The dopaminergic pathway: A potential approach to target specific leukocyte subpopulations in chronic inflammatory joint diseases
Chronic inflammatory diseases of the joints are complex diseases leading to pain, disability, and loss of life quality. Although being effective, available disease-modifying anti-rheumatic drugs also implicate severe side effects as systemic immunosuppression. Thus, specific treatments targeting only disease pathomechanisms involving fewer side effects would be advantageous. Several studies indicate a role of the catecholamine dopamine (DA) in immunity and limited evidence also points to DA involvement in rheumatoid arthritis (RA). However, data on DA in RA is mostly restricted to local joint inflammation in late phase of disease. Moreover, a possible influence of DA in psoriasis arthritis (PsA) and ankylosing spondylitis (SpA) has not been investigated so far. Aims of this thesis were the investigation of possible disease-related changes and immune-modulatory functions of the dopaminergic system in peripheral immune cells of patients with chronic inflammatory joint diseases that could ultimately serve as new targets for directed modulation of immune pathomechanisms.
Peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) from healthy controls (HC), RA, PsA, and SpA patients were investigated for expression of D1-D5 dopamine receptors (DR) and tyrosine hydroxylase (TH), the rate-limiting enzyme in catecholamine synthesis, by comprehensive flow cytometric approaches. Additionally, specific DR were stimulated with selective agonists in vitro to assess effects on immune cell activation, apoptosis, proliferation, and differentiation as well as intracellular signaling. Cytometric bead arrays and ELISAs were conducted to measure effects of DR stimulation on cytokine secretion.
Among peripheral T cells, B cells, NK cells and monocytes of HC and rheumatic patients all five DR and TH were expressed. An elevated expression of D1 DR was identified in peripheral B cells of RA patients compared to HC. Expression of D1 DR in B cells differed between sexes in HC and particularly female RA patients revealed increased D1 DR levels that additionally correlated with clinical parameters. Deeper phenotyping revealed increasing D1 DR expression during B cell maturation and especially naive B cells of RA patients displayed increased levels of D1 DR. Importantly, elevation of D1 DR expression during maturation was also found in peripheral NK cells and CD4+ T cells. Circulating T follicular helper cells of RA patients exhibited increased expression of D1 DR compared to HC as well.
Functionally, acute DR stimulation showed no effects on activation and apoptosis of immune cells. In T cell-dependent B cell stimulation additional D1-like receptor stimulation did not elicit effects on B cell proliferation or plasmablast differentiation. In T cell-independent B cell stimulation, differentiation towards antibody-secreting cells was unaltered by D1-like receptor stimulation. Notably, D1-like receptor agonist increased proliferation of D1 DR expressing B cells independent of T cells, both in HC and RA. Moreover, D1-like receptor stimulation up- or downregulated cytokine secretion donor-dependently. Significantly, only in cultures of RA PBMCs D1-like receptor stimulation increased IL-8 secretion which is relevant for bone destruction in RA. Ki-67 expression and phosphorylation of ERK and CREB as classical signaling molecules within the dopaminergic pathway were unaltered after D1-like receptor stimulation. Nevertheless, increased expression and phosphorylation was detected in RA.
In conclusion, peripheral immune cells contain components of the dopaminergic pathway thus being able to communicate via DA. Increased levels of D1 DR are present in peripheral naive B and TFH cells of RA patients and may play pivotal roles in RA by enhancing development and function of pathogenic B cells. These findings are mostly in line with literature and highlight the blockade of D1 DR on peripheral B cells as potential new therapeutic target in therapy of RA. Further studies are planned to clarify exact mechanisms.
Peripheral blood mononuclear cells (PBMCs) from healthy controls (HC), RA, PsA, and SpA patients were investigated for expression of D1-D5 dopamine receptors (DR) and tyrosine hydroxylase (TH), the rate-limiting enzyme in catecholamine synthesis, by comprehensive flow cytometric approaches. Additionally, specific DR were stimulated with selective agonists in vitro to assess effects on immune cell activation, apoptosis, proliferation, and differentiation as well as intracellular signaling. Cytometric bead arrays and ELISAs were conducted to measure effects of DR stimulation on cytokine secretion.
Among peripheral T cells, B cells, NK cells and monocytes of HC and rheumatic patients all five DR and TH were expressed. An elevated expression of D1 DR was identified in peripheral B cells of RA patients compared to HC. Expression of D1 DR in B cells differed between sexes in HC and particularly female RA patients revealed increased D1 DR levels that additionally correlated with clinical parameters. Deeper phenotyping revealed increasing D1 DR expression during B cell maturation and especially naive B cells of RA patients displayed increased levels of D1 DR. Importantly, elevation of D1 DR expression during maturation was also found in peripheral NK cells and CD4+ T cells. Circulating T follicular helper cells of RA patients exhibited increased expression of D1 DR compared to HC as well.
Functionally, acute DR stimulation showed no effects on activation and apoptosis of immune cells. In T cell-dependent B cell stimulation additional D1-like receptor stimulation did not elicit effects on B cell proliferation or plasmablast differentiation. In T cell-independent B cell stimulation, differentiation towards antibody-secreting cells was unaltered by D1-like receptor stimulation. Notably, D1-like receptor agonist increased proliferation of D1 DR expressing B cells independent of T cells, both in HC and RA. Moreover, D1-like receptor stimulation up- or downregulated cytokine secretion donor-dependently. Significantly, only in cultures of RA PBMCs D1-like receptor stimulation increased IL-8 secretion which is relevant for bone destruction in RA. Ki-67 expression and phosphorylation of ERK and CREB as classical signaling molecules within the dopaminergic pathway were unaltered after D1-like receptor stimulation. Nevertheless, increased expression and phosphorylation was detected in RA.
In conclusion, peripheral immune cells contain components of the dopaminergic pathway thus being able to communicate via DA. Increased levels of D1 DR are present in peripheral naive B and TFH cells of RA patients and may play pivotal roles in RA by enhancing development and function of pathogenic B cells. These findings are mostly in line with literature and highlight the blockade of D1 DR on peripheral B cells as potential new therapeutic target in therapy of RA. Further studies are planned to clarify exact mechanisms.
Chronisch entzündliche Gelenkerkrankungen sind komplex und führen bei Patienten zu Schmerzen, Einschränkungen und geringerer Lebensqualität. Die Behandlungsmöglichkeiten mit Antirheumatika sind zwar effektiv, jedoch einhergehend mit systemischer Immun-suppression. Gerichtete Therapien, die einzig die Pathomechanismen anzielen und dadurch weniger Nebenwirkungen hervorrufen, sind daher wünschenswert. Viele Studien zeigen, dass das Katecholamin Dopamin (DA) eine wesentliche Rolle im Immunsystem spielt und einige Befunde deuten auch auf eine Beteiligung von DA bei der rheumatoiden Arthritis (RA). Jedoch sind diese Daten zur Beteiligung von DA in RA auf die lokale Gelenkentzündung und späte Krankheitsstadien beschränkt. Ein möglicher Einfluss von DA in Psoriasis Arthritis (PsA) und Spondylitis Ankylosans (SpA) wurde darüber hinaus noch nicht untersucht. Ziele dieser Arbeit waren die Untersuchung von möglichen Krankheitsspezifischen Veränderungen und immunmodulatorischen Funktionen des dopaminergen Systems in peripheren Immunzellen von Patienten mit chronisch entzündlichen Gelenkerkrankungen, welche schließlich als neues Target zur gerichteten Modulation der Immunpathomechanismen dienen könnten.
Mononukleäre Zellen aus dem peripheren Blut von gesunden Spendern (HC), RA, PsA und SpA Patienten wurden in umfassenden, durchflusszytometrischen Ansätzen auf die Expression der D1-D5 Dopamin Rezeptoren (DR) und Tyrosin Hydroxylase, dem geschwindig-keitsbestimmenden Enzym in der Katecholamin-Synthese, untersucht. Außerdem wurden selektive Agonisten für verschiedene DR in Zellkulturexperimenten verwendet, um Effekte auf Aktivierung, Apoptose, Proliferation und Differenzierung von Immunzellen sowie intrazelluläre Signalwege zu untersuchen. Mittels zytometrischer Bead Arrays und ELISA wurden zudem Effekte der DR Stimulation auf die Zytokin Sekretion ermittelt.
In peripheren T Zellen, B Zellen, NK Zellen und Monozyten von HC sowie RA, PsA und SpA Patienten konnte die Expression aller fünf DR und TH nachgewiesen werden. Hierbei wurde eine erhöhte Expression von D1 DR in peripheren B Zellen von RA Patienten im Vergleich zu HC festgestellt. Die Expression von D1 DR in B Zellen unterschied sich zwischen den Geschlechtern in HC und insbesondere weibliche RA Patienten offenbarten erhöhte D1 DR Level, die zudem mit Krankheitsparametern korrelierten. Eine tiefergehende Phänotypisierung zeigte, dass die Expression von D1 DR mit der Reifung der B Zellen anstieg und vor allem naive B Zellen von RA Patienten eine erhöhte D1 DR Expression aufwiesen. Auch in peripheren NK und CD4+ T Zellen stieg die Expression von D1 DR mit dem Reifestadium der Zellen an. Zirkulierende follikuläre T Helferzellen von RA Patienten wiesen ebenfalls eine erhöhte Expression von D1 DR auf.
Funktionell zeigte die reine Stimulation der DR keinen akuten Effekt auf die Aktivierung oder Apoptose von Immunzellen. Die Stimulation von D1-like Rezeptoren hatte keinen Einfluss auf die Proliferation und Plasmablasten Differenzierung in T Zell-abhängiger Stimulation. In T Zell-unabhängiger B Zell Stimulation induzierte die D1-like Rezeptor Stimulation keine Differenzierung zu Antikörper-sekretierenden Zellen. Jedoch steigerte der D1-like Rezeptor Agonist die Proliferation der D1 DR exprimierenden B Zellen unabhängig von T Zellen, sowohl in HC als auch RA. Außerdem beeinflusste die D1-like Rezeptor Stimulation die Zytokin-Sekretion spenderabhängig. Bedeutsam war hier, dass ausschließlich in Zellkulturen von RA Patienten die D1-like Rezeptor Stimulation zum Anstieg der IL-8 Sekretion führte, welche maßgeblich in der Knochendestruktion der RA involviert ist. Die Expression von Ki-67, sowie die Phosphorylierung von ERK und CREB als klassische Signalmoleküle des dopaminergen Signalwegs, waren nach reiner D1-like Rezeptor Stimulation unverändert. Nichtsdestotrotz konnten erhöhte Expressions- und Phosphorylierungslevel in RA nachgewiesen werden.
Abschließend kann zusammengefasst werden, dass Komponenten des dopaminergen Signalwegs in peripheren Immunzellen präsent sind und daher eine Kommunikation via DA ermöglichen. Periphere naive B und TFH Zellen von RA Patienten weisen erhöhte Level von D1 DR auf und könnten durch den positiven Einfluss auf die Proliferation und Funktion von pathogenen B Zellen eine zentrale Rolle in der RA spielen. Diese Ergebnisse sind mehrheitlich übereinstimmend mit beschriebener Literatur und unterstreichen damit die Blockade von D1 DR auf peripheren B Zellen als potenziellen neuen Angriffspunkt bei der Therapie der RA. Weitere Studien sind geplant, um die exakten Mechanismen vollends zu entschlüsseln.
Mononukleäre Zellen aus dem peripheren Blut von gesunden Spendern (HC), RA, PsA und SpA Patienten wurden in umfassenden, durchflusszytometrischen Ansätzen auf die Expression der D1-D5 Dopamin Rezeptoren (DR) und Tyrosin Hydroxylase, dem geschwindig-keitsbestimmenden Enzym in der Katecholamin-Synthese, untersucht. Außerdem wurden selektive Agonisten für verschiedene DR in Zellkulturexperimenten verwendet, um Effekte auf Aktivierung, Apoptose, Proliferation und Differenzierung von Immunzellen sowie intrazelluläre Signalwege zu untersuchen. Mittels zytometrischer Bead Arrays und ELISA wurden zudem Effekte der DR Stimulation auf die Zytokin Sekretion ermittelt.
In peripheren T Zellen, B Zellen, NK Zellen und Monozyten von HC sowie RA, PsA und SpA Patienten konnte die Expression aller fünf DR und TH nachgewiesen werden. Hierbei wurde eine erhöhte Expression von D1 DR in peripheren B Zellen von RA Patienten im Vergleich zu HC festgestellt. Die Expression von D1 DR in B Zellen unterschied sich zwischen den Geschlechtern in HC und insbesondere weibliche RA Patienten offenbarten erhöhte D1 DR Level, die zudem mit Krankheitsparametern korrelierten. Eine tiefergehende Phänotypisierung zeigte, dass die Expression von D1 DR mit der Reifung der B Zellen anstieg und vor allem naive B Zellen von RA Patienten eine erhöhte D1 DR Expression aufwiesen. Auch in peripheren NK und CD4+ T Zellen stieg die Expression von D1 DR mit dem Reifestadium der Zellen an. Zirkulierende follikuläre T Helferzellen von RA Patienten wiesen ebenfalls eine erhöhte Expression von D1 DR auf.
Funktionell zeigte die reine Stimulation der DR keinen akuten Effekt auf die Aktivierung oder Apoptose von Immunzellen. Die Stimulation von D1-like Rezeptoren hatte keinen Einfluss auf die Proliferation und Plasmablasten Differenzierung in T Zell-abhängiger Stimulation. In T Zell-unabhängiger B Zell Stimulation induzierte die D1-like Rezeptor Stimulation keine Differenzierung zu Antikörper-sekretierenden Zellen. Jedoch steigerte der D1-like Rezeptor Agonist die Proliferation der D1 DR exprimierenden B Zellen unabhängig von T Zellen, sowohl in HC als auch RA. Außerdem beeinflusste die D1-like Rezeptor Stimulation die Zytokin-Sekretion spenderabhängig. Bedeutsam war hier, dass ausschließlich in Zellkulturen von RA Patienten die D1-like Rezeptor Stimulation zum Anstieg der IL-8 Sekretion führte, welche maßgeblich in der Knochendestruktion der RA involviert ist. Die Expression von Ki-67, sowie die Phosphorylierung von ERK und CREB als klassische Signalmoleküle des dopaminergen Signalwegs, waren nach reiner D1-like Rezeptor Stimulation unverändert. Nichtsdestotrotz konnten erhöhte Expressions- und Phosphorylierungslevel in RA nachgewiesen werden.
Abschließend kann zusammengefasst werden, dass Komponenten des dopaminergen Signalwegs in peripheren Immunzellen präsent sind und daher eine Kommunikation via DA ermöglichen. Periphere naive B und TFH Zellen von RA Patienten weisen erhöhte Level von D1 DR auf und könnten durch den positiven Einfluss auf die Proliferation und Funktion von pathogenen B Zellen eine zentrale Rolle in der RA spielen. Diese Ergebnisse sind mehrheitlich übereinstimmend mit beschriebener Literatur und unterstreichen damit die Blockade von D1 DR auf peripheren B Zellen als potenziellen neuen Angriffspunkt bei der Therapie der RA. Weitere Studien sind geplant, um die exakten Mechanismen vollends zu entschlüsseln.