Russian Journal of Infection and ImmunityRussian Journal of Infection and ImmunityИнфекция и иммунитет2220-76192313-7398SPb RAACI1775210.15789/2220-7619-PCP-17752SHORT COMMUNICATIONSКРАТКИЕ СООБЩЕНИЯResearch ArticleProinflammatory cytokine production by adherent donor blood cells stimulated by soluble LPS and phagocyted bacteriaПродукция провоспалительных цитокинов в ответ на стимуляцию адгезирующихся клеток донорской крови растворимым ЛПС и фагоцитируемыми бактериямиLysakovaE. V.ЛысаковаЕ. В.
Russian Federation

PhD Student

аспирант

toschakov.vy@talantiuspeh.ruRybtsovS. A.РыбцовС. А.
Russian Federation

PhD (Biology), Head of the Resource Center for Cell Technologies and Immunology

к.б.н., руководитель ресурсного центра клеточных технологий и иммунологии

toschakov.vy@talantiuspeh.ruToshchakovVladimir Yu.ТощаковВладимир Юрьевич
Russian Federation

PhD (Medicine), Leading Researcher, Division of Immunobiology and Biomedicine

к.м.н., ведущий научный сотрудник, направление «Иммунобиология и биомедицина»

toschakov.vy@talantiuspeh.ruSirius University of Science and TechnologyАНО ВО Научно-технологический университет «Сириус»13082024300420251511781840208202405082024Copyright ©; 2025, Lysakova E.V., Rybtsov S.A., Toshchakov V.Y.Copyright ©; 2025, Лысакова Е.В., Рыбцов С.А., Тощаков В.Ю.2025Lysakova E.V., Rybtsov S.A., Toshchakov V.Y.Лысакова Е.В., Рыбцов С.А., Тощаков В.Ю.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://iimmun.ru/iimm/article/view/17752

Specific stimulation of receptors of the innate immune system by their purified ligands is commonly used in basic studies of inflammation and in the development of anti-inflammatory drugs. Based on location, receptors of the innate immunity can be classified into two groups: i) cell plasma membrane and on membranes of endosomes (Toll-like receptors (TLRs) and C-type lectin receptors), and recognizing the presence of pathogens in the extracellular space; ii) cytoplasmic sensors playing a special role in the recognition of intracellular pathogens (NOD-like receptors (NLRs), RIG-I-like receptors (RLRs), bacterial DNA sensor cGAS, and Aim2 (absent in melanoma 2). Many experimental models of inflammation use bacterial lipopolysaccharides (LPSs) or other purified microbial molecules to simulate the innate immune response to microbes. In the present study, the response of human blood leukocytes to stimulation with soluble, highly purified LPS from gram-negative bacteria was compared with that induced by formalin-fixed, corpuscular E. coli. The data obtained demonstrate that LPS and bacteria induce similar levels of TNF and IL-6 by plastic-adherent leukocytes, whereas neither LPS nor whole bacteria induce a measurable IFNγ production. The LPS- and bacteria-induced cytokine production, however, drastically differed in the sensitivity to a broad-spectrum TLR inhibitor, peptide 5R667. The LPS-stimulated human leukocyte cytokine production, as expected, was highly sensitive to inhibition by the peptide, whereas production stimulated by corpuscular bacteria was not. The TLR-blocking peptide did not affect the ability of blood leukocytes to phagocytose E. coli as shown by flow cytometry data obtained using FITC-stained fixed bacteria. Because peptide 5R667 blocks several TLRs, including TLR4, TLR5, and TLR9, the differential sensitivity of LPS- and bacteria-induced cytokine production to 5R667 suggests that the intracellular pathogen sensors, most likely NOD1 and/or NOD2, essentially contribute to the bacteria-induced cytokine induction. These results show that LPS and phagocyted bacteria induce cytokine production via different mechanisms and also suggest that the models with corpuscular bacteria for simulating bacterially induced inflammation complement the models that using soluble TLR ligands; therefore, both models should be applied to properly reflect anti-bacterial immune response.

Моделирование воспалительных процессов посредством специфической стимуляции рецепторов системы врожденного иммунитета широко используется как в исследованиях фундаментальных механизмов воспаления, так и при разработке противовоспалительных препаратов. Рецепторы врожденного иммунитета разделяют на две группы. Первую группу образуют рецепторы, располагающиеся на плазматической мембране клетки и на мембранах эндосом. К таким рецепторам относят Toll-подобные рецепторы (TLRs, Toll-like receptors) и лектиновые рецепторы С-типа. Вторую группу представляют цитоплазматические рецепторы, играющие особую роль при распознавании присутствия патогенов (или их продуктов) внутри цитоплазмы клеток. К цитоплазматическим рецепторам относят NOD-подобные рецепторы (NOD-like receptors, NLRs), RIG-I-подобные рецепторы (RIG-I-like receptors, RLRs), цитозольный ДНК-сенсор cGAS, а также рецептор Aim2 (absent in melanoma 2). Наиболее часто используемым способом индукции воспалительных процессов в различных экспериментальных моделях является стимуляция иммунного ответа путем введения очищенных бактериальных липополисахаридов (ЛПС) или других микробных молекул. В настоящей работе сравнивался ответ лейкоцитов периферической крови доноров на стимуляцию растворимым высокоочищенным ЛПС грамотрицательных бактерий с ответом, индуцированным фиксированными бактериями E. coli. Исследования показали, что ЛПС и бактерии индуцируют сходные уровни продукции провоспалительных цитокинов, таких как TNF и IL-6, в то время как ни ЛПС, ни цельные бактерии не вызывали измеримой продукции IFNg адгезированными лейкоцитами. Продукция цитокинов в ответ на ЛПС и бактерии резко различалась в чувствительности к TLR-ингибитору широкого спектра действия, пептиду 5R667. ЛПС-стимулированная продукция цитокинов, как и ожидалось, была высокочувствительна к ингибированию пептидом, тогда как продукция, стимулированная корпускулярными бактериями, не ингибировалась. Анализ фагоцитарной активности клеток крови с помощью метода проточной цитометрии показал, что TLR-блокирующий пептид не влиял на способность лейкоцитов крови фагоцитировать E. coli. Поскольку известно, что пептид 5R667 блокирует ряд TLRs, активируемых при бактериальных инфекциях, включая TLR4, TLR5 и TLR9, полученные данные, а также анализ литературы указывают на существенный вклад цитоплазматических рецепторов системы врожденного иммунитета (в частности рецепторов NOD1 и NOD2) в индукцию продукции провоспалительных цитокинов фагоцитами при бактериальных инфекциях. Полученные результаты указывают на существенные различия механизмов индукции цитокинов при стимуляции растворимым ЛПС и корпускулярными бактериями, а также позволяют предложить способ моделирования воспалительных процессов с использованием цельных фиксированных бактерий в качестве дополнения к моделям, использующим растворимые бактериальные продукты, для более полного отражения механизмов иммунного ответа на бактериальные инфекции.

phagocytosisbacteriaLPSpathogen sensingcytokine productionTLR inhibitorsфагоцитозбактерииЛПСдетекция патогеновпродукция цитокиновингибиторы Toll-подобных рецепторовРоссийский научный фондRussian Science Foundation23-15-00443Elinav E., Strowig T., Henao-Mejia J., Flavell R.A. Regulation of the antimicrobial response by NLR proteins. Immunity, 2011, vol. 34, pp. 665–679. doi: 10.1016/j.immuni.2011.05.007Fu Y.L., Harrison R.E. Microbial phagocytic receptors and their potential involvement in cytokine induction in macrophages. Front. Immunol., 2021, vol. 12: 662063. doi: 10.3389/fimmu.2021.662063Janeway C.A., Medzhitov R. Innate immune recognition. Annu. Rev. Immunol., 2002, vol. 20, pp. 197–216. doi: 10.1146/annurev.immunol.20.083001.084359Javmen A., Zou J., Nallar S.C., Szmacinski H., Lakowicz J.R., Gewirtz A.T., Toshchakov V.Y. TLR5-derived, TIR-interacting decoy peptides to inhibit TLR signaling. J. Immunol., 2023, vol. 210, pp. 1419–1427. doi: 10.4049/jimmunol.2200394Kawai T., Akira S. Toll-like receptors and their crosstalk with other innate receptors in infection and immunity. Immunity, 2011, vol. 34, pp. 637–650. doi: 10.1016/j.immuni.2011.05.006Keestra-Gounder A.M., Tsolis R.M. NOD1 and NOD2: beyond peptidoglycan sensing. Trends Immunol., 2017, vol. 38, pp. 758–767. doi: 10.1016/j.it.2017.07.004Lysakova E.V., Shumeev A.N., Chuvpilo S.A., Laktyushkin V.S., Arsentieva N.A., Bobrov M.Y., Rybtsov S.A. Quantitative analysis of phagocytosis in whole blood using double staining and visualization. Biochemistry (Moscow), 2024, vol. 89, pp. 923–932. doi: 10.1134/S0006297924050122Núñez G. Intracellular sensors of microbes and danger. Immunol. Rev., 2011, vol. 243, pp. 5–8. doi: 10.1111/j.1600-065X.2011. 01058.xOgura Y., Inohara N., Benito A., Chen F.F., Yamaoka S., Núñez G. Nod2, a Nod1/Apaf-1 family member that is restricted to monocytes and activates NF-κB. J. Biol. Chem., 2001, vol. 276, pp. 4812–4818. doi: 10.1074/jbc.M008072200Sundaram B., Tweedell R.E., Prasanth Kumar S., Kanneganti T.D. The NLR family of innate immune and cell death sensors. Immunity, 2024, vol. 57, pp. 674–699. doi: 10.1016/j.immuni.2024.03.012Toshchakov V.Y. Peptide-based inhibitors of the induced signaling protein interactions: current state and prospects. Biochemistry (Moscow), 2024, vol. 89, pp. 784–798. doi: 10.1134/S000629792405002XToshchakov V.Y., Javmen A. Targeting the TLR Signalosome with TIR domain-derived cell-permeable decoy peptides: the current state and perspectives. Innate Immun., 2020, vol. 26, pp. 35–47. doi: 10.1177/1753425919844310Toshchakov V., Jones B.W., Perera P.Y., Thomas K., Cody M.J., Zhang S., Williams B.R.G., Major J., Hamilton T.A., Fenton M.J., Vogel S.N. TLR4, but Not TLR2, Mediates IFN-β-induced STATIα/β-dependent gene expression in macrophages. Nat. Immunol., 2002, vol. 3, no. 4, pp. 392–398. doi: 10.1038/ni774Toshchakov V.Y., Neuwald A.F. A survey of TIR domain sequence and structure divergence. Immunogenetics, 2020, vol. 72, pp. 181–203. doi: 10.1007/s00251-020-01157-7Zhou H., Coveney A.P., Wu M., Huang J., Blankson S., Zhao H., O’Leary D.P., Bai Z., Li Y., Redmond H.P., Wang J.H., Wang J. Activation of both TLR and NOD signaling confers host innate immunity-mediated protection against microbial infection. Front. Immunol., 2019, vol. 9: 3082. doi: 10.3389/fimmu.2018.03082