Aktivace přirozené imunity a odolnosti kůže glukomannanem izolovaným z Candida itilis

Mgr. Veronika Hájková, Ph.D.

Doctoral thesis

Potential of glucomannan from Candida utilis to activate human innate immunity and skin resistance

Abstract:

Polysacharidy, zahrnující také glukany a glukomannany, patří mezi hlavní strukturální komponenty buněčných stěn kvasinek, hub a rostlin. Je známo, že tyto polysacharidy nejen stimulují imunitní odpověď živočichů na různých úrovních, ale i celkově zvyšují ochranu organismu v reakci na patogen. Primární struktura, molekulová hmotnost, stupeň větvení, stejně tak jako rozdílné metody izolace z různých druhů kvasnic, hub a rostlin hrají klíčovou roli v jejich biologické aktivitě. Na rozdíl od rozsáhlé literatury popisující efekty partikulárních forem izolovaných glukanů a glukomananů na živočichy, informace o působení rozpustných forem glukomananů na fyziologii lidských buněk jsou limitované. Proto byl studován vliv rozpustného glukomannanu (GM) izolovaného z Candida utilis na fyziologii krevních fagocytů, jako klíčových elementů vrozené imunitní odpovědi, a na odolnost buněk kůže proti škodlivým vlivům. Testovaný rozpustný GM signifikantně stimuloval produkci zánětlivých cytokinů v plné krvi. Naproti tomu GM sám nestimuloval oxidativní vzplanutí v plné krvi ani u izolovaných polymorfonukleárních leukocytů (PMNL). Avšak signifikantně zvyšoval oxidativní vzplanutí stimulované jinými aktivátory. Zvýšená exprese receptorů charakteristických pro jednotlivá granula fagocytů ukázala, že GM v závislosti na čase a koncentraci indukoval také degranulaci PMNL. Fosforylace proteinu p47phox na Ser345 stimulovaná GM potvrdila aktivaci fagocytární NADPH oxidázy. Překvapivě, inhibitory mitogen aktivovaných kináz neměly významný inhibiční efekt na GM potenciaci oxidativního vzplanutí a degranulaci PMNL. Ochranný efekt GM proti patologickým následkům ultrafialového záření (UV) byl testován in vitro na ozářených lidských keratinocytech a in vivo na modelu UV-indukovaného erytému na dobrovolnících. GM snižoval UVB-indukovaný pokles životnosti keratinocytů a UVB-indukovanou apoptózu spojenou s redukcí aktivity caspáz a fragmentací DNA. In vitro GM dále u keratinocytů snížil UVB-indukovanou expresi a uvolňování celé řady prozánětlivých mediátorů. In vivo, GM snižoval tvorbu UVB-indukovaného erytému a aktivitu fosfolipázy A2 ve stratum corneum. Data ukazují, že GM indukuje pre-aktivaci lidských fagocytů. Spolu s indukcí fotoprotektivního efektu tak GM prokázal účinnou indukci obranných mechanismů nespecifické imunity a ochranných mechanismů kůže člověka. Tyto nově popsané vlastnosti mohou přispět k využití tohoto rozpustného GM z Candida utilis v medicíně.

Abstract:

Polysaccharides such as glucans and glucomannas belong to the major structural components of the cell walls of yeast, fungi and plants. They are known to stimulate not only different aspects of immune system of animals but also overall resistance of organism in reaction to pathogens. Primary structure, molecular weight, degree of branching, solubility as well as different procedures of isolation from various sources were shown to play a key role in their biological potential. In contrast to vast literature describing effects of isolated particular glucans and glucomannans on animals, information about effects of soluble forms are limited. Thus, this thesis focused on impact of soluble glucomannan (GM) isolated from Candida utilis on physiology of human blood phagocytes, key components of innate immune response, and on resistance of skin cells to deleterious effects. Tested soluble GM significantly stimulated production of pro-inflammatory cytokines in whole blood. In contrast, GM did not stimulate oxidative burst of phagocytes either in whole blood or by isolated polymorphonuclear leukocytes (PMNL). In contrast, GM significantly dose-dependently potentiated oxidative burst in response to other activators. As shown by increased surface expression of markers characteristic for particular phagocyte vesicles, GM dose- and time-dependently induced degranulation of phagocytes. Phosphorylation of p47phox on Ser345 induced by GM confirmed activation of phagocyte NADPH oxidase. Surprisingly, inhibitors of mitogen activated kinases did significantly inhibit GM induced increase of stimulated oxidative burst and degranulation. Protective effects of GM against pathological consequences of skin exposure to ultraviolet radiation (UV) were tested in vitro on UVB-irradiated human keratinocytes and an in vivo on model of UV-induced erythema formation in human volunteers. Interestingly, GM suppressed the UVB-induced decrease of keratinocyte viability and keratinocyte apoptosis accompanied by downregulation of UVB-induced caspase activation and DNA fragmentation. Further, GM decreased UVB-induced expression and release of several pro-inflammatory mediators by keratinocytes. In vivo, GM decreased UV-induced skin erythema formation and phosholipase A2 activity within the stratum corneum. These results show that glucomannan acts as a priming agent on human phagocytes. This together with the photoprotective effect of GM provides evidence on GM mediated induction of protective mechanisms of innate immunity and human skin. These properties can contribute to the application of this soluble GM isolated from Candida utilis in a clinic.

Keywords

fagocyty, phagocytes, vrozená imunita, innate immunity, polysacharidy, polysaccharides, ochrana kůže, skin protection, keratinocyty, keratinocytes

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 9. 5. 2008

Thesis defence

• Date of defence: 15. 5. 2008
• Supervisor: doc. Mgr. Lukáš Kubala, Ph.D.
• Reader: MVDr. Mgr. Monika Dušková, Ph.D., doc. RNDr. Zuzana Bílková, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biology (4-years) / Animal Physiology