The role of the pro-inflammatory cytokine Interleukin-18, its processing enzyme Caspase-1, and potential alternative IL-18-activating pathways in atherosclerosis

Gerdes, Norbert (2005). The role of the pro-inflammatory cytokine Interleukin-18, its processing enzyme Caspase-1, and potential alternative IL-18-activating pathways in atherosclerosis. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

Atherosclerosis is the predominant underlying pathology of cardiovascular disease, the most common cause of premature death in the industrialized world. Recent research attributed inflammation a crucial role in atherosclerosis. Indeed, atherosclerotic lesions are characterized by abundance of immune cells and their effector molecules, accelerating atherogenesis and eventually leading to clinical symptoms such as unstable angina, myocardial infarction, or stroke. We have recently implicated the pro-inflammatory cytokine interleukin (IL)-18 as a novel mediator in this disease. The present work aims to evaluate the in vivo role of this cytokine and its activating protease Caspase-1 in atherosclerosis. Interestingly, IL-18-deficiency limited early lesion development in hyperlipidemic mice but did not affect atherogenesis after prolonged hyperlipidemia. These studies suggest a direct role for IL-18 in disease progression extending beyond the classical function of this cytokine, the induction of interferon gamma. Additional experiments employing chimeric mice, that lacked the IL-18R alpha on either the hematopoietic or the vascular cells, generated by bone-marrow transplantation, revealed that IL-18R alpha does not participate in the pro-atherogenic effects of IL-18 Surprisingly, deficiency of Caspase-1 did not diminish atherogenesis, thus suggesting alternative mechanisms of IL-18 activation during atherosclerosis. Subsequent experiments tested whether matrix metalloproteinases (MMPs), enzymes prominently expressed in atherosclerotic lesions mediate the maturation of the IL-18 precursor (proIL-18). Indeed, several recombinant MMPs proteolytically cleaved the precursor in vitro, and MMP-2- and MMP-8 processed proIL-18 exhibited IL-18 activity. Sequence analysis of processed proIL-18 demonstrated that cleavage sites of MMP-2 and MMP-8 differ from that of Caspase-1. Finally, the presence of mature/processed IL-18 in atherosclerotic tissue of Caspase-1-deficient mice highlighted the potential in vivo relevance of such an alternative, MMP-mediated IL-18 activation mechanism for this pro-inflammatory disease. In sum, this work directly demonstrates the pro-atherogenic role of IL-18 independent of IL-18R alpha or Caspase-1. These surprising observations provide a novel understanding of IL-18 biology and may foster re-thinking of current approaches for the therapeutic intervention of this pathway in prevalent inflammatory diseases.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

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Abstract

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Die Arteriosklerose mit ihren klinischen Komplikationen ist eine der häufigsten Todesursachen in den westlichen Industrienationen. Abstandnehmend vom klassischen Verständnis als Erkrankung des Fettstoffwechsels mit konsekutiver Einlagerung von Lipiden in der Gefäßwand und hierdurch provozierten mechanischen Komplikationen, geht man heute vielmehr von einem komplexen dynamischen Krankheitsbild aus. Dabei sind insbesondere inflammatorische und immunologische Prozesse von entscheidender pathophysiologischer Bedeutung. In der Tat beinhalten arteriosklerotische Läsionen eine Vielzahl immunologisch aktiver Zellen. Diese produzieren verschiedenste proinflammatorische Mediatoren, welche ihrerseits die Atherogenese unterhalten und letztlich zum Auftreten klinischer Symtome führen, wie etwa der instabilen Angina, des Mykardinfarktes oder des Schlaganfalls. Unlängst konnten wir das proinflammatorische Zytokin Interleukin-18 (IL-18) als neuen, potentiellen Mediator der Arteriosklerose identifizieren. Auf diesen Ergebnissen aufbauend besteht das Ziel der vorliegenden Arbeit darin, die in vivo Rolle von IL-18 und seiner aktivierenden Protease Caspase-1 in der Arteriosklerose am Mausmodell zu evaluieren. Interressanterweise führte die IL-18-Defizienz zu einer signifikanten Reduktion früher arteriosklerotischer Läsionen, während spätere Stadien der Erkrankung unbeeinflusst blieben. Diese Studien verdeutlichen, dass IL-18 über seine klassiche Funktion, der Induktion von Interferon (IFN)-gamma, hinausgehend von pathophysiologischer Bedeutung für die Progression der Arteriosklerose ist. Weiterführende Experimente an durch Knochenmarktransplantation erhaltenen chimären Mäusen mit IL-18R alpha defizienten hämatopoetischen bzw. vaskuläre Zellen ergaben, dass die proatherogenen Effekte von IL-18 nicht über den IL-18R alpha vermittelt werden. Ferner vermochte die Caspase-1 Defizienz überraschender Weise nicht die Atherogenese zu beeinflussen, ein Ergebnis, welches alternative Mechanismen der IL-18 Aktivierung nahelegte. Im Folgenden durchgeführte Experimente untersuchten, ob Matrixmetalloproteinasen (MMPs), welche in arteriosklerotischen Plaques überexprimiert werden, einen solchen alternativen Aktivierunsgweg darstellen könnten. In der Tat bewirkten mehrere rekombinante MMPs die proteolytische Spaltung von pro-IL-18. Insbesondere MMP-2 und MMP-8 prozessiertes proIL-18 zeigte biologische Aktivität. Sequenzanalysen des prozessierten proIL-18 identifizierten Schnittstellen, die von der klassischen Schnittstelle von Caspase-1 differierten. Abschließend gelang der Nachweis von prozessiertem IL-18 in Casape-1 defizienten Mäusen. Dieser Befund unterstreicht die biologische in vivo Relevanz eines solchen alternativen MMP-vermittelten Aktivierungsweges. Zusammenfassend zeigt die vorliegende Arbeit die proatherogene Rolle von IL-18 in vivo auf und weist deren Unabhängigkeit von IL-18R alpha und Caspase-1 nach. Der letztere Befund ist überraschend und trägt wesentlich zum besseren Verständnis der biologischen Funktion von IL-18 bei. Die dargestellten Ergebnisse haben potentiell tiefgreifende Konsequenzen für gegenwärtige Strategien zur therapeutischen Intervention dieser biologischen Kaskaden.

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