Publication: Cannabinoids and immunomodulation: novel therapeutic strategies targeting dendritic cells for inflammatory diseases
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Publication Date
2021-06-08
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Universidad Complutense de Madrid
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Abstract
Dendritic cells (DCs) are professional antigen presenting cells that play a key role in the orchestration of immune responses by linking innate and adaptive immunity. The main function of DCs is to capture antigens in the periphery and transport them to the closer lymph nodes. There, they present the processed antigens to naïve T cells, inducing T cell activation and polarization into different phenotypes depending on the antigen, the environmental cues, costimulatory signals and cytokines. Changes in the energetic metabolism of DCs are essential for the regulation of their functional properties. At this regard, several studies have reported the involvement of autophagy, an essential catabolic process, in the control of DC functions.
The endocannabinoid system (ECS) is a complex signalling network involved in many physiological processes such as neuronal development, brain plasticity, memory, cell survival, metabolism and immunity. The main components of the ECS include the endocannabinoid ligands, the cannabinoid receptors (CBRs) and the enzymes related to the ligand synthesis or degradation. Several studies showed that cannabinoid compounds display anti-inflammatory properties in different immune-mediated diseases. However, their potential capacity to regulate the orchestration of immune responses is not well understood, specifically in humans. Human DCs express all the components of the ECS. The ability of cannabinoids to immunomodulate the phenotype and function of DCs remain elusive. Considering all these aspects, the main objective of this Doctoral Thesis is to investigate the role and the underlying molecular mechanisms of synthetic cannabinoids in the control of human DC function and their potential implications in preclinical in vitro and in vivo models of immune-mediated diseases as potential novel strategies for the prevention and treatment of inflammatory disorders.
In this work, we have developed and validated a novel HU210-Alexa488 fluorescence probe to visualize and quantify CB1-expressing cells in peripheral blood and tonsils by flow cytometry and confocal microscopy. We have also demonstrated for the first time that the synthetic cannabinoid WIN55212-2 promotes the generation of tolerogenic DCs with the capacity to generate functional FOXP3+ regulatory T (Treg) cells by mechanisms depending on CB1- and PPARα-mediated autophagy induction. We have validated the potential relevance of our findings in different preclinical human and mouse models. The synthetic cannabinoid WIN55212-2 exhibits in vivo protective and anti-inflammatory effects in LPS-induced sepsis model by mechanisms that rely on autophagy induction via activation of CB1 and PPARα. In a mouse model of peanut food allergy, the administration of WIN55212-2 during peanut challenge protects peanut-allergic mice from the immediate anaphylactic reaction. Moreover, WIN55212-2 administration promotes the generation of allergen-specific FOXP3+ regulatory T cells during late-phase responses. Finally, we have demonstrated that WIN55212-2 repairs rhinovirus-induced airway epithelial disruption by restoring the integrity of tight junction proteins without affecting epithelial cell-mediated innate immune response.
In summary, in this Doctoral Thesis we uncover the previously unknown capacity of the synthetic cannabinoid WIN55212-2 to immunomodulate the phenotype and function of human DCs. We show for the first time the molecular mechanisms by which WIN55212-2 imprints tolerogenic features in human DCs, which include CB1- and PPARα-mediated autophagy induction and metabolic reprogramming. In addition, we have demonstrated the potential clinical applications of WIN55212-2 in different in vitro and in vivo preclinical human and mouse models such as sepsis, peanut allergy or rhinovirus-induced inflammation. The data presented in this Doctoral Thesis might well contribute to pave the way for the future development of novel cannabinoid-based strategies for the prevention and treatment of immune-mediated diseases.
Las células dendríticas (DCs) son células presentadoras de antígeno profesionales que tienen un papel clave en la inducción de las respuestas inmunes conectando el sistema inmune innato con el adaptativo. La principal función de las DCs es reconocer antígenos en la periferia y transportarlos a los órganos linfoides más próximos. Allí, las DCs presentan los antígenos procesados a las células T vírgenes, induciendo su activación y diferenciación hacia distintos fenotipos dependiendo del antígeno, de las señales encontradas en el ambiente, de las señales co-estimuladoras y de las citoquinas. Cambios en el metabolismo energético de las DCs son esenciales en la regulación de su activación y función. Varios estudios han demostrado la implicación de la autofagia, un proceso catabólico esencial para las células, en el control de la función de las DCs. El sistema endocannabinoide (ECS) es una red compleja de señalización implicada en varios procesos fisiológicos como desarrollo neuronal, plasticidad cerebral, memoria, supervivencia celular, metabolismo e inmunidad. Los principales componentes del ECS son los ligandos endocannabinoides, los receptores de cannabinoides (CBRs) y las enzimas implicadas en la síntesis y degradación de los ligandos. Varios estudios han mostrado que los compuestos cannabinoides presentan propiedades anti-inflamatorias en diferentes enfermedades mediadas por el sistema inmune. Sin embargo, su capacidad para regular las respuestas inmunes no se conoce completamente, especialmente en humanos. Las DCs humanas expresan todos los componentes del ECS. La habilidad de los cannabinoides de inmunomodular el fenotipo y la función de las DCs se desconoce. Teniendo en cuenta estos aspectos, el objetivo de esta Tesis Doctoral es investigar el papel de los cannabinoides sintéticos en la regulación de la función de las DCs humanas, los mecanismos subyacentes y sus posibles implicaciones en modelos preclínicos in vitro e in vivo de enfermedades mediadas por el sistema inmune como posibles nuevas estrategias terapéuticas para la prevención y tratamiento de trastornos inflamatorios. En este trabajo hemos desarrollado y validado la sonda fluorescente HU210-Alexa488 para visualizar y cuantificar células que expresan CB1 en sangre periférica y amígdalas mediante citometría de flujo y microscopía confocal. Además, hemos demostrado por primera vez que el cannabinoide sintético WIN55212-2 induce DCs tolerogénicas con capacidad de generar células T reguladoras FOXP3+ funcionales mediante mecanismos dependientes de la inducción de autofagia vía CB1 y PPARα. La posible relevancia clínica de nuestros resultados fue estudiada en diferentes modelos preclinicos humanos y múridos tanto in vivo como in vitro. El cannabinoide sintético WIN55212-2 ejerce efectos protectores y anti-inflamatorios in vivo en un modelo de sepsis inducida por LPS mediante mecanismos que dependen de la inducción de autofagia vía activación de CB1 y PPARα. En un modelo de alergia a cacahuete, la administración de WIN55212-2 durante la provocación con cacahuete protege a los ratones alérgicos de la reacción anafiláctica inmediata. Además, la administración de WIN55212-2 induce la generación de células T reguladoras FOXP3+ específicas de alérgeno en la fase efectora tardía. Finalmente, WIN55212-2 repara la alteración del epitelio de las vías respiratorias inducida por rinovirus restaurando la integridad de las proteínas de las uniones estrechas sin afectar a la respuesta inmune innata inducida por las células epiteliales. En resumen, en esta Tesis Doctoral demostramos la capacidad del cannabinoide sintético WIN55212-2 de inmunomodular el fenotipo y la función de las DCs humanas. Hemos demostrado por primera vez los mecanismos moleculares mediante los cuales WIN55212-2 induce propiedades tolerogénicas en DCs humanas, que incluyen la inducción de autofagia mediante la activación de CB1 y PPARα y reprogramación metabólica. Además, hemos demostrado potenciales aplicaciones clínicas de WIN55212-2 en diferentes modelos preclínicos humanos y de ratón como sepsis, alergia al cacahuete o inflamación inducida por rinovirus. Los resultados presentados en esta Tesis Doctoral podrían sentar las bases que contribuyan en el desarrollo de futuras estrategias basadas en cannabinoides para la prevención y el tratamiento de enfermedades mediadas por el sistema inmune.
Las células dendríticas (DCs) son células presentadoras de antígeno profesionales que tienen un papel clave en la inducción de las respuestas inmunes conectando el sistema inmune innato con el adaptativo. La principal función de las DCs es reconocer antígenos en la periferia y transportarlos a los órganos linfoides más próximos. Allí, las DCs presentan los antígenos procesados a las células T vírgenes, induciendo su activación y diferenciación hacia distintos fenotipos dependiendo del antígeno, de las señales encontradas en el ambiente, de las señales co-estimuladoras y de las citoquinas. Cambios en el metabolismo energético de las DCs son esenciales en la regulación de su activación y función. Varios estudios han demostrado la implicación de la autofagia, un proceso catabólico esencial para las células, en el control de la función de las DCs. El sistema endocannabinoide (ECS) es una red compleja de señalización implicada en varios procesos fisiológicos como desarrollo neuronal, plasticidad cerebral, memoria, supervivencia celular, metabolismo e inmunidad. Los principales componentes del ECS son los ligandos endocannabinoides, los receptores de cannabinoides (CBRs) y las enzimas implicadas en la síntesis y degradación de los ligandos. Varios estudios han mostrado que los compuestos cannabinoides presentan propiedades anti-inflamatorias en diferentes enfermedades mediadas por el sistema inmune. Sin embargo, su capacidad para regular las respuestas inmunes no se conoce completamente, especialmente en humanos. Las DCs humanas expresan todos los componentes del ECS. La habilidad de los cannabinoides de inmunomodular el fenotipo y la función de las DCs se desconoce. Teniendo en cuenta estos aspectos, el objetivo de esta Tesis Doctoral es investigar el papel de los cannabinoides sintéticos en la regulación de la función de las DCs humanas, los mecanismos subyacentes y sus posibles implicaciones en modelos preclínicos in vitro e in vivo de enfermedades mediadas por el sistema inmune como posibles nuevas estrategias terapéuticas para la prevención y tratamiento de trastornos inflamatorios. En este trabajo hemos desarrollado y validado la sonda fluorescente HU210-Alexa488 para visualizar y cuantificar células que expresan CB1 en sangre periférica y amígdalas mediante citometría de flujo y microscopía confocal. Además, hemos demostrado por primera vez que el cannabinoide sintético WIN55212-2 induce DCs tolerogénicas con capacidad de generar células T reguladoras FOXP3+ funcionales mediante mecanismos dependientes de la inducción de autofagia vía CB1 y PPARα. La posible relevancia clínica de nuestros resultados fue estudiada en diferentes modelos preclinicos humanos y múridos tanto in vivo como in vitro. El cannabinoide sintético WIN55212-2 ejerce efectos protectores y anti-inflamatorios in vivo en un modelo de sepsis inducida por LPS mediante mecanismos que dependen de la inducción de autofagia vía activación de CB1 y PPARα. En un modelo de alergia a cacahuete, la administración de WIN55212-2 durante la provocación con cacahuete protege a los ratones alérgicos de la reacción anafiláctica inmediata. Además, la administración de WIN55212-2 induce la generación de células T reguladoras FOXP3+ específicas de alérgeno en la fase efectora tardía. Finalmente, WIN55212-2 repara la alteración del epitelio de las vías respiratorias inducida por rinovirus restaurando la integridad de las proteínas de las uniones estrechas sin afectar a la respuesta inmune innata inducida por las células epiteliales. En resumen, en esta Tesis Doctoral demostramos la capacidad del cannabinoide sintético WIN55212-2 de inmunomodular el fenotipo y la función de las DCs humanas. Hemos demostrado por primera vez los mecanismos moleculares mediante los cuales WIN55212-2 induce propiedades tolerogénicas en DCs humanas, que incluyen la inducción de autofagia mediante la activación de CB1 y PPARα y reprogramación metabólica. Además, hemos demostrado potenciales aplicaciones clínicas de WIN55212-2 en diferentes modelos preclínicos humanos y de ratón como sepsis, alergia al cacahuete o inflamación inducida por rinovirus. Los resultados presentados en esta Tesis Doctoral podrían sentar las bases que contribuyan en el desarrollo de futuras estrategias basadas en cannabinoides para la prevención y el tratamiento de enfermedades mediadas por el sistema inmune.
Description
Tesis inédita de la Universidad Complutense de Madrid, Facultad de Ciencias Químicas, Departamento de Bioquímica y Biología Molecular, leída el 21/01/2021