden humane CD14+ Monozyten transplantiert. Im murinen Carotis-Schädigungsmodell führte die Injektion von ApoC3 in die humanisierten Mäuse zu einer deutlichen Hemmung der endothelialen Regeneration. Nach unilateraler Ureterligatur förderte ApoC3 die renale Schädigung. ApoC3 Plasmakonzentrationen sind bei Patienten mit chronischer Nierenerkrankung als auch bei Patienten nach akutem Myocardinfarkt im Vergleich zu gesunden Probanden signifikant erhöht und auch mit einer höheren Mortalität assoziiert. Somit konnte in dieser Arbeit erstmals gezeigt werden, dass Triglycerid-reiche Lipoproteine via ApoC3 das NLRP3 Inflammasom aktivieren. Gleichzeitig konnte die alternative NLRP3 Aktivierung als ein pathophysiologisch relevanter Signalweg aufgeklärt werden. Diese Ergebnisse liefern somit wichtige Erkenntnisse über die Regulation des NLRP3 Inflammasoms generell als auch über die Mechanismen einer kardiorenalen Schädigung. ApoC3 und das NLRP3 Inflammasom stellen somit ein neues therapeutisches Target dar.

Sterile inflammation represents a hallmark in the initiation and progression of chronic kidney disease as well as cardoiovascular diseases. In our previous, our group could show that the lipoproteins HDL and LDL activate the innate immune system via several distinct pathways such as toll-like receptor-2 (TLR2), which leads to systemic inflammation. The NLRP3 inflammasome represents another important component of the innate immune system by processing pro-IL-1 into its biologically active form. The aim of the present thesis was to assess the effects of the different lipoprotein classes on the activation of the NLRP3 inflammasome. In human monocytes, VLDL but not HDL or LDL induced the release of IL-1. We found that the major protein constituent of VLDL ApoC3 was responsible for this effect. On the surface of human monocytes, ApoC3 triggers hetertrimerization of TLR2, TLR4, together with the adapter protein SCIMP. This activates Syk kinase, leading to calcium influx via TRPM2, which induces NADPH oxidase-dependent production of reactive oxygen species (ROS). ROS activate caspase-8, which facilitates the assembly of the functional NLRP3 inflammasome complex from its components NLRP3, ASC, and caspase-1. The active NLRP3 inflammasome then processes pro-IL-1 into mature IL-1, which is released from human monocytes and triggers a systemic pro-inflammatory response. We found that this pathway of alterative NLRP3 activation is restricted the human system. To prove the pathophysiological relevance of these experimental findings, humanized mice were generated. Therefore, immune incompetent NOD-SCID mice were transplanted with human CD14+ monocytes. In the murine carotid injury model in humanized mice, injection of ApoC3 substantially suppressed endothelial regeneration. After unilateral ureter ligation, ApoC3 promoted kidney injury. ApoC3 plasma levels were significantly higher in patients after acute myocardial infarction or chronic kidney disease as compared to healthy control subjects. Moreover, higher ApoC3 plasma concentrations were associated with higher mortality during follow-up. In summary, this work provides first evidence that triglyceride-rich lipoproteins via ApoC3 activate the NLRP3 inflammasome. Moreover, we could describe alternative NLRP3 activation as a pathophysiologically relevant pathway. These results provide novel insights in the regulation of NLRP3 inflammasome in general as well as in the mechanisms of cardiorenal injury. Therefore, ApoC3 and the NLRP3 inflammasome represent a novel therapeutic target.