Induction of COX-2 enzyme and down-regulation of COX-1 expression by lipopolysaccharide (LPS) control prostaglandin E2 production in astrocytes

Pathological conditions and pro-inflammatory stimuli in the brain induce cyclooxygenase-2 (COX-2), a key enzyme in arachidonic acid metabolism mediating the production of prostanoids that, among other actions, have strong vasoactive properties. Although low basal cerebral COX-2 expression has been reported, COX-2 is strongly induced by pro-inflammatory challenges, whereas COX-1 is constitutively expressed. However, the contribution of these enzymes in prostanoid formation varies depending on the stimuli and cell type. Astrocyte feet surround cerebral microvessels and release molecules that can trigger vascular responses. Here, we investigate the regulation of COX-2 induction and its role in prostanoid generation after a pro-inflammatory challenge with the bacterial lipopolysaccharide (LPS) in astroglia. Intracerebral administration of LPS in rodents induced strong COX-2 expression mainly in astroglia and microglia, whereas COX-1 expression was predominant in microglia and did not increase. In cultured astrocytes, LPS strongly induced COX-2 and microsomal prostaglandin-E2 (PGE2) synthase-1, mediated by the MyD88-dependent NFκB pathway and influenced by mitogen-activated protein kinase pathways. Studies in COX-deficient cells and using COX inhibitors demonstrated that COX-2 mediated the high production of PGE2 and, to a lesser extent, other prostanoids after LPS. In contrast, LPS down-regulated COX-1 in an MyD88-dependent fashion, and COX-1 deficiency increased PGE2 production after LPS. The results show that astrocytes respond to LPS by a COX-2-dependent production of prostanoids, mainly vasoactive PGE2, and suggest that the coordinated down-regulation of COX-1 facilitates PGE2 production after TLR-4 activation. These effects might induce cerebral blood flow responses to brain inflammation

El procés inflamatori desencadenat per l'activació del receptor de immunitat innata TLR-4, i mecanismes naturals d’autorregulació en astròcits

Determinades situacions patològiques en el cervell així com estímuls inflamatoris provoquen un augment en l’expressió de la COX-2. En el context de la isquèmia cerebral, l’augment en l’expressió de la COX-2 està relacionada amb efectes perjudicials. Les cèl•lules del sistema nerviós central (SNC) disposen de sistemes de reconeixement que els permeten detectar i reconèixer agents infecciosos i iniciar una resposta immune per a fer front a una intrusió. Els astròcits expressen receptors tipus Toll-Like, responen als agonistes d’aquests receptors amb l'alliberació de molècules, i són capaços de modular la resposta immune innata. Els astròcits tenen una ubicació estratègica a la interfase entre els vasos sanguinis i el parènquima cerebral, participant així en la funció de la BHE, en la regulació del flux sanguini cerebral, mitjançant l'alliberament de mediadors vasoactius i expressant molècules implicades en la patogènesi d'algunes malalties autoimmunes que afecten la permeabilitat de la BHE. A més, els astròcits formen una intricada xarxa intercomunicativa amb altres cèl•lules nervioses. La senyalització iniciada en els astròcits pot afectar la funció sinàptica cerebral, i tenir un gran impacte en la unitat neurovascular. En aquesta tesi ens hem plantejat l’ objectiu d’esbrinar les vies de senyalització intracel•lular i els mediadors inflamatoris que participen en la resposta dels astròcits a l’activació dels receptors d’immunitat innata, concretament TLR-4, i determinar el paper de la Cox-2 astroglial en la resposta inflamatòria induïda per aquest receptor. L’activació de TLR-4 indueix en els astròcits senyalització a través de NFκB, les vies MAPK i JAK1/STAT1, que al seu torn regulen l'expressió d'una àmplia gamma de molècules proinflamatòries. Malgrat que el LPS no sembla induir IFN-β en els astròcits, sí que promou l'activació JAK1/STAT1 de manera independent de MyD88, i STAT1 pot regular negativament l'expressió de gens que s'indueixen a través de la via MyD88. Aquests resultats mostren l’activació d’una complexa xarxa de senyalització iniciada per l’activació del receptor TLR-4 en astròcits. Les cèl•lules astroglials són sensibles a la immunitat innata, desencadenant una resposta específica del tipus cel•lular i generant un ambient pro-inflamatòri que podria afectar la resposta o viabilitat de les cèl•lules circumdants. El LPS augmenta l’expressió de la COX-2 en astròcits, i també provoca un augment en la producció i alliberació de prostanoïds dependent de l'expressió de la COX-2. El paper clau de la Cox-2 en la producció de prostanoids després de LPS i l'evidència que la manca de l’enzim Cox-2 exacerba l'expressió de diversos mediadors inflamatoris. Aquest efecte es deu, almenys en part, a la manca de mecanismes naturals de regulació negativa induïts per la PGE2. Els mecanismes de retroalimentació d'aquest tipus podrien estar implicats en la resolució natural del procés inflamatori.Brain pathological conditions and pro-inflammatory stimuli induce cyclooxygenase-2 (Cox-2). Cox-2 is regarded as an inflammatory mediator but Cox-2 deficiency exaggerates the cerebral inflammatory response to lipopolysaccharide (LPS). Here we investigate the role of Cox-2 in LPS-induced prostanoids and inflammation in glia. Intracerebral administration of LPS in rodents induced Cox-2 mainly in astroglia and microglia, while Cox-1 expression was constitutive and predominant in microglia, and it did not increase after LPS. In cultured astrocytes, LPS induced Cox-2 and microsomal prostaglandin-E2 (PGE2) synthase-1 expression. Cox-2 fully mediated LPS-induced production of PGE2 and other prostanoids, as demonstrated in Cox-2-deficient cells and using Cox inhibitors. However, Cox-2-deficient astrocytes produced more TNF-alpha and other inflammatory mediators after LPS than the corresponding wild-type cells. Treatment with PGE2 prevented the exacerbated production of TNF-alpha after LPS in Cox-2 KO cells, and an EP4 agonist also attenuated LPS-induced TNF-alpha, supporting that PGE2/EP4 exerted selective feedback regulatory functions. However, Cox-2 inhibitor NS-398 only caused a very mild increase in LPS-induced TNF-alpha in wild-type astrocytes. This difference might be due to certain Cox-2-independent actions of NS-398 since it decreased TNF-alpha in Cox-2 KO cells, and enhanced the reduction of TNFalpha induced by treatment with PGE2. Therefore, Cox-2 deficiency exacerbates LPS-induced TNF-alpha by preventing a natural negative feedback regulation mediated by the Cox-2/PGE2/EP4 axis. In addition to this effect, NS-398 exerts Cox-2-independent actions becoming apparent in the absence of Cox-2 or in the presence of PGE2. The balance between these different effects determines how Cox-2 inhibition modulates inflammatory responses in astrocytes