In vitro cell-based Hyperuricemia-hemotest bioassay for cytokine status evaluation in patients with gouty arthritis

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Aim – to develop an in vitro method for assessing the activity of the inflammasome under conditions of hyperuricemic stimulation of inflammatory interleukins.

Material and methods. Whole blood cells of donors and patients with hyperuricemia and exacerbation of gouty arthritis diluted with RPMI were cultured in vitro in the presence of different concentrations of uric acid. The production of cytokines in the cell growth media of hematopoietic cells stimulated with uric acid was evaluated using an enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA).

Results. By simulating the hyperuricemia in vivo, an in vitro cell-based bioassay was developed to stimulate blood cells of individual donors with uric acid. Using the developed in vitro Hyperuricemia-hemotest bioassay, quantitative differences were found in the production of inflammatory cytokines by the blood cells of potentially healthy donors and patients with hyperuricemia and gouty arthritis.

Conclusion. As a new approach in personalized diagnostics, a hyperuricemic (HU)-hemotest system was developed, which can serve as an in vitro cell model for studying the activation of inflammasome by inflammatory signaling molecules in gouty arthritis.

About the authors

Larisa Т. Volova

Samara State Medical University

Email: l.t.volova@samsmu.ru
ORCID iD: 0000-0002-8510-3118

PhD, Professor, Director of the RDC “BioTech”

Russian Federation, 171, Аrtsybushevskaya st., Samara, 443001

Evgenii I. Pugachev

Samara State Medical University

Email: evgenesius@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-3594-0874

researcher at the RDC “BioTech”

Russian Federation, 171, Аrtsybushevskaya st., Samara, 443001

Tatyana V. Starikova

Samara State Medical University

Email: t.v.starikova@samsmu.ru
ORCID iD: 0000-0002-3811-3807

Senior researcher at the RDC “BioTech”

Russian Federation, 171, Аrtsybushevskaya st., Samara, 443001

Petr А. Lebedev

Samara State Medical University

Email: p.a.lebedev@samsmu.ru
ORCID iD: 0000-0003-1404-7099

PhD, Professor, Head of the Department of Therapy with a course of functional diagnostics at the Institute of Postgraduate Education

Russian Federation, 171, Аrtsybushevskaya st., Samara, 443001

Irina А. Shafieva

Samara State Medical University

Email: i.a.shafieva@samsmu.ru
ORCID iD: 0000-0002-0475-8391

PhD, Head of the Department of Endocrinology and Rheumatology

Russian Federation, 171, Аrtsybushevskaya st., Samara, 443001

Sergei I. Kuznetsov

Samara State Medical University

Email: s.i.kuznecov@samsmu.ru
ORCID iD: 0000-0003-4302-8946

PhD, Leading researcher at the RDC “BioTech”

Russian Federation, 171, Аrtsybushevskaya st., Samara, 443001

Oksana А. Gusyakova

Samara State Medical University

Email: o.a.gusyakova@samsmu.ru
ORCID iD: 0000-0001-8140-4135

PhD, Head of the Department of Fundamental and Clinical Biochemistry with Laboratory Diagnostics

Russian Federation, 171, Аrtsybushevskaya st., Samara, 443001

Galina N. Svetlova

Samara State Medical University

Email: g.n.svetlova@samsmu.ru
ORCID iD: 0000-0001-9400-8609

PhD, Associate professor, Faculty Therapy Department

Russian Federation, 171, Аrtsybushevskaya st., Samara, 443001

Natalya K. Osina

Samara State Medical University

Author for correspondence.
Email: n.k.osina@samsmu.ru
ORCID iD: 0000-0002-0444-8174

PhD, Leading researcher at the RDC “BioTech”

Russian Federation, 171, Аrtsybushevskaya st., Samara, 443001

References

  1. Lebedev PA, Garanin AA, Novichkova NL. Pharmacotherapy of gout – modern approaches and prospects. Sovremennaya revmatologiya. 2021;15(4):107-112. (In Russ.). [Лебедев П.А., Гаранин А.А., Новичкова Н.Л. Фармакотерапия подагры – современные подходы и перспективы. Современная ревматология. 2021;15(4):107-112]. https://doi.org/10.14412/1996-7012-2021-4-107-112
  2. Roumeliotis A, Dounousi E, Eleftheriadis T, et al. Dietary antioxidant supplements and uric acid in chronic kidney disease: a review. Nutrients. 2019;11(8):1911. https://doi.org/10.3390/nu11081911
  3. Bos MJ, Koudstaal PJ, Hofman A, et al. Uric acid is a risk factor for myocardial infarction and stroke: The Rotterdam Study. Stroke. 2006;37(6):1503-1507. https://doi.org/10.1161/01.STR.0000221716.55088.d4
  4. Kim K, Kang K, Sheol H, et al. The Association between Serum Uric Acid Levels and 10-Year Cardiovascular Disease Risk in Non-Alcoholic Fatty Liver Disease Patients. Int J Environ Res Public Health. 2022;19(3):1042. https://doi.org/10.3390/ijerph19031042
  5. Duan X, Ling F. Is uric acid itself a player or a bystander in the pathophysiology of chronic heart failure? Med Hypotheses. 2008;70(3):578-581. https://doi.org/10.1016/j.mehy.2007.06.018
  6. Yanai H, Adachi H, Hakoshima M, Katsuyama H. Molecular biological and clinical understanding of the pathophysiology and treatments of hyperuricemia and its association with metabolic syndrome, cardiovascular diseases and chronic kidney disease. Int J Mol Sci. 2021;22(17):9221. https://doi.org/10.3390/ijms22179221
  7. Feig DI, Johnson RJ. Hyperuricemia in childhood primary hypertension. Hypertension. 2003;42(3):247-252. https://doi.org/10.1161/01.HYP.0000085858.66548.59
  8. Stamp L, Dalbeth N. Screening for hyperuricaemia and gout: A perspective and research agenda. Nature Reviews Rheumatology. 2014;10(12):752-756. https://doi.org/10.1038/nrrheum.2014.139
  9. Bhole V, De Vera M, Rahman MM, et al. Epidemiology of gout in women: Fifty-two-year followup of a prospective cohort. Arthritis Rheum. 2010;62(4):1069-1076. https://doi.org/10.1002/art.27338
  10. Richette P, Doherty M, Pascual E, et al. 2018 updated European League against Rheumatism evidence-based recommendations for the diagnosis of gout. Ann Rheum Dis. 2020;79(1):31-38. https://doi.org/10.1136/annrheumdis-2019-215315
  11. Shiozawa A, Szabo SM, Bolzani A, et al. Serum uric acid and the risk of incident and recurrent gout: A systematic review. J Rheumatol. 2017;44(3):388-396. https://doi.org/10.3899/jrheum.160452
  12. Scanu A, Oliviero F, Ramonda R, et al. Cytokine levels in human synovial fluid during the different stages of acute gout: Role of transforming growth factor 1 in the resolution phase. Ann Rheum Dis. 2012;71(4):621-624. https://doi.org/10.1136/annrheumdis-2011-200711
  13. Jiang X, Li M, Yang Q, et al. Oxidized Low Density Lipoprotein and Inflammation in Gout Patients. Cell Biochem Biophys. 2014;69(1):65-69. https://doi.org/10.1007/s12013-013-9767-5
  14. Cavalcanti NG, Marques CDL, Lins TU, et al. Cytokine Profile in Gout: Inflammation Driven by IL-6 and IL-18? Immunol Invest. 2016;45(5):383-395. https://doi.org/10.3109/08820139.2016.1153651
  15. Verma AK, Hossain MS, Ahmed SF, et al. In silico identification of ethoxy phthalimide pyrazole derivatives as IL-17A and IL-18 targeted gouty arthritis agents. J Biomol Struct Dyn. 2022;41(1):1-15. https://doi.org/10.1080/07391102.2022.2071338
  16. Tran AP, Edelman J. Interleukin-1 inhibition by anakinra in refractory chronic tophaceous gout. Int J Rheum Dis. 2011;14(3):33-37. https://doi.org/10.1111/j.1756-185X.2011.01629.x
  17. So AK, Martinon F. Inflammation in gout: Mechanisms and therapeutic targets. Nat Rev Rheumatol. 2017;13(11):639-647. https://doi.org/10.1038/nrrheum.2017.155
  18. Braga TT, Forni MF, Correa-Costa M, et al. Soluble Uric Acid Activates the NLRP3 Inflammasome. Sci Rep. 2017;7:1-14. https://doi.org/10.1038/srep39884
  19. Spel L, Martinon F. Inflammasomes contributing to inflammation in arthritis. Immunol Rev. 2020;294(1):48-62. https://doi.org/10.1111/imr.12839
  20. Cavalcanti NG, Bodar E, Netea MG, et al. Crystals of monosodium urate monohydrate enhance lipopolysaccharide-induced release of interleukin 1- by mononuclear cells through a caspase 1-mediated process. Ann Rheum Dis. 2016;68(2):273-278. https://doi.org/10.1136/ard.2007.082222
  21. Malyshev IY, Pihlak AE, Budanova OP. Molecular and Cellular Mechanisms of Inflammation in Gout. Pathogenesis. 2019;17(4):4-13. (In Russ.). [Малышев И.Ю., Пихлак А.Э., Буданова О.П. Молекулярные и клеточные механизмы воспаления при подагре. Патогенез. 2019;17(4):4-13]. https://doi.org/10.25557/2310-0435.2019.04.4-13
  22. Martinon F, Pétrilli V, Mayor A, et al. Gout-associated uric acid crystals activate the NALP3 inflammasome. Nature. 2006;440(7081):237-241. https://doi.org/10.1038/nature04516
  23. Prencipe G, Bracaglia C, De Benedetti F. Interleukin-18 in pediatric rheumatic diseases. Curr Opin Rheumatol. 2019;31(5):421-427. https://doi.org/10.1097/BOR.0000000000000634
  24. Kaplanski G. Interleukin-18: Biological properties and role in disease pathogenesis. Immunol Rev. 2018;281(1):138-153. https://doi.org/10.1111/imr.12616
  25. Takahashi M. NLRP3 inflammasome as a novel player in myocardial infarction. Int Heart J. 2014;55(2):101-105. https://doi.org/10.1536/ihj.13-388
  26. Duewell P, Kono H, Rayner KJ, et al. Activated By Cholesterol Crystals That Form Early in Disease. Nature. 2010;464(7293):1357-1361. https://doi.org/10.1038/nature08938.NLRP3
  27. Liu W, Yin Y, Zhou Z, et al. OxLDL-induced IL-1beta secretion promoting foam cells formation was mainly via CD36 mediated ROS production leading to NLRP3 inflammasome activation. Inflamm Res. 2014;63(1):33-43. https://doi.org/10.1007/s00011-013-0667-3
  28. Pirozhkov SV, Litvitskiy PF. Inflammasomal diseases. Immunologiya. 2018;39(2):158-165. (In Russ.). [Пирожков С.В., Литвицкий П.Ф. Инфламмасомные болезни. Иммунология. 2018;39(2):158-165]. https://doi.org/10.18821/0206-4952-2018-39-2-3-158-165
  29. Volova LT, Osina NK, Kuznetsov SI, et al. Donor-specific production of cytokines by blood cells under the influence of immunomodulators: New aspects of a personalized approach in medicine. Science and Innovations in Medicine. 2022;7(4):250-257. (In Russ.). [Волова Л.Т., Осина Н.К., Кузнецов С.И., и др. Донор-специфичная продукция цитокинов клетками крови под влиянием иммуномодуляторов: новые аспекты персонифицированного подхода в медицине. Наука и инновации в медицине. 2022;7(4):250-257]. https://doi.org/10.35693/2500-1388-2022-7-4-250-257
  30. Damsgaard CT, Lauritzen L, Calder PC, et al. Whole-blood culture is a valid low-cost method to measure monocytic cytokines – A comparison of cytokine production in cultures of human whole-blood, mononuclear cells and monocytes. J Immunol Methods. 2009;340(2):95-101. https://doi.org/10.1016/j.jim.2008.10.005
  31. Zaitseva GA, Vershinina OA, Matrokhina OI, et al. Cytokine status of blood donors and its components. Fundamental research. 2011;3:61-65. (In Russ.). [Зайцева Г.А., Вершинина О.А., Матрохина О.И., и др. Цитокиновый статус доноров крови и ее компонентов. Фундаментальные исследования. 2011;3: 61-65].
  32. Miyazawa H, Wada T. Immune-mediated inflammatory diseases with chronic excess of serum interleukin-18. Front Immunol. 2022;13:1-14. https://doi.org/10.3389/fimmu.2022.930141

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Figure 1. Two-signal pathway activation of the NLRP3 inflammasome. Activated NLRP3 inflammasomes promote the release of Caspase-1, which converts the inactive forms of pro-IL-1 and pro-IL-18 to mature active IL-1 and IL-18, respectively. Gasdermin-D-mediated inflammatory signaling cascade provides the formation of membrane pores through which mature IL-1 and IL-18 are released into the environment.

Download (1MB)
Indexing metadata
3. Figure 2. (A) Analysis of interleukins in donor serum by ELISA. (Б) The amount of TNF- in the conditioned medium of blood cells, obtained from donors with normouricemia (Д МК 232.4 and Д МК 387.9, with an indicator of uric acid in the blood of 232.4 and 387.9 μmol/l, respectively) and hyperuricemia (ГУ МК 454.1, with an indicator of uric acid in the blood 454.1 μmol/l) in the absence (0) and the presence of uric acid (UA) at 0.5- and 1-mM concentration.

Download (991KB)
Indexing metadata
4. Figure 3. ELISA analysis for IL-6 and IL-18 in a cell growth medium containing blood cells from donors (Д with UA in blood 232.4 and 387.9 µmol/L, respectively) and a patient with hyperuricemia (ГУ with UA in blood 454.1) in the absence of (0) and the presence of UA (0.5 and 1 mM).

Download (1MB)
Indexing metadata
5. Figure 4. ELISA analysis of IL-6 and IL-18 in a cell growth medium containing blood cells of donors (Д) and patients with acute gouty arthritis in the absence (0) and the presence of uric acid (1 mM UA).

Download (1MB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Volova L.Т., Pugachev E.I., Starikova T.V., Lebedev P.А., Shafieva I.А., Kuznetsov S.I., Gusyakova O.А., Svetlova G.N., Osina N.K.

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».