Heme oxygenase-1 induction in macrophages through engulfment of apoptotic colonic epithelial cells accelerates the resolution of dextran sulfate sodium-induced murine colitis

Abstract

염증의 해소는 감염 및 손상이 발생한 조직이 항상성을 회복하기 위하여 여러 단계를 거치는 과정을 포함한다. 그 중 efferocytosis라 불리우는 세포사멸이 발생한 세포를 청소하는 과정은 염증 환경을 염증 유도성에서 해소성으로 바꾸는데 필수적인 과정이라고 여겨진다. 대부분의 죽은 세포 청소 과정은 대식세포에 의해 수행된다. Efferocytosis 후에 대식세포는 M2 표현형으로 극성 변화를 일으킴으로써 면역 억제를 일으키는 신호를 전달하게 된다. 그러나 efferocytosis에 의한 대식세포 극성 변화의 분자적인 메커니즘은 아직 뚜렷하지 않다. 이번 연구에서 세포사멸 과정을 거친 대장 상피 세포를 골수 유래 대식세포에 처리하였을 때 제 1형 헴산화효소 와 그 전사인자인 nuclear factor (erythroid-derived 2)-like 2 의 발현이 증가하는 것을 확인하였다. 또한, 염증 해소에 중요한 인자로 작용하는 CD206 발현 M2 표현형의 비율도 증가하였다. 이 때, 제 1형 헴산화효소가 유전자적으로 Knock out 된 쥐에서 유래된 골수 유래 대식세포의 경우와 제 1형 헴산화효소의 활성을 약물학적으로 억제한 경우에는 같은 조건의 세포사멸된 대장 상피 세포의 처리에도 대식세포의 CD206 발현이 현저하게 감소하였다. Dextran sulfate sodium (DSS) 은 대장 상피세포를 손상시킴으로써 대장염을 유발하는 약물이다. 7일동안 DSS를 처리한 후 유발된 대장염의 염증 해소를 관찰한 결과 3일 후 제 1형 헴산화효소의 발현이 증가하는 것을 확인하였다. 제 1형 헴산화 효소의 활성을 억제하는 약물인 Zinc (Ⅱ) protoporphyrin을 염증 해소 기간 동안 투여할 경우, 생존률의 급격한 감소와 함께 조직 내로 침투한 과립구와 골수성 면역세포를 포함한 백혈구의 수치가 정상 수치로 감소하지 않았다. M2 표현형 대식세포의 CD206을 발현하는 양 또한 감소하였다. 이러한 결과는 대장염의 해소가 제 1형 헴산화효소에 의하여 조절될 수 있음을 시사한다. 결론적으로 efferocytosis가 발생하는 과정에서 유도된 제 1형 헴산화효소는 대식세포의 극성을 조절함으로써 DSS로 유발된 대장염의 해소를 완화하는데 중요한 역할을 한다고 여겨진다.

An injured and infected tissue goes through several steps to restore homeostasis during the resolution of inflammation. One of them, clearance of dead cells, termed efferocytosis, could be an essential step that changes the inflammatory environment from pro-inflammatory to pro-resolving state. Clearance of dead cells is mainly accomplished by phagocytes. After efferocytosis, macrophages are polarized to the M2 phenotype, thereby transmiting immunosuppressive signaling. However, the underlying molecular mechanisms of macrophage polarization after efferocytosis remain largely unraveled. In the present study, bone marrow derived macrophages (BMDMs) treated with apoptotic colonic epithelial cells showed significantly increased expression of heme oxygenase-1 (HO-1) and nuclear factor-like 2 (Nrf2). The expression of CD206, a pro-resolving macrophages marker, was also increased. Interestingly, genetic ablation or pharmacologic inhibition of HO-1 with zinc protoporphyin IX (ZnPP) abrogated the upregulation of CD206 on macrophages treated with apoptotic colonic epithelial cells. Dextran sulfate sodium (DSS) is a chemical reagent inducing colitis in mice by damaging colonic epithelium. I found that the recovery of body weight started at 3 days after termination of DSS treatment, which was accompanied by upregulation of HO-1. ZnPP treatment hampered the normalization of the numbers of infiltrated total leukocytes, myeloid lineages, monocytes and granulocytes during the resolution of DSS-induced murine colitis. The expression of CD206 on macrophages also decreased. Furthermore, the survival rate decreased dramatically in mice treated with ZnPP. These results suggest that the resolution of DSS-induced colitis is mediated by HO-1 inactivation in macrophages. In conclusion, HO-1 induction during the efferocytosis plays a key role in the resolution of DSS-induced colitis by modulating the polarization of macrophages.