IMMU-KYN-PARK: exploring indoleamine 2,3-dioxygenase 1 in peripheral immune system in Parkinson's disease

Abstract

Parkinson’s Disease (PD) is a neurodegenerative disease where central and peripheral immune dysfunctions have been pointed out as a critical component of susceptibility and progression of this disease. Dendritic cells (DCs) and monocytes are key players in promoting immune response regulation and can induce the immunomodulatory enzyme indoleamine 2,3-dioxygenase 1 (IDO1) under pro-inflammatory environments. IDO1 is a rate-limiting enzyme of the kynurenine pathway (KP) that converts tryptophan (Trp) into kynurenine (KYN) as the first step of the pathway. The immune functions of the pathway, which are extensively described in cancer, are unexplored in neurodegeneration. The dysfunctions of KP that have been described in PD are associated with neurotoxic functions. This thesis focuses on IDO1+DCs and IDO1+monocytes in PD aiming to explore the immune role of IDO1 in PD. We also highlight the importance of exploring the role of dopaminergic therapeutics in the immune system including IDO1 modulation. We first induced IDO1 in myeloid cells with different pro-inflammatory stimuli. The myeloid stimulus lipopolysaccharide (LPS), as well as the lymphoid stimulus anti-CD3/CD28, were able to induce IDO1 in DCs and monocytes (and not in B, T, and NK cells) supporting an important immune cell-to-cell interaction. This knowledge allowed us to optimize an in vitro model that enabled us to induce and manipulate pharmacologically IDO1+cells. Before characterizing in vitro, the circulating myeloid cells of PD patients, including their ability to induce IDO1, we immunophenotyped these unstimulated cells of patients. DCs and monocytes of PD patients displayed inflammatory features including increased levels of pro-inflammatory subpopulations [plasmacytoid DCs and double negative (DN) classical DCs (cDCs) expressing CD16)] and higher frequencies of monocytes (total, classical, and NC), expressing the adhesion molecule CD62L. Importantly, these patients also showed increased expression of IL-10, which is known to induce T regulatory (Tregs) cells. This is another immunoregulatory mechanism. Other pro-inflammatory cytokines were increased (IFNs, IL-6, IL-12p70, IL-17A, and IL-33) indicating immune dysfunction. However, IDO1+DCs and IDO1+monocytes from PD patients remained at low levels. This is suggestive that the inflammatory profile of our mild-stage PD patients was not sufficient to significantly induce this enzyme. In vitro characterization of monocytes and DCs showed that LPS-stimulated monocytes from PD patients had a higher reduction of the relative frequency (RF) of non-classical monocytes (NC-Mo) and a higher IDO1-induction when compared with healthy subjects (HS). Importantly, DA seems to accentuate this NC-Mo reduction in PD patients. Moreover, DA decreased IDO1-induction in DCs and monocytes through βeta2 adrenergic receptors (β2AR). The effect of DA on cytokines and IDO1 suggests an anti-inflammatory profile of DA by attenuating the effect of LPS stimulation. Salbutamol, which is a β2AR agonist, seems to have a similar effect to DA, but milder. Salbutamol showed a significantly lower impact on PD patients’ monocytes when compared with HS. Overall, our data suggest that β2AR signaling is impaired in IDO1+monocytes from PD patients. The immunomodulatory effects of DA may also be mediated by other adrenoceptors including αAR, β1AR, or β3AR. This thesis highlighted IDO1+monocytes as diagnostics and therapeutic avenues in PD. We also argue that further understanding the role of catecholamines as immunomodulators is of paramount importance to optimize current therapeutic strategies in PD.

A doença de Parkinson (DP) é uma doença neurodegenerativa onde as disfunções do sistema imune, a nível central e periférico, têm sido sugeridas como uma componente importante na suscetibilidade e progressão da doença. As células dendríticas (CDs) e os monócitos são componentes imunes responsáveis pela promoção e regulação das respostas imunes. Em ambientes pró-inflamatórios, estas células têm a capacidade de induzir a enzima imunomoduladora indoleamina 2, 3-dioxigenase 1 (IDO1). Esta enzima é a enzima limitante da via da quinurenina e converte o aminoácido triptofano (Trp) em quinurenina, o que constitui o primeiro passo desta via. As funções imunes desta via, as quais são extensivamente descritas no cancro, são pouco exploradas nas doenças neurodegenerativas. No contexto destas doenças, as disfunções na via têm sido essencialmente associadas à neurotoxicidade produzida pelos seus metabolitos. Esta tese foca-se na função imune da IDO1 na DP através do estudo das CDs e dos monócitos produtores de IDO1. Para além disso, este trabalho explora o papel da dopamina na modulação do sistema imune, incluindo a imunomodulação da IDO1. Para tal, primeiro induzimos a IDO1 nas células mieloides circulantes usando diferentes estímulos pró-inflamatórios. O lipopolissacarídeo (LPS) foi usado como estímulo mieloide e o anti-CD3/CD28 como estímulo linfoide e ambos tiveram a capacidade de induzir a IDO1 nas CDs e nos monócitos (mas não nas células B, T e NK), demonstrando a importância da interação entre as células imunes. Esta informação, permitiu-nos otimizar um modelo in vitro no qual conseguimos induzir e manipular farmacologicamente as células IDO1+. As células mieloides circulantes não estimuladas dos doentes de Parkinson foram fenotipadas e a sua capacidade de induzir IDO1 foi determinada, antes da caracterização destas células in vitro. As CDs e os monócitos dos doentes de Parkinson apresentam características inflamatórias, incluindo níveis elevados de subpopulações pró-inflamatórias [(CDs plasmacitóides e CDs clássicas duplas negativas que expressam CD16) e elevadas frequências de monócitos (totais, clássicos e não clássicos) que expressam a molécula de adesão CD62L]. Estes doentes também expressam níveis elevados de IL-10, a qual tem a capacidade de induzir células T reguladoras (Tregs), o que constitui outro mecanismo imunorregulador. A disfunção imune também é suportada por níveis elevados de citocinas pró-inflamatórias (IFNs, IL-6, IL-12p70, IL-17A e IL-33). No entanto, as CDs-IDO1+ e os monócitos-IDO1+ dos doentes de Parkinson mantêm-se em níveis baixos, o que sugere que o perfil infamatório dos nossos doentes não é suficiente para induzir a IDO1 de forma significativa. A caracterização in vitro das CDs e dos monócitos mostrou que os monócitos dos doentes de Parkinson estimulados com LPS têm uma maior redução da frequência relativa dos monócitos não clássicos e uma maior indução da IDO1 quando comparados com os indivíduos saudáveis. A exposição destas células à dopamina parece acentuar esta redução dos monócitos não clássicos nos doentes. Para além disso, a dopamina diminuiu a indução de IDO1 nas CDs e nos monócitos por ação nos recetores adrenérgicos βeta2 (RAβ2). O efeito da dopamina nas citocinas e na IDO1 sugere um perfil anti-inflamatório desta, com capacidade de atenuar o efeito do LPS. O Salbutamol, um agonista dos RAβ2, parece ter um efeito semelhante ao da dopamina, embora menos marcado. O impacto do salbutamol nos monócitos dos doentes de Parkinson é significativamente menor quando comparado com o efeito nos indivíduos saudáveis. Os nossos resultados sugerem que a sinalização pelos RAβ2 está comprometida nos monócitos IDO1+ dos doentes de Parkinson. Além disso, os efeitos imunomoduladores da dopamina podem também ser mediados por outros recetores adrenérgicos tais como RAα, RAβ1 ou RAβ3. Em suma, esta tese, enaltece a putativa importância terapêutica e de diagnóstico dos monócitos-IDO1+ na DP. Além disso, a compreensão do papel das catecolaminas como agentes imunomoduladores é um parâmetro de extrema importância para a otimização das estratégias terapêuticas atualmente em uso na DP.