Антивоспалительные свойства метформина в условиях культивации первичных астроцитов крысы в среде с повышенной концентрацией глюкозы

Аннотация

Установление взаимосвязи между воспалительными ответами и энергетическим метаболизмом важно для понимания биологии хронических неинфекционных заболеваний. Использование метформина, препарата для лечения диабета, рассматривается как перспективное направление для терапии нейродегенеративных заболеваний и других нейропатологий с воспалительной компонентой. Астроциты играют важную роль в регуляции энергетического метаболизма и нейровоспаления, поэтому в работе исследовали влияние метформина на клеточные ответы первичных астроцитов крысы, культивируемых в среде с повышенной концентрацией глюкозы (22,5 мМ, инкубация в течение 48 ч). Как воспалительный стимул использовали липополисахарид (LPS). Эффекты метформина оценивали по изменению экспрессии провоспалительных цитокинов и синтеза оксилипинов, детектируемых методом сверхэффективной жидкостной хроматографии и тандемной масс-спектрометрии (UPLC-MS/MS). Изменения на внутриклеточном уровне оценивались по анализу фосфорилирования ERK-киназы и транскрипционного фактора STAT3, ферментов синтеза оксилипинов циклооксигеназы 1 и 2 (COX). Получено, что независимо от концентрации глюкозы метформин снижал LPS-стимулированное высвобождение цитокинов IL-1β и IL-6, активность транскрипционного фактора STAT3, киназы ERK, синтез производных циклооксигеназной ветви метаболизма оксилипинов и анандамида и не влиял на образование АФК. Исследование энергетического фенотипа клеток показало, что метформин активировал гликолиз и ингибировал митохондриальное дыхание и окислительное фосфорилирование независимо от стимуляции LPS и культивирования клеток при повышенной концентрации глюкозы. Таким образом, показано, что метформин обладает выраженными антивоспалительными эффектами, а его влияние на синтез цитокинов, простагландинов и других липидных медиаторов может обуславливать полезные эффекты метформина в моделях нейропатологий.

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

Финансирование

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 20-74-00068).

Благодарности

Мы благодарны Программе развития МГУ за предоставленный доступ к конфокальному микроскопу Zeiss LSM900.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Работу с лабораторными животными проводили в соответствии с требованиями Комиссии по биоэтике НИИ физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского. Все манипуляции выполняли в соответствии с руководством Федерации европейских научных ассоциаций по лабораторным животным.

Дополнительные материалы

Дополнительные материалы

Список литературы

1. Bai, B., and Chen, H. (2021) Metformin: A novel weapon against inflammation, Front. Pharmacol., 12, 622262, doi: 10.3389/fphar.2021.622262.

2. Foretz, M., Guigas, B., and Viollet, B. (2019) Understanding the glucoregulatory mechanisms of metformin in type 2 diabetes mellitus, Nat. Rev. Endocrinol., 15, 569-589, doi: 10.1038/s41574-019-0242-2.

3. Markowicz-Piasecka, M., Sikora, J., Szydłowska, A., Skupień, A., Mikiciuk-Olasik, E., et al. (2017) Metformin – a future therapy for neurodegenerative diseases, Pharm. Res., 34, 2614-2627, doi: 10.1007/s11095-017-2199-y.

4. Chistyakov, D. V., Astakhova, A. A., and Sergeeva, M. G. (2018) Resolution of inflammation and mood disorders, Exp. Mol. Pathol., 105, 190-201, doi: 10.1016/j.yexmp.2018.08.002.

5. Chistyakov, D. V., Goriainov, S. V., Astakhova, A. A., and Sergeeva, M. G. (2021) High glucose shifts the oxylipin profiles in the astrocytes towards pro-inflammatory statesm, Metabolites, 11, 311, doi: 10.3390/metabo11050311.

6. Kim, S. A., and Choi, H. C. (2012) Metformin inhibits inflammatory response via AMPK-PTEN pathway in vascular smooth muscle cells, Biochem. Biophys. Res. Commun., 425, 866-872.

7. Jing, Y., Wu, F., Li, D., Yang, L., Li, Q., and Li, R. (2018) Metformin improves obesity-associated inflammation by altering macrophages polarization, Mol. Cell. Endocrinol., 461, 256-264.

8. Qi, T., Chen, Y., Li, H., Pei, Y., Woo, S. L., et al. (2017) A role for PFKFB3/iPFK2 in metformin suppression of adipocyte inflammatory responses, J. Mol. Endocrinol., 59, 49-59.

9. Zhou, J., Massey, S., Story, D., and Li, L. (2018) Metformin: An old drug with new applications, Int. J. Mol. Sci., 19, 2863, doi: 10.3390/ijms19102863.

10. Escartin, C., Galea, E., Lakatos, A., O’Callaghan, J. P., Petzold, G. C., et al. (2021) Reactive astrocyte nomenclature, definitions, and future directions, Nat. Neurosci., 24, 312-325.

11. Linnerbauer, M., Wheeler, M. A., and Quintana, F. J. (2020) Astrocyte crosstalk in CNS inflammation, Neuron, 108, 608-622.

12. Lalo, U., and Pankratov, Y. (2021) Astrocytes as perspective targets of exercise- and caloric restriction-mimetics, Neurochem. Res., 46, 2746-2759.

13. Bélanger, M., Allaman, I., and Magistretti, P. J. (2011) Brain energy metabolism: Focus on Astrocyte-neuron metabolic cooperation, Cell Metab., 14, 724-738.

14. Rotermund, C., Machetanz, G., and Fitzgerald, J. C. (2018) The therapeutic potential of metformin in neurodegenerative diseases, Front. Endocrinol. (Lausanne), 9, 400, doi: 10.3389/fendo.2018.00400.

15. Li, W., Chaudhari, K., Shetty, R., Winters, A., Gao, X., et al. (2019) Metformin alters locomotor and cognitive function and brain metabolism in normoglycemic mice, Aging Dis., 10, 949-963.

16. Ge, A., Wang, S., Miao, B., and Yan, M. (2018) Effects of metformin on the expression of AMPK and STAT3 in the spinal dorsal horn of rats with neuropathic pain, Mol. Med. Rep., 17, 5229-5237.

17. Ou, Z., Kong, X., Sun, X., He, X., Zhang, L., et al. (2018) Metformin treatment prevents amyloid plaque deposition and memory impairment in APP/PS1 mice, Brain. Behav. Immun., 69, 351-363.

18. Wang, G., Cui, W., Chen, S., Shao, Z., Li, Y., et al. (2021) Metformin alleviates high glucose-induced ER stress and inflammation by inhibiting the interaction between caveolin1 and AMPKα in rat astrocytes, Biochem. Biophys. Res. Commun., 534, 908-913.

19. Hohnholt, M. C., Blumrich, E. M., Waagepetersen, H. S., and Dringen, R. (2017) The antidiabetic drug metformin decreases mitochondrial respiration and tricarboxylic acid cycle activity in cultured primary rat astrocytes, J. Neurosci. Res., 95, 2307-2320.

20. Westhaus, A., Blumrich, E. M., and Dringen, R. (2017) The antidiabetic drug metformin stimulates glycolytic lactate production in cultured primary rat astrocytes, Neurochem. Res., 42, 294-305.

21. Astakhova, A., Chistyakov, D., Thomas, D., Geisslinger, G., Brüne, B., et al. (2019) Inhibitors of oxidative phosphorylation modulate astrocyte inflammatory responses through AMPK-dependent Ptgs2 mRNA stabilization, Cells, 8, 1185.

22. Chistyakov, D. V, Azbukina, N. V, Astakhova, A. A., Polozhintsev, A. I., Sergeeva, M. G., et al. (2019) Toll-like receptors control p38 and JNK MAPK signaling pathways in rat astrocytes differently, when cultured in normal or high glucose concentrations, Neurochem. Int., 131, 104513, doi 10.1016/j.neuint.2019.104513.

23. Chistyakov, D. V., Gavrish, G. E., Goriainov, S. V., Chistyakov, V. V., Astakhova, A. A., et al. (2020) Oxylipin profiles as functional characteristics of acute inflammatory responses in astrocytes pre-treated with IL-4, IL-10, or LPS, Int. J. Mol. Sci., 21, 1780.

24. Chistyakov, D. V., Aleshin, S. E., Astakhova, A. A.., Sergeeva, M. G., and Reiser, G. (2015) Regulation of peroxisome proliferator-activated receptors (PPAR) α and -γ of rat brain astrocytes in the course of activation by toll-like receptor agonists, J. Neurochem., 134, 113-124.

25. Guryleva, M. V., Chistyakov, D. V., Lopachev, A. V., Goriainov, S. V., Astakhova, A. A., et al. (2021) Modulation of the primary astrocyte-enriched cultures’ oxylipin profiles reduces neurotoxicity, Metabolites, 11, 498, doi: 10.3390/metabo11080498.

26. Gong, P., Xu, X., Shi, J., Ni, L., Huang, Q., et al. (2013) Phosphorylation of mitogen- and stress-activated protein kinase-1 in astrocytic inflammation: A possible role in inhibiting production of inflammatory cytokines, PLoS One, 8, e81747, doi: 10.1371/journal.pone.0081747.

27. Liu, X., Tian, Y., Lu, N., Gin, T., Cheng, C. H. K., et al. (2013) Stat3 inhibition attenuates mechanical allodynia through transcriptional regulation of chemokine expression in spinal astrocytes, PLoS One, 8, e75804, doi: 10.1371/journal.pone.0075804.

28. Kim, J., Kwak, H. J., Cha, J. Y., Jeong, Y. S., Rhee, S. D., et al. (2014) Metformin suppresses lipopolysaccharide (LPS)-induced inflammatory response in murine macrophages via Activating Transcription Factor-3 (ATF-3) induction, J. Biol. Chem., 289, 23246-23255.

29. Li, W., Choudhury, G. R., Winters, A., Prah, J., Lin, W., et al. (2018) Hyperglycemia alters astrocyte metabolism and inhibits astrocyte proliferation, Aging Dis., 9, 674-684.

30. Quincozes-Santos, A., Bobermin, L. D., de Assis, A. M., Gonçalves, C. A., and Souza, D. O. (2017) Fluctuations in glucose levels induce glial toxicity with glutamatergic, oxidative and inflammatory implications, Biochim. Biophys. Acta Mol. Basis Dis., 1863, 1-14.

31. Wang, J., Li, G., Wang, Z., Zhang, X., Yao, L., et al. (2012) High glucose-induced expression of inflammatory cytokines and reactive oxygen species in cultured astrocytes, Neuroscience, 202, 58-68.

32. Xian, H., Liu, Y., Rundberg Nilsson, A., Gatchalian, R., Crother, T. R., et al. (2021) Metformin inhibition of mitochondrial ATP and DNA synthesis abrogates NLRP3 inflammasome activation and pulmonary inflammation, Immunity, 54, 1463-1477.e11.

33. Tayara, K., Espinosa-Oliva, A. M., García-Domínguez, I., Ismaiel, A. A., Boza-Serrano, A., et al. (2018) Divergent effects of metformin on an inflammatory model of Parkinson’s disease, Front. Cell. Neurosci., 12.

34. Beurel, E., and Jope, R. S. (2009) Lipopolysaccharide-induced interleukin-6 production is controlled by glycogen synthase kinase-3 and STAT3 in the brain, J. Neuroinflamm., 6, 9, doi: 10.1186/1742-2094-6-9.

35. Lamichhane, S., Bastola, T., Pariyar, R., Lee, E. S., Lee, H. S., et al. (2017) ROS production and ERK activity are involved in the effects of D-β-hydroxybutyrate and metformin in a glucose deficient condition, Int. J. Mol. Sci., 18, 674, doi: 10.3390/ijms18030674.

36. De Morais, H., de Souza, C. P., da Silva, L. M., Ferreira, D. M., Baggio, C. H., et al. (2016) Anandamide reverses depressive-like behavior, neurochemical abnormalities and oxidative-stress parameters in streptozotocin-diabetic rats: role of CB1 receptors, Eur. Neuropsychopharmacol., 26, 1590-1600.

37. Cui, N., Feng, X., Zhao, Z., Zhang, J., Xu, Y., et al. (2017) Restored plasma anandamide and endometrial expression of fatty acid amide hydrolase in women with polycystic ovary syndrome by the combination use of Diane-35 and metformin, Clin. Ther., 39, 751-758.

38. Quan, Y., Jiang, C. T., Xue, B., Zhu, S. G., and Wang, X. (2011) High glucose stimulates TNFα and MCP-1 expression in rat microglia via ROS and NF-κB pathways, Acta Pharmacol. Sin., 32, 188-193.

39. Qiu, Z., He, Y., Ming, H., Lei, S., Leng, Y., et al. (2019) Lipopolysaccharide (LPS) aggravates high glucose- and hypoxia/reoxygenation-induced injury through activating ROS-Dependent NLRP3 inflammasome-mediated pyroptosis in H9C2 cardiomyocytes, J. Diabetes Res., 2019, 8151836, doi: 10.1155/2019/8151836.

40. Kajiwara, C., Kusaka, Y., Kimura, S., Yamaguchi, T., Nanjo, Y., et al. (2018) Metformin mediates protection against legionella pneumonia through activation of AMPK and mitochondrial reactive oxygen species, J. Immunol., 200, 623-631.

41. Barros, L. F., Ruminot, I., San Martín, A., Lerchundi, R., Fernández-Moncada, I., et al. (2021) Aerobic glycolysis in the brain: Warburg and Crabtree Contra Pasteur, Neurochem. Res., 46, 15-22.

42. Zhang, J., Zhang, L., Nie, J., Lin, Y., Li, Y., et al. (2021). Calcineurin inactivation inhibits pyruvate dehydrogenase complex activity and induces the Warburg effect, Oncogene, 40, 6692-6702.

43. Alhourani, A. H., Tidwell, T. R., Bokil, A. A., Røsland, G. V., Tronstad, K. J., et al. (2021). Metformin treatment response is dependent on glucose growth conditions and metabolic phenotype in colorectal cancer cells, Sci. Rep., 11, 1-10.

44. Frauwirth, K. A., Riley, J. L., Harris, M. H., Parry, R. V., Rathmell, J. C., et al. (2002). The CD28 signaling pathway regulates glucose metabolism, Immunity, 16, 769-777, doi: 10.1016/s1074-7613(02)00323-0.

45. Mason, S. (2017). Lactate shuttles in neuroenergetics-homeostasis, allostasis and beyond, Front. Neurosci., 11, 43, doi: 10.3389/fnins.2017.00043.