Influence of cytokines on macrophage tolerance to lipopolysaccharide

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Macrophages have great significance in immune response, being important participants in innate immunity. They are capable of both directly and indirectly fighting pathogens by regulating the surrounding cells via biologically active substances. In response to various stimuli, macrophages may switch from basal step to a pro- or anti-inflammatory state, polarizing into the M1 or M2 phenotype. M1 macrophages have a pro-inflammatory phenotype, being activated under the influence of cell wall lipopolysaccharide from Gram-negative bacteria, or some pro-inflammatory cytokines. M2 macrophages acquire an anti-inflammatory phenotype upon activation of some immune response receptors (Fcγ and TLR), cytokines IL-4, IL-13, IL-10 and other stimuli. Macrophages are also capable of alleviating their immune response depending on the duration and/or frequency of inflammatory signal, thus developing immune tolerance effect. Of particular importance is tolerance to bacterial lipopolysaccharide, when the macrophages acquire refractoriness to repeated stimulation compared to the primary one, producing less cytokines and chemokines. The aim of our study was to assess the role of cytokines and chemokines CCL2, CXCL1, CXCL9, CXCL12, IL-1b, IL-4, IL-6, IL-7, IL-8, IL- 15, IL-22, TNFα on immune response of macrophages to lipopolysaccharide and emergence of immune tolerance. Primary monocytes were obtained from venous blood of healthy donors. E. coli lipopolysaccharide (LPS) was used to stimulate monocytes and differentiated macrophages. We have shown that pre-treatment of primary human macrophages with recombinant cytokines IL-4 and TNFα enhances the inflammatory response to repeated stimulation with lipopolysaccharide, i.e. weakens the development of tolerance. This effect was expressed as increased production of cytokines (TNFα, IL-6, IL-10) and IL-8 chemokine in presence of recombinant IL-4, and TNFα production with recombinant TNFα. At the same time, recombinant IL-4 was also able to enhance the inflammatory signal of macrophages upon a single LPS stimulation, thus increasing the TNFα and IL-8 secretion. We have shown that some cytokines may affect the tolerance of macrophages to LPS. This phenomenon may involve transition of macrophages from one polarization state to another, or to an intermediate step. Modulation of macrophage phenotype and its immune response opens the way to the development of new therapeutic approaches to inflammatory diseases, where tolerance to lipopolysaccharide plays a significant role in pathogenesis, such as sepsis and atherosclerosis.

About the authors

Daiana B. Erdyneeva

Research Institute of General Pathology and Pathophysiology; Moscow Institute of Physics and Technology (National Research University)

Author for correspondence.
Email: daya-na@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-2279-0157

Senior Laboratory Assistant, Laboratory of Angiopathology, Postgraduate Student

Russian Federation, Moscow; Dolgoprudny, Moscow Region

Nikita G. Nikiforov

Research Institute of General Pathology and Pathophysiology; Institute of Gene Biology, Russian Academy of Sciences

Email: nikiforov.mipt@googlemail.com
ORCID iD: 0000-0002-2082-2429

PhD (Biology), Researcher, Laboratory of Angiopathology, Junior Researcher of Core Facility Center

Russian Federation, Moscow; Moscow

Svetlana S. Verkhova

Research Institute of General Pathology and Pathophysiology; B. Petrovsky Russian Research Center of Surgery

Email: verxova.svetlana@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-7953-0586

Senior Laboratory Assistant, Laboratory of Angiopathology, Postgraduate Student

Russian Federation, Moscow; Moscow

Alexander N. Orekhov

Research Institute of General Pathology and Pathophysiology

Email: ano.inat@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-6495-1628

PhD, MD (Biology), Head, Laboratory of Angiopathology

Russian Federation, Moscow

Tatyana A. Kulagova

Research Institute for Nuclear Problems, Belarusian State University

Email: tatyana_kulagova@tut.by
ORCID iD: 0000-0002-1113-7323

PhD (Biology), Researcher, Laboratory of Nanoelectromagnetism

Belarus, Minsk

References

  1. Collins P.E., Carmody R.J. The regulation of endotoxin tolerance and its impact on macrophage activation. Crit. Rev. Immunol., 2015, Vol. 35, no. 4, pp. 293-323.
  2. Ferlito M., Romanenko O.G., Ashton S., Squadrito F., Halushka P.V., Cook J.A. Effect of cross-tolerance between endotoxin and TNF-alpha or IL-1beta on cellular signaling and mediator production. J. Leukoc. Biol., 2001, Vol. 70, no. 5, pp. 821-829.
  3. Gillen J., Ondee T., Gurusamy D., Issara-Amphorn J., Manes N.P., Yoon S.H., Leelahavanichkul A., Nita-Lazar A. LPS tolerance inhibits cellular respiration and induces global changes in the macrophage secretome. Biomolecules, 2021, Vol. 11, no. 2, 164. doi: 10.3390/biom11020164.
  4. Gorabi A.M., Kiaie N., Khosrojerdi A., Jamialahmadi T., Al-Rasadi K., Johnston T.P., Sahebkar A. Implications for the role of lipopolysaccharide in the development of atherosclerosis. Trends Cardiovasc. Med., 2022, Vol. 32, no. 8, pp. 525-533.
  5. Italiani P., Boraschi D. From monocytes to M1/M2 macrophages: phenotypical vs. Functional differentiation. Front. Immunol., 2014, Vol. 5, 514. doi: 10.3389/fimmu.2014.00514.
  6. Italiani P., Mazza E.M., Lucchesi D., Cifola I., Gemelli C., Grande A., Battaglia C., Bicciato S., Boraschi D. Transcriptomic profiling of the development of the inflammatory response in human monocytes in vitro. PLoS One, 2014, Vol. 9, no. 2, e87680. doi: 10.1371/journal.pone.0087680.
  7. Li H., Breedijk A., Dietrich N., Nitschke K., Jarczyk J., Nuhn P., Krämer B.K., Yard B.A., Leipe J., Hauske S. Lipopolysaccharide tolerance in human primary monocytes and polarized macrophages. Int. J. Mol. Sci., 2023, Vol. 24, no. 15, 12196. doi: 10.3390/ijms241512196.
  8. Park S.H., Park-Min K.H., Chen J., Hu X., Ivashkiv L.B. Tumor necrosis factor induces GSK3 kinase-mediated cross-tolerance to endotoxin in macrophages. Nat. Immunol., 2011, Vol. 12, no. 7, pp. 607-615.
  9. Quero L., Hanser E., Manigold T., Tiaden A.N., Kyburz D. TLR2 stimulation impairs anti-inflammatory activity of M2-like macrophages, generating a chimeric M1/M2 phenotype. Arthritis Res. Ther., 2017, Vol. 19, no. 1, 245. doi: 10.1186/s13075-017-1447-1.
  10. Stout R.D., Jiang C., Matta B., Tietzel I., Watkins S.K., Suttles J. Macrophages sequentially change their functional phenotype in response to changes in microenvironmental influences. J. Immunol., 2005, Vol. 175, no. 1, pp. 342-349.
  11. Vidyarthi A., Khan N., Agnihotri T., Negi S., Das D.K., Aqdas M., Chatterjee D., Colegio O.R., Tewari M.K., Agrewala J.N. TLR-3 Stimulation Skews M2 Macrophages to M1 Through IFN-αβ Signaling and Restricts Tumor Progression. Front. Immunol., 2018, Vol. 9, 1650. doi: 10.3389/fimmu.2018.01650.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Figure 1. Effect of rhIL-4 on macrophage tolerance to LPS (after repeated stimulation) Note. n = 3. Results are presented as mean and standard deviation. *, differences p < 0.05 compared to control without addition of recombinant cytokine. A,v alues of TNFα secretion by macrophages in pg/mL. B, values of IL-6 secretion in pg/mL. C, values of IL-8 secretion in pg/mL. D, values of IL-10 secretion in pg/mL.

Download (192KB)
3. Figure 2. Effect of rhIL-4 on cytokine secretion by macrophages after a single stimulation with LPS Note. n = 3. Results are presented as mean and standard deviation. *, differences p < 0.05 compared to the control without the addition of recombinant cytokine. A, values of TNFα secretion by macrophages in pg/mL. B, values of IL-8 secretion in pg/mL.

Download (113KB)
4. Figure 3. Effect of rhTNFα on TNF-α secretion by macrophages after a single LPS stimulation Note. n = 3. Results are presented as mean and standard deviation. *, differences p < 0.05 compared to the control without the addition of recombinant cytokine.

Download (58KB)

Copyright (c) 2025 Erdyneeva D.B., Nikiforov N.G., Verkhova S.S., Orekhov A.N., Kulagova T.A.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».