Distinct immune regulatory properties of human adult microglia and blood-derived macrophages: relevance for multiple sclerosis disease processes

In the human central nervous system (CNS), the two major populations of myeloid cells are the blood-derived macrophages and the CNS-resident microglia. Under physiologic conditions, macrophages occupy the perivascular spaces and microglia populate the CNS parenchyma. Both cell types may be recruited to participate in neuroinflammatory responses such as in multiple sclerosis (MS) lesions, as macrophages access the parenchyma and the cell types become difficult to distinguish. Differential responses of macrophages and microglia to environmental conditions and to therapeutic agents could be important determinants of outcome in neuroinflammatory diseases of the CNS of which multiple sclerosis is the prototype. Experiments described in this thesis were based on use of microglia derived from the adult human CNS and myeloid cells generated from peripheral blood samples. Comparisons were made with regard to responses to the novel MS therapeutic FTY720, experimental polarizing conditions, and exposure to the CNS breakdown product myelin. As an indication of their propensity to respond to FTY720 treatment, the myeloid cell subsets were examined for their expression of sphingosine-1-phosphate (S1P) receptor mRNA. Human microglia, monocyte-derived dendritic cells (DCs) and macrophages ex vivo express relatively higher levels of sphingosine-1-phosphate (S1P) receptor 1 (S1P1) mRNA as compared to other receptor subtypes. Despite these similar receptor expression patterns, the S1P agonist FTY720 decreased extracellular-signal-regulated kinases (ERK) phosphorylation and induced myosin light chain (MLC) II phosphorylation in macrophages and DCs but not in microglia. FTY720 inhibited interleukin (IL)-12p70 production (CD40L induced) by DCs and macrophages but not microglia (poly I:C induced). IL-10 production was increased in DCs following FTY720 treatment and unaffected in the other myeloid cells. In terms of responses to polarizing conditions, macrophages can be polarized into a continuum of activation phenotypes, the extremes of which are the “pro-inflammatory” M1 and “anti-inflammatory” M2 phenotypes. These phenotypes have been linked to functional properties including production of inflammation association molecules and phagocytic activity. The phenotypic and functional properties of microglia were compared with macrophages derived from peripheral blood monocytes in response to M1 and M2 inducing conditions. Under M1 conditions, microglia and macrophages up-regulated expression of the M1 markers CCR7 and CD80. M2 treatment of microglia induced expression of CD209 but not the additional M2 markers CD23, CD163 and CD206 expressed by M2 macrophages. M1-polarizing conditions induced production of IL-12p40 by both microglia and macrophages; microglia produced higher levels of IL-10 under M1 conditions than did macrophages. Under M2 conditions, microglia produced comparable levels of IL-10 as under M1 conditions, whereas IL-10 was induced in M2 macrophages subsequently activated with lipopolysaccharide (LPS). Myelin phagocytosis was significantly greater by microglia than macrophages under all conditions; activity was higher for M2 treated cells for both cell types. Our findings delineate distinctive properties of microglia compared to exogenous myeloid cells both under physiological conditions and in response to signals derived from an inflammatory environment in the CNS. The results that myeloid cells exhibit differential responses to an approved MS therapeutic agent suggest that targeting the distinct myeloid populations and promoting M2 polarization, especially in the infiltrating macrophages, may be a potential therapeutic target to control inflammation in the CNS.Les principales populations de cellules myeloïdes du système nerveux central (SNC) sont les macrophages, provenant de monocytes sanguins, et les microglies, résidant au sein du SNC. Les macrophages occupent normalement l'espace périvasculaire alors que les microglies peuplent le parenchyme du SNC. Le rôle de ces deux types de cellules diffère probablement dans le contexte neuro-inflammatoire caractérisant la sclérose en plaques (SP). Les macrophages accèdent alors au parenchyme et il devient difficile de les distinguer des microglies. Les expériences décrites dans la présente thèse ont été effectuées sur des microglies prélevées du SNC d'humains adultes et de cellules myéloïdes provenant du sang périphérique. Leurs réponses à différents stimuli ont été comparées. Les microglies et macrophages ont été exposés à la molécule FTY720, à des conditions expérimentales de polarisation ou à la myéline, une composante détruite dans la SP. La présence de l'acide ribonucléique codant pour les récepteurs de sphingosine-1-phosphate 1 à 5 (S1P1 à 5) a été utilisée comme indicateur du potentiel de réponse des cellules à l'agoniste FTY720. Il fut observé que les microglies, cellules dendritiques et macrophages dérivés de monocytes exprimaient le récepteur S1P1 à un niveau relativement plus élevé que les autres récepteurs (S1P2-5). En dépit de ce profil d'expression similaire, les voies de signalisation engagées par FTY720 ont différé entre les types de cellules. Les macrophages et cellules dendritiques traités avec FTY720 ont vu leur niveau de phospho-ERK baisser et leur phospho-MLC II augmenter tandis que les niveaux sont restés inchangés chez les microglies. FTY720 a mitigé la production d'interleukine (IL)-12p70 chez les cellules dendritiques et les macrophages (stimulées avec CD40L), mais pas chez les microglies (stimulées avec poly I:C). FTY720 a augmenté la production d'IL-10 chez les cellules dendritiques, mais est demeurée la même chez les autres cellules myéloïdes. Concernant les réponses à des conditions de polarisation, les macrophages peuvent être polarisés dans un spectre continu de phénotypes dont les extrêmes sont les phénotypes pro-inflammatoires « M1 » et anti-inflammatoires « M2 ». Ces phénotypes sont liés à la production de molécules inflammatoires et à l'activité phagocytaire des cellules. La fonction et le phénotype des microglies soumises aux conditions de polarisation pro-M1 et pro-M2 ont été comparés à celles des macrophages dérivés de monocytes sanguins périphériques dans des conditions semblables. Dans des conditions pro-M1, les microglies et les macrophages augmentaient leur expression des marqueurs M1 CCR7 et CD80. Les macrophages soumis à des conditions pro-M2 exprimaient les marqueurs C209, CD23, CD163 et CD206. Par contre, les microglies soumises à de telles conditions n'exprimaient que CD209. Les conditions pro-M1 ont amené les microglies et les macrophages à produire IL-12p40. Cependant, les microglies produisaient davantage d'IL-10 que les macrophages dans ces mêmes conditions. Les microglies stimulées par les signaux pro-M1 et pro-M2 produisaient des niveaux comparables de IL-10 tandis que les macrophages produisaient IL-10 avec des signaux M2 plus LPS. L'activité phagocytaire était plus élevée chez les microglies que chez les macrophages, peu importe la condition polarisante. Elle était cependant augmentée chez les deux types de cellules par des conditions pro-M2. Nos résultats mettent en évidence certaines propriétés distinctes des microglies et des cellules myéloïdes sanguines dans le contexte physiologique et face aux signaux provenant d'un SNC inflammé. Les donnés démontrant un comportement unique chez chacun des types de cellules myéloïdes en réponse à un agent thérapeutique approuvé pour la SP suggèrent que de cibler les populations myéloïdes peut avoir un impact. Favoriser une polarisation M2 chez les macrophages pourrait s'avérer une stratégie visant à contrôler l'inflammation du SNC