Macrophages are resident immune cells that play a key role in host defense against pathogenic infections and in inflammatory responses and in physiological tissue remodelling. They are able to respond to a variety of microenvironmental stimuli, adopting different activation states depending on the activating signal and context, in order to eliminate the pathogen and restore homeostasis. Humans show strong sex differences in immunity to infection and autoimmunity, suggesting that sex hormones modulate immune responses. Indeed, estrogens regulate cells and pathways of the innate and adaptive immune systems, as well as immune cell development. Previous studies showed that 17β-estradiol (E2) is able to modulate the reactivity of macrophages during inflammation, down-regulating the expression of inflammatory genes. However, a full comprehension of the molecular details by which estrogens modulate macrophage activity is still unclear. To fill this gap we performed a transcriptomic analysis followed by biological assays of peritoneal macrophages isolated from female mice both with different endogenous estrogen levels and following short and long term estrogen administrations. The bioinformatic data suggested that E2 modulates important biological processes in macrophage physiology; among these, proliferation and the induction of an anti-inflammatory and pro-resolution phenotype emerged as mostly significant. We thus confirmed this evidence by proving, through gene expression, FACS analyses and BrdU incorporation studies, that the proliferative index and macrophage cell number are induced by the estrogen surge. Furthermore, we demonstrated that hormone administration induces a dynamic activation process that evolves towards a pro-resolving phenotype through the synthesis of IL10. Moreover, we observed that this activity is also maintained during peritoneal inflammation. By investigating the effects of E2 on microglia, a different macrophage population, my data highlighted the diversity in the E2 response of macrophages that reside in different tissues and the influence of the microenvironment on the hormone responsiveness and provided a list of E2 target genes that can be used as biomarkers for pharmacological and translational studies. Altogether, these results deepen our understanding of the endocrine-immune interactions and allow future studies on their relevance for the pathogenesis and development of therapeutic strategies of inflammatory pathological conditions.

I macrofagi sono cellule immunitarie che risiedono in quasi tutti i tessuti dell’organismo e svolgono un ruolo chiave nella difesa dell'organismo contro le infezioni dovute a patogeni e nelle risposte infiammatorie e un’importante funzione nel rimodellamento tissutale fisiologico. Essi sono in grado di rispondere ad una varietà di stimoli microambientali, adottando diversi stati di attivazione a seconda del contesto e del segnale di attivazione, con il fine di eliminare l’agente patogeno e ripristinare l’omeostasi. L’uomo mostra forti differenze legate al sesso nella risposta immunitaria alle infezioni e nell’autoimmunità, suggerendo che gli ormoni sessuali svolgono un importante ruolo nel modulare la risposta immunitaria. In effetti, gli estrogeni regolano diversi pathways del sistema immunitario innato e adattativo, nonché lo sviluppo delle cellule immunitarie. Studi precedenti hanno dimostrato che il 17β-estradiolo (E2) è in grado di modulare la reattività dei macrofagi durante l'infiammazione, down-regolando l'espressione di geni infiammatori. Tuttavia, non sono ancora del tutto chiari i dettagli molecolari attraverso cui gli estrogeni esercitano la loro attività anti-infiammatoria. Al fine di colmare questa lacuna, abbiamo effettuato un’analisi di trascrittomica, seguita da saggi biologici, dei macrofagi peritoneali isolati da topi femmina, sia in seguito a diversi livelli di estrogeni endogeni, sia in seguito a trattamento con estrogeni per breve e lungo termine. L’analisi dei dati bioinformatici ha mostrato che E2 modula importanti processi biologici coinvolti nella fisiologia dei macrofagi; tra questi emergono come più significativi la proliferazione e l'induzione di un fenotipo anti-infiammatorio e pro-risolutivo. Abbiamo quindi confermato questi dati dimostrando, attraverso l'analisi di espressione genica, l’analisi citofluorimetrica e l’incorporazione di BrdU, che l'indice di proliferazione e il numero di macrofagi residenti aumentano in seguito ad un incremento dei livelli di estrogeno. Inoltre, abbiamo dimostrato che il trattamento con estrogeno induce nei macrofagi un processo di attivazione dinamico che evolve verso un fenotipo pro-risolutivo attraverso la sintesi di IL10. Inoltre questa azione dell’ormone sui macrofagi è mantenuta anche durante il corso di un’infiammazione peritoneale. Al fine di estendere le nostre osservazioni ad una diversa popolazione di macrofagi, abbiamo analizzato la risposta della microglia al trattamento con estrogeni mediante l'analisi di espressione genica. I risultati hanno evidenziato la diversità nella risposta a E2 dei macrofagi che risiedono nei diversi tessuti e l’influenza del microambiente sulla reattività dei macrofagi a E2, inoltre, forniscono un elenco di geni bersagli dell’estrogeno che possono essere utilizzati come biomarcatori per studi farmacologici e traslazionali. Complessivamente, questi risultati approfondiscono la nostra conoscenza sulle interazioni del sistema endocrino-immunitario e permettono studi futuri sulla loro rilevanza nella patogenesi e lo sviluppo di strategie terapeutiche di condizioni patologiche infiammatorie.

THE PHYSIOLOGICAL RESPONSE OF RESIDENT MACROPHAGES TO THE ESTROGEN SURGE / G.l. Pepe ; tutor: E. Vegeto ; coordinatore: A. Corsini. - : . DIPARTIMENTO DI SCIENZE FARMACOLOGICHE E BIOMOLECOLARI, 2017 Jan 26. ((29. ciclo, Anno Accademico 2016. [10.13130/g-l-pepe_phd2017-01-26].

THE PHYSIOLOGICAL RESPONSE OF RESIDENT MACROPHAGES TO THE ESTROGEN SURGE

G.L. Pepe
2017-01-26

Abstract

I macrofagi sono cellule immunitarie che risiedono in quasi tutti i tessuti dell’organismo e svolgono un ruolo chiave nella difesa dell'organismo contro le infezioni dovute a patogeni e nelle risposte infiammatorie e un’importante funzione nel rimodellamento tissutale fisiologico. Essi sono in grado di rispondere ad una varietà di stimoli microambientali, adottando diversi stati di attivazione a seconda del contesto e del segnale di attivazione, con il fine di eliminare l’agente patogeno e ripristinare l’omeostasi. L’uomo mostra forti differenze legate al sesso nella risposta immunitaria alle infezioni e nell’autoimmunità, suggerendo che gli ormoni sessuali svolgono un importante ruolo nel modulare la risposta immunitaria. In effetti, gli estrogeni regolano diversi pathways del sistema immunitario innato e adattativo, nonché lo sviluppo delle cellule immunitarie. Studi precedenti hanno dimostrato che il 17β-estradiolo (E2) è in grado di modulare la reattività dei macrofagi durante l'infiammazione, down-regolando l'espressione di geni infiammatori. Tuttavia, non sono ancora del tutto chiari i dettagli molecolari attraverso cui gli estrogeni esercitano la loro attività anti-infiammatoria. Al fine di colmare questa lacuna, abbiamo effettuato un’analisi di trascrittomica, seguita da saggi biologici, dei macrofagi peritoneali isolati da topi femmina, sia in seguito a diversi livelli di estrogeni endogeni, sia in seguito a trattamento con estrogeni per breve e lungo termine. L’analisi dei dati bioinformatici ha mostrato che E2 modula importanti processi biologici coinvolti nella fisiologia dei macrofagi; tra questi emergono come più significativi la proliferazione e l'induzione di un fenotipo anti-infiammatorio e pro-risolutivo. Abbiamo quindi confermato questi dati dimostrando, attraverso l'analisi di espressione genica, l’analisi citofluorimetrica e l’incorporazione di BrdU, che l'indice di proliferazione e il numero di macrofagi residenti aumentano in seguito ad un incremento dei livelli di estrogeno. Inoltre, abbiamo dimostrato che il trattamento con estrogeno induce nei macrofagi un processo di attivazione dinamico che evolve verso un fenotipo pro-risolutivo attraverso la sintesi di IL10. Inoltre questa azione dell’ormone sui macrofagi è mantenuta anche durante il corso di un’infiammazione peritoneale. Al fine di estendere le nostre osservazioni ad una diversa popolazione di macrofagi, abbiamo analizzato la risposta della microglia al trattamento con estrogeni mediante l'analisi di espressione genica. I risultati hanno evidenziato la diversità nella risposta a E2 dei macrofagi che risiedono nei diversi tessuti e l’influenza del microambiente sulla reattività dei macrofagi a E2, inoltre, forniscono un elenco di geni bersagli dell’estrogeno che possono essere utilizzati come biomarcatori per studi farmacologici e traslazionali. Complessivamente, questi risultati approfondiscono la nostra conoscenza sulle interazioni del sistema endocrino-immunitario e permettono studi futuri sulla loro rilevanza nella patogenesi e lo sviluppo di strategie terapeutiche di condizioni patologiche infiammatorie.
VEGETO, ELISABETTA
CORSINI, ALBERTO
Macrophages are resident immune cells that play a key role in host defense against pathogenic infections and in inflammatory responses and in physiological tissue remodelling. They are able to respond to a variety of microenvironmental stimuli, adopting different activation states depending on the activating signal and context, in order to eliminate the pathogen and restore homeostasis. Humans show strong sex differences in immunity to infection and autoimmunity, suggesting that sex hormones modulate immune responses. Indeed, estrogens regulate cells and pathways of the innate and adaptive immune systems, as well as immune cell development. Previous studies showed that 17β-estradiol (E2) is able to modulate the reactivity of macrophages during inflammation, down-regulating the expression of inflammatory genes. However, a full comprehension of the molecular details by which estrogens modulate macrophage activity is still unclear. To fill this gap we performed a transcriptomic analysis followed by biological assays of peritoneal macrophages isolated from female mice both with different endogenous estrogen levels and following short and long term estrogen administrations. The bioinformatic data suggested that E2 modulates important biological processes in macrophage physiology; among these, proliferation and the induction of an anti-inflammatory and pro-resolution phenotype emerged as mostly significant. We thus confirmed this evidence by proving, through gene expression, FACS analyses and BrdU incorporation studies, that the proliferative index and macrophage cell number are induced by the estrogen surge. Furthermore, we demonstrated that hormone administration induces a dynamic activation process that evolves towards a pro-resolving phenotype through the synthesis of IL10. Moreover, we observed that this activity is also maintained during peritoneal inflammation. By investigating the effects of E2 on microglia, a different macrophage population, my data highlighted the diversity in the E2 response of macrophages that reside in different tissues and the influence of the microenvironment on the hormone responsiveness and provided a list of E2 target genes that can be used as biomarkers for pharmacological and translational studies. Altogether, these results deepen our understanding of the endocrine-immune interactions and allow future studies on their relevance for the pathogenesis and development of therapeutic strategies of inflammatory pathological conditions.
Settore BIO/14 - Farmacologia
THE PHYSIOLOGICAL RESPONSE OF RESIDENT MACROPHAGES TO THE ESTROGEN SURGE / G.l. Pepe ; tutor: E. Vegeto ; coordinatore: A. Corsini. - : . DIPARTIMENTO DI SCIENZE FARMACOLOGICHE E BIOMOLECOLARI, 2017 Jan 26. ((29. ciclo, Anno Accademico 2016. [10.13130/g-l-pepe_phd2017-01-26].
Doctoral Thesis
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