Deregulated inflammasome in Bipolar Disorder (BD): a matter of stress?

Abstract

Os problemas de saúde mental constituem a principal fonte de carga económica mundial, estimando-se que o custo global seja superior ao das doenças cardiovasculares, cancro ou diabetes, quando consideradas individualmente. Na União Europeia, as doenças mentais afetam milhões de pessoas e prevê-se que esses números aumentem devido ao envelhecimento da população. A doença bipolar (DB) é um distúrbio mental que se caracteriza por oscilações de humor entre depressão e mania, resultando em danos cognitivos e funcionais que requerem tratamento contínuo. No entanto, os escassos tratamentos atualmente disponíveis apresentam eficácia limitada e o diagnóstico tardio é frequente devido à ausência de marcadores biológicos. Assim, é fundamental compreender a fisiopatologia da DB para a implementação de novos fármacos na prática clínica, bem como para o desenvolvimento de biomarcadores que possibilitem um diagnóstico mais preciso e precoce. Dado que a DB parece estar intimamente associada ao stresse do retículo endoplasmático (RE) e aos mecanismos para o enfrentar ao longo da sua progressão, propôs-se que as estratégias de resiliência celular desenvolvidas pelas células para lidar com o stresse desempenham um papel crucial na DB. Interessantemente, demonstrou-se que as junções RE-mitocôndria, designadas “Mitochondria-Associated Membranes” (MAMs), são fundamentais nas respostas ao stresse uma vez que modulam a função mitocondrial, a sinalização de cálcio, a via Unfolded Protein Response (UPR) induzida pelo stresse do RE e a ativação do inflamassoma, os quais representam marcadores fisiopatológicos da DB. Estas premissas constituíram o ponto de partida para este trabalho, que é focado na “hipótese MAM” proposta pelo nosso grupo para a fisiopatologia da DB, e que pretende investigar o papel do stresse do RE na ativação do inflamassoma NLRP3 e na subsequente libertação de mediadores pró-inflamatórios que certamente sustentam o estado pro-inflamatório associado à DB. As MAMs foram avaliadas como o elo de ligação subjacente ao eixo RE-inflamassoma na DB. Neste sentido, utilizou-se um modelo celular do sistema imune inato, nomeadamente monócitos isolados de doentes bipolares versus controlos saudáveis em condições basais ou expostos a stresse do RE, assim como a linha celular de monócitos humanos THP-1 que foi usada como um modelo in vitro para elucidar as consequências funcionais e morfológicas do stresse do RE. Os nossos resultados sugerem que o stresse do RE induz a ativação do inflamassoma NLRP3 em monócitos THP-1 e em monócitos de indivíduos com diagnóstico de DB (fase precoce). Enquanto que nas células THP-1 o stresse do RE atua como sinal 2 para a ativação do inflamassoma, nos monócitos primários de doentes bipolares e de controlos saudáveis atua como sinal 1 e 2. Além disso, apurámos que os monócitos de doentes previamente expostos a LPS são mais sensíveis ao stresse do RE do que os monócitos controlo o que, juntamente com os parâmetros analíticos analisados, sugere que os doentes bipolares são mais suscetíveis a um estado pró-inflamatório. Evidenciámos ainda que os contactos RE-mitocôndria ao nível das MAMs, em particular a chaperona Sigma-1R e a proteína de ligação Mitofusina 2, são afetados pelo stresse do RE tanto nas células THP-1 como nos monócitos de doentes bipolares. Os resultados obtidos nos monócitos THP-1 sugerem que a comunicação RE-mitocôndria em células submetidas ao stresse promove a ativação do NLRP3 através de um mecanismo independente da produção mitocondrial de espécies reativas de oxigénio, o qual parece ser parcialmente mediado pela despolarização da membrana mitocondrial e subsequente externalização de cardiolipina. Também se observou que o stresse do RE provoca alterações morfológicas em monócitos THP-1 compatíveis com RE dilatado, indução da autofagia/mitofagia e modulação da dinâmica mitocondrial. Este trabalho evidenciou a disfunção das MAMs como um potencial elo fisiopatológico entre o stresse do RE e a ativação do inflamassoma NLRP3 no sistema imune inato, abrindo assim novos horizontes para o desenvolvimento de estratégias terapêuticas ajustadas à DB.

Mental health problems constitute the largest single source of world economic burden, with an estimated global cost greater than cardiovascular disease, cancer or diabetes individually. In the European Union, mental disorders affect millions of people and these numbers are expected to rise due to population ageing. Bipolar disorder (BD) is a mental illness characterized by mood swings between depression and mania resulting in cognitive and functional impairments that require lifetime treatment. However, few treatments are currently available with limited efficacy and delayed diagnosis is frequent because biomarkers are absent. Therefore, a better understanding of BD pathophysiology is crucial for new drugs design and implementation in clinical settings as well as to develop biomarkers for a more accurate and earlier diagnosis.Given that BD may be intimately associated with endoplasmic reticulum (ER) stress and coping mechanisms over the illness course, it has been proposed that cellular resilience strategies developed by cells to cope with stress play a key role in BD. Interestingly, it was shown that ER-mitochondria junctions, the so-called “Mitochondria-Associated Membranes” (MAMs), are relevant for stress-related responses by modulating mitochondrial function, Ca2+ signaling, ER stress-induced Unfolded Protein Response (UPR) and inflammasome activation, which are pathophysiological hallmarks of BD. These assumptions were the starting point for this work, which is focused on the “MAM hypothesis” proposed by our group for BD pathophysiology that intends to unveil the role of ER stress in NLRP3 inflammasome activation and subsequent release of pro-inflammatory mediators that will certainly sustain a pro-inflammatory status, as well as to evaluate MAMs as the link behind the ER stress-inflammasome axis in BD. For this purpose, a patient-derived cellular model of the innate immune system was used, namely monocytes isolated from BD patients versus healthy controls exposed to basal or ER stressful conditions and, the THP-1 monocytic cell line was used as in vitro model to decipher the functional and morphological consequences of ER stress. Altogether, our results suggest that ER stress induces NLRP3 inflammasome activation in THP-1 monocytes and BD patient-derived monocytes (early-stage). While in THP-1 cells ER stress acts as signal 2 for NLRP3 inflammasome activation, in control and BD monocytes it works as signal 1 and 2. In addition, LPS primed-BD patients’ monocytes are more responsive to ER stress than control monocytes, which together with the analytical parameters analyzed indicate that BD patients are more susceptible to develop a pro-inflammatory status. Furthermore, we uncovered that ER-mitochondria contacts at MAMs, particularly the chaperone Sigma-1R and the tethering protein Mitofusin 2, are affected in THP-1 cells as well as in BD monocytes upon ER stress. Data obtained in THP-1 monocytes suggest that ER-mitochondria communication in ER stressed cells promotes NLRP3 activation by a mitochondrial reactive oxygen species (ROS)-independent mechanism and, might be partially mediated by mitochondria membrane depolarization and subsequent externalization of cardiolipin. It was also observed in THP-1 monocytes that ER stress evoked morphological alterations consistent with dilated ER, autophagy/mitophagy induction and modulation of mitochondrial dynamics. This work pointed out MAM’s dysfunction as a potential pathophysiological link between ER stress and NLRP3 inflammasome activation in the innate immune system thus opening new avenues for the development of fine-tuned therapeutic strategies for BD.