Gout as an autoinflammatory disease: from cellular to genetic mechanisms

Abstract

La gota ha estat classificada com a malaltia autoinflamatòria pel seu caràcter autolimitat i la participació del sistema immune innat i IL-1β en la seva patogènia. Durant els últims anys, l'evidència que els cristalls d'urat monosòdic (UMS) activen l'inflamasoma NLRP3, juntament amb l'eficàcia del tractament bloquejant de IL-1 en pacients gotosos, han reafirmat el concepte de gota com a malaltia autoinflamatòria. Tot i això, algunes preguntes relatives a la seva patogènia encara no tenen resposta. La presència de cristalls d'UMS en articulacions asimptomàtiques o el perquè no tots els pacients amb hiperuricèmia desenvolupen clínica de gota en són alguns exemples. En la present tesi hem centrat la nostra atenció en el sistema mononuclear fagocític amb la hipòtesi que l'estat d'activació o maduració dels monòcits i macròfags modula la resposta inflamatòria als cristalls d'UMS. Pel que fa als macròfags, la nostra hipòtesi és que els macròfags residents, després d'entrar en contacte amb els cristalls, adquireixen un fenotip inflamatori, sent capaços de produir citocines inflamatòries en presència d'un segon estímul. Per a demostrar-ho, hem emprat un model in vitro de macròfags derivats de monòcits humans polaritzats cap a fenotips M1 o M2 en la presència de GM-CSF o M-CSF respectivament, considerant als M2 com a model de macròfags residents a la sinovial. Tant els macròfags M1 com els M2 foren incapaços de produir IL-1β després d'estimulació amb cristalls d'UMS o LPS. Però en presència de cristalls d'UMS, els macròfags M2 van secretar IL-1β, disminuint a més la seva producció de IL-10, en rebre un segon estímul amb LPS. Inesperadament, l'àcid úric soluble va exercir un efecte supressor en ambdues citocines. Els resultats dels nostres experiments demostren que la producció de IL-1β per part dels macròfags M2 s'explica perquè els cristalls d'UMS són capaços d'activar caspasa-1 a través de l'activació de l'inflamasoma, mentre que LPS indueix la producció de la forma inactiva de pro-IL-1β i caspasa-1. La nostra anàlisi de l'inflamasoma en macròfags M1 i M2 ha mostrat trets diferencials que podrien explicar els seus diferents requeriments per a la producció de IL-1β. Per a investigar si una major reactivitat dels monòcits enfront dels cristalls d'UMS podria explicar perquè uns individus desenvolupen gota i d'altres no, vàrem comparar l'activació de l'inflamasoma en monòcits de pacients gotosos amb controls sans. Els monòcits de pacients gotosos presentaren una major activació de l'inflamasoma en presència dels cristalls d'UMS. Per tant, els nostres resultats suggereixen que els pacients amb gota presenten una major reactivitat enfront dels cristalls d'UMS. Per a completar l'estudi vam genotipar l'exó 3 del gen NLRP3, sense trobar associació de cap polimorfisme amb la gota. Finalment, vam analitzar la distribució de diferents subpoblacions de monòcits en sang perifèrica, observant una expansió dels monòcits amb fenotip intermedi (CD14++CD16+) en pacients durant un brot d'artritis gotosa, mentre que no varen existir diferències entre pacients gotosos asimptomàtics i controls sans.

Gout has been classified as an autoinflammatory disease because of its self-remitting course and the involvement of the innate immune system and IL-1β in its pathogenesis. During the last years, the evidence of NLRP3 inflammasome activation by monosodium urate (MSU) crystals and the beneficial effect of IL-1 blockade for the treatment of patients with gout, have reaffirmed the concept of gout as an autoinflammatory disease. However, some questions regarding its pathogenesis remain still unanswered. The presence of MSU crystals in asymptomatic joints or why not all individuals with hyperuricemia develop clinical gout, are some examples. In this thesis we centred our attention in the mononuclear phagocyte system with the hypothesis that the state of activation or maturation of monocytes and macrophages modulates the inflammatory response to MSU crystals. Regarding macrophages, our hypothesis is that resident macrophages, after contact with MSU crystals, acquire an inflammatory phenotype, being able to produce inflammatory cytokines in the presence of a second signal or trigger. Therefore, to test it, we used an in vitro model of human monocyte-derived macrophages polarized towards M1 or M2 phenotypes in the presence of GM-CSF and M-CSF respectively, considering M2 macrophages a model of resident synovial macrophages. M1 and M2 macrophages failed to produce IL-1β after stimulation with MSU crystals or LPS. However, in the presence of MSU, M2 macrophages produced IL-1β and decreased IL-10 secretion when LPS was added. Surprisingly, soluble uric acid had a suppressive effect for expression of both cytokines. The production of IL-1β was explained because MSU crystals increased the presence of active caspase-1, reflecting inflammasome activation, whereas LPS induced pro-IL-1β and inactive caspase-1 production. Analysis of inflammasome activation in M1 and M2 macrophages revealed differences in inflammasome proteins, that could account for their different IL-1β production. To investigate if the capacity of monocytes to react to MSU crystals could explain why some individuals develop gout, we compared the inflammasome activation induced by MSU crystals in PBMCs from gouty patients with healthy controls. PBMCs of patients with gout exhibited enhanced inflammasome activation after culture with MSU. Therefore, our results suggest that patients with gout have an increased reactivity to MSU crystals. To provide further insight, we genotyped exon 3 of NLRP3 gene in gout patients, without finding any association of gout with polymorphisms in this gene. Finally, we analyzed the distribution of different monocyte phenotypes or blood subpopulations in patients with gout. We observed an expansion of the intermediate subpopulation (CD14++CD16+) during gout flares, but no differences were observed in any of the subpopulations between asymptomatic patients and healthy controls.