Inflammation is a protective response to infection or injury. However, prolonged inflammation can contribute to the pathogenesis of many diseases, such as cancer, diabetes, arthritis, atherosclerosis, and Alzheimer's disease. Recent studies have shown that activated macrophages, inflammatory effector cells, can react to tissue insults in a polarized manner, in which their phenotypes are polarized into two major subtypes, categorized as M1 or M2. Classical M1 activation involves the production of pro-inflammatory cytokines, such as interleukin (IL)-6 and tumor necrosis factor (TNF)-${\alpha}$, and free radicals, while M2 or alternative activation is an anti-inflammatory phenotype involved in homeostatic processes, such as wound healing, debris scavenging, and the dampening of inflammation via the production of very low levels of pro-inflammatory cytokines and high levels of anti-inflammatory mediators, including IL-10. As part of our ongoing effort to isolate anti-inflammatory compounds from seaweeds, we investigated the effects of phlorotannins isolated from the brown alga Ecklonia stolonifera on macrophage polarization. Mouse peritoneal macrophages were treated with various concentrations of the extracts, and real-time RT-PCR analyses were performed to examine the expression of polarization markers: IL-$1{\beta}$, IL-6, and TNF-${\alpha}$ for M1 and arginase-1, peroxisome proliferator-activated receptor (PPAR)-${\gamma}$, found inflammatory zone-1 (Fizz-1), chitinase 3-like 3 (Ym1), and$Kr{\ddot{u}}ppel$-like factor 4 (Klf-4) for M2. The pretreatment of cells with eckol, dieckol, and phlorofucofuroeckol-A (PFF-A), isolated from the ethyl acetate fraction of E. stolonifera ethanolic extract, potentiated the anti-inflammatory M2 phenotype of the macrophages. These results indicate that phlorotannins derived from E. stolonifera can be used to enrich macrophages with markers of the M2 anti-inflammatory state.
During tumor progression various immunosuppressive cells are recruited to a tumor microenvironment (TME). Tumor-associated macrophages (TAMs) are particularly abundant in TME. Based on their function, macrophages are categorized into two phenotypes: tumoricidal M1 and tumor-supportive M2. Generally, TAMs closely resemble M2-macrophages and lead to tumor growth. However, their phenotype can be changed by immune activator from M2 to M1 and thus promote tumor immunotherapy. Ginseng extracts are well known for its anti-tumor and anti-inflammatory effects from numerous reported studies. However, the mechanism of their effects is still not clear. Recently, some studies suggested that ginseng extracts induced immune activation as well as anti-tumor activities by a repolarization of activated macrophage from M2 phenotype to M1 phenotype. But, further verification about the mechanism as to how ginseng extracts can stimulate the immune response is still needed. In this study, we investigated whether ginseng extracts can alter the phenotype from M2 macrophages to M1 macrophages in mice by using a radiolabeled liposome. And we also evaluated the potential of radiolabeled liposome as a nuclear imaging agent to monitor the transition of phenotype of TAMs. In conclusion, the ginseng extracts seem to change the phenotype of macrophages from M2 to M1 like as lipopolysaccharide (LPS) in mice.
Kim, Chu-Sook;Choi, Hye-Seon;Joe, Yeonsoo;Chung, Hun Taeg;Yu, Rina
Nutrition Research and Practice
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제10권6호
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pp.623-628
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2016
BACKGROUND/OBJECTIVES: Obesity-induced steatohepatitis accompanied by activated hepatic macrophages/Kupffer cells facilitates the progression of hepatic fibrinogenesis and exacerbates metabolic derangements such as insulin resistance. Heme oxyganase-1 (HO-1) modulates tissue macrophage phenotypes and thus is implicated in protection against inflammatory diseases. Here, we show that the flavonoid quercetin reduces obesity-induced hepatic inflammation by inducing HO-1, which promotes hepatic macrophage polarization in favor of the M2 phenotype. MATERIALS/METHODS: Male C57BL/6 mice were fed a regular diet (RD), high-fat diet (HFD), or HFD supplemented with quercetin (HF+Que, 0.5g/kg diet) for nine weeks. Inflammatory cytokines and macrophage markers were measured by ELISA and RT-PCR, respectively. HO-1 protein was measured by Western blotting. RESULTS: Quercetin supplementation decreased levels of inflammatory cytokines ($TNF{\alpha}$, IL-6) and increased that of the anti-inflammatory cytokine (IL-10) in the livers of HFD-fed mice. This was accompanied by upregulation of M2 macrophage marker genes (Arg-1, Mrc1) and downregulation of M1 macrophage marker genes ($TNF{\alpha}$, NOS2). In co-cultures of lipid-laden hepatocytes and macrophages, treatment with quercetin induced HO-1 in the macrophages, markedly suppressed expression of M1 macrophage marker genes, and reduced release of MCP-1. Moreover, these effects of quercetin were blunted by an HO-1 inhibitor and deficiency of nuclear factor E2-related factor 2 (Nrf2) in macrophages. CONCLUSIONS: Quercetin reduces obesity-induced hepatic inflammation by promoting macrophage phenotype switching. The beneficial effect of quercetin is associated with Nrf2-mediated HO-1 induction. Quercetin may be a useful dietary factor for protecting against obesity-induced steatohepatitis.
Asthma is a chronic airway inflammatory disease characterized by reversible airway obstruction and airway hyperreactivity to various environmental stimuli, leading to recurrent cough, dyspnea, and wheezing episodes. Regarding inflammatory mechanisms, type 2/eosinophilic inflammation along with activated mast cells is the major one; however, diverse mechanisms, including structural cells-derived and non-type 2/neutrophilic inflammations are involved, presenting heterogenous phenotypes. Although most asthmatic patients could be properly controlled by the guided treatment, patients with severe asthma (SA; classified as a treatment-refractory group) suffer from uncontrolled symptoms with frequent asthma exacerbations even on regular anti-inflammatory medications, raising needs for additional controllers, including biologics that target specific molecules found in asthmatic airway, and achieving the precision medicine for asthma. This review summarizes the immunologic basis of airway inflammatory mechanisms and current biologics for SA in order to address unmet needs for future targets.
Background: Chronic low grade inflammation is closely linked to type II diabetes, obesity, and atherosclerosis. Macrophages play a key role in the regulation of pro- or anti-inflammatory actions at the lesion sites of disease. Components of cordyceps militaris, cordycepin and adenosine, have been used for the modulation of inflammatory diseases. The effects of cordycepin in the modulation of macrophages have yet to be be elucidated. We investigated the effects of cordycepin and adenosine on the morphological changes of macrophages under the inflammatory condition of LPS and an anti-inflammatory condition involving high concentrations of adenosine. Methods: We confirmed the mRNA levels of the M1/M2 cytokine genes through RT-PCR and morphological change. Results: LPS-activated macrophages returned to their inactivated original shape, i.e., they looked like naive macrophages, through the treatment with high concentrations of cordycepin ($40{\mu}g/ml$). LPS and adenosine activated macrophages also returned to their original inactivated shapes after cordycepin treatment; however, at relatively higher levels of cordycepin than adenosine. This change did not occur with relatively low concentrations of cordycepin. Adenosine down-regulated the gene expression of M1 cytokines (IL-$1{\beta}$, TNF-${\alpha}$) and chemokines (CX3CR1, RANTES), such as cordycepin. Additionally, M2 cytokines (IL-10, IL-1ra, TGF-${\beta}$) were up-regulated by both cordycepin and adenosine. Conclusion: Based on these observations, both cordycepin and adenosine regulated the phenotypic switch on macrophages and suggested that cordycepin and adenosine may potentially be used as immunomodulatory agents in the treatment of inflammatory disease.
In the progression of atherosclerosis, macrophages are the key immune cells for foam cell formation. During hyperlipidemic condition, phagocytic cells such as monocytes and macrophages uptake oxidized low-density lipoproteins (oxLDLs) accumulated in subintimal space, and lipid droplets are accumulated in their cytosols. In this review, we discussed the characteristics and phenotypic changes of macrophages in atherosclerosis and the effect of cytosolic lipid accumulation on macrophage phenotype. Due to macrophage plasticity, the inflammatory phenotypes triggered by oxLDL can be re-programmed by cytosolic lipid accumulation, showing downregulation of NF-κB activation followed by activation of anti-inflammatory genes, leading to tissue repair and homeostasis. We also discuss about various in vivo and in vitro models for atherosclerosis research and next generation sequencing technologies for foam cell gene expression profiling. Analysis of the phenotypic changes of macrophages during the progression of atherosclerosis with adequate approach may lead to exact understandings of the cellular mechanisms and hint therapeutic targets for the treatment of atherosclerosis.
A high salt diet contributes to kidney damage by causing hypoxia and oxidative stress. Recently, an increase in dietary salt has been reported to induce an inflammatory phenotype in immune cells, further contributing to kidney damage. However, studies on the exact mechanism and role of a high salt diet on the inflammatory response in the kidneys are still insufficient. In this study, a cisplatin-induced acute kidney injury model using C57BL/6 mice was used to analyze the effect of salt intake on kidney injury. Results showed that high salt administration aggravated kidney edema in mice induced by treatment with cisplatin. Moreover, the indicators of kidney and liver function impairment were significantly increased in the group cotreated with high salt compared with that treated with cisplatin alone. Furthermore, the exacerbation of kidney damage by high salt administration was also associated with a decrease in the number of cells in the immune regulatory system. Additionally, high salt administration further decreased renal perfusion functions along with increased cisplatin-induced damage to proximal tubules. This was accompanied by increased expression of T cell immunoglobulin, mucin domain 1 (a biomarker of kidney injury), and Bax (a pro-apoptotic factor). Moreover, cisplatin-induced expression of proinflammatory mediators and cytokines, including cyclooxygenase-2 and tumor necrosis factor-α in kidney tissue, was further increased by high salt intake. Therefore, these results indicate that the kidney's inflammatory response by high salt treatment can further promote kidney damage caused by various pathological factors.
Background: Ginsenoside Rd (GSRd), a main component of the root of Panax ginseng, exhibits anti-inflammation functions and decreases infarct size in many injuries and ischemia diseases such as focal cerebral ischemia. M1 Macrophages are regarded as one of the key inflammatory cells having functions for disease progression. Methods: To investigate the effect of GSRd on renal ischemia/reperfusion injury (IRI) and macrophage functional status, and their regulatory role on mouse polarized macrophages in vitro, GSRd (10-100 mg/kg) and vehicle were applied to mice 30 min before renal IRI modeling. Renal functions were reflected by blood serum creatinine and blood urea nitrogen level and histopathological examination. M1 polarized macrophages infiltration was identified by flow cytometry analysis and immunofluorescence staining with $CD11b^+$, $iNOS^+$/interleukin-12/tumor necrosis factor-${\alpha}$ labeling. For the in vitro study, GSRd ($10-100{\mu}g/mL$) and vehicle were added in the culture medium of M1 macrophages to assess their regulatory function on polarization phenotype. Results: In vivo data showed a protective role of GSRd at 50 mg/kg on Day 3. Serum level of serum creatinine and blood urea nitrogen significantly dropped compared with other groups. Reduced renal tissue damage and M1 macrophage infiltration showed on hematoxylin-eosin staining and flow cytometry and immunofluorescence staining confirmed this improvement. With GSRd administration, in vitro cultured M1 macrophages secreted less inflammatory cytokines such as interleukin-12 and tumor necrosis factor-${\alpha}$. Furthermore, macrophage polarization-related pancake-like morphology gradually changed along with increasing concentration of GSRd in the medium. Conclusion: These findings demonstrate that GSRd possess a protective function against renal ischemia/reperfusion injury via downregulating M1 macrophage polarization.
대식세포는 특성에 따라 크게 classically activated macrophages (M1-phenotype macrophages)와 alternatively activated macrophages (M2-phenotype macrophages) 두 가지의 형태로 나눌 수 있다. M1 대식세포의 경우 직·간접적으로 병원체, 감염된 조직 및 암세포 등을 제거하는 능력을 가진 반면, M2 대식세포의 경우 항염증 반응을 동반한 손상된 세포 조직의 복구 및 세포외기질의 생성에 관여하고 있다. 본 연구에서는 상황버섯 열수추출물을 합성 흡착제인 Diaion HP-20에 통과시켜 소수성 물질을 제거한 시료(PLEP)을 이용하여 인간 유래 THP-1 단핵구 세포주의 염증성 혹은 항염증성 분극화 특성을 알아보았다. 먼저 PLEP 자체의 단핵구 세포에 대한 세포독성을 확인한 결과, 고농도의 300 ㎍/ml에서 세포독성이 확인되지 않았다. 한편 세포의 형태학적 변화를 확인한 결과, PLEP의 농도가 증가함에 따라 M1- phenotype 대식세포와 유사한 flatted and branched 형태가 증가하였다. 대식세포로 분화시킨 THP-1 세포주에 PLEP를 처리한 후, M1 대식세포 분극화 관련 유전자인 TNFα, IL-1β, IL-6, IL-8, CXCL10, CCR7과 M2-분극화 관련 유전자인 MRC-1, DC-SIGN, CCL17, CCL22의 유전자 발현량을 조사하여 분극화 양상을 알아보았다. 그 결과, M1-분극화 관련 유전자들은 PLEP 농도 의존적으로 증가하였지만, M2-분극화 관련 유전자들은 반대로 감소하였다. 또한 ELISA assay를 통하여 M1 분극화 관련 cytokine인 TNFα, IL-1β, IL-6의 발현량이 유전자의 발현량과 동일하게 증가하였다. 이러한 cytokine들의 분비를 촉진시키는 MAPK signaling 또한 PLEP의 농도가 증가함에 따라 촉진되었고 염증성 cytokine과 관련된 전사인자 NF-κB의 활성화도 증가하였다. 따라서 PLEP는 인간 유래 THP-1 세포주에서의 M1 대식세포 분극화를 통해 염증 반응을 유발하는 것으로 확인되어 염증을 촉진하는 천연물질로 이용할 수 있을 것으로 전망된다.
Kim, Ran;Song, Byeong-Wook;Kim, Minji;Kim, Won Jung;Lee, Hee Won;Lee, Min Young;Kim, Jongmin;Chang, Woochul
BMB Reports
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제53권11호
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pp.600-604
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2020
Macrophages are re-educated and polarized in response to myocardial infarction (MI). The M2 anti-inflammatory phenotype is a known dominator of late stage MI. Mesenchymal stem cells (MSCs) represent a promising tool for cell therapy, particularly heart related diseases. In general, MSCs induce alteration of the macrophage subtype from M1 to M2, both in vitro and in vivo. We conjectured that hypoxic conditions can promote secretome productivity of MSCs. Hypoxia induces TGF-β1 expression, and TGF-β1 mediates M2 macrophage polarization for anti-inflammation and angiogenesis in infarcted areas. We hypothesized that macrophages undergo advanced M2 polarization after exposure to MSCs in hypoxia. Treatment of MSCs derived hypoxic conditioned medium (hypo-CM) promoted M2 phenotype and neovascularization through the TGF-β1/Smad3 pathway. In addition, hypo-CM derived from MSCs improved restoration of ischemic heart, such as attenuating cell apoptosis and fibrosis, and ameliorating microvessel density. Based on our results, we propose a new therapeutic method for effective MI treatment using regulation of macrophage polarization.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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