Shifts in macrophage phenotypes and macrophage competition for arginine metabolism affect the severity of muscle pathology in muscular dystrophy

Abstract

Duchenne muscular dystrophy (DMD) is the most common, lethal, muscle-wasting disease of childhood. Previous investigations have shown that muscle macrophages may play an important role in promoting the pathology in the mdx mouse model of DMD. In the present study, we investigate the mechanism through which macrophages promote mdx dystrophy and assess whether the phenotype of the macrophages changes between the stage of peak muscle necrosis (4 weeks of age) and muscle regeneration (12 weeks). We find that 4-week-old mdx muscles contain a population of pro-inflammatory, classically activated M1 macrophages that lyse muscle in vitro by NO-mediated mechanisms. Genetic ablation of the iNOS gene in mdx mice also significantly reduces muscle membrane lysis in 4-week-old mdx mice in vivo. However, 4-week mdx muscles also contain a population of alternatively activated, M2a macrophages that express arginase. In vitro assays show that M2a macrophages reduce lysis of muscle cells by M1 macrophages through the competition of arginase in M2a cells with iNOS in M1 cells for their common, enzymatic substrate, arginine. During the transition from the acute peak of mdx pathology to the regenerative stage, expression of IL-4 and IL-10 increases, either of which can deactivate the M1 phenotype and promote activation of a CD163+, M2c phenotype that can increase tissue repair. Our findings further show that IL-10 stimulation of macrophages activates their ability to promote satellite cell proliferation. Deactivation of the M1 phenotype is also associated with a reduced expression of iNOS, IL-6, MCP-1 and IP-10. Thus, these results show that distinct subpopulations of macrophages can promote muscle injury or repair in muscular dystrophy, and that therapeutic interventions that affect the balance between M1 and M2 macrophage populations may influence the course of muscular dystrophy.

Therapeutic Potential of Immunoproteasome Inhibition in Duchenne Muscular Dystrophy

“…Furthermore, a shift in macrophages polarization M1-M2 is observed from acute phase of 4-weeks to chronic stage, 12 weeks of age, where M2 macrophages are supposed to promote muscle repair by enhancing satellite cells proliferation. 50 These differences between acute and chronic mice could partially explain the differences observed after ONX-0914 treatment, however we showed that both stage of pathology will benefit from the treatment.…”

Skeletal muscle regeneration involves macrophage-myoblast bonding

“…11 Conversely, chronic inflammation accompanying severe myopathies are responsible for secondary damage promoting muscle degeneration and fibrosis. 12,13 Consequently, the intensity, duration and timeline of the inflammatory response as well as myeloid cell phenotype switches must strictly coordinate with tissue regeneration time-points for efficient repair.…”

Inflammation et régénération musculaire

“…In vivo, un modèle de souris transgéniques, déficientes pour l'activation du facteur de transcription C/EBPb (CCAAT-enhancer-binding protein) chez lesquelles la transition des macrophages vers le phé-notype anti-inflammatoire est inhibée, a montré que le nettoyage des débris tissulaires n'est pas affecté en l'absence des macrophages anti-inflammatoires, mais que la différenciation des myoblastes et la croissance des fibres musculaires étaient déficientes [23]. Il est important de noter que les phases pro-et anti-inflammatoires peuvent se chevaucher, les différentes sous-populations de macrophages se retrouvant alors au même instant au niveau de la même zone régénérative [24,25]. Chez l'homme, il a été observé que les zones régénératives d'un muscle contenant des myoblastes prolifératifs, présentent préférentiellement des macrophages pro-inflammatoires.…”

“…Les macrophages, bien qu'essentiels à la réparation tissulaire lors d'une blessure aiguë, sont « désorganisés » dans ce type de blessure chronique. En effet, les macrophages pro-inflammatoires qui demeurent normalement actifs quelques jours à la suite d'une blessure aiguë, sont présents de façon chronique dans les muscles dystrophiques ce qui limite leur changement de phénotype vers un profil anti-inflammatoire qui est l'acteur de la réparation musculaire [24]. Cette présence prolongée des macrophages pro-inflammatoires est à l'origine des effets myotoxiques [24].…”

“…En effet, les macrophages pro-inflammatoires qui demeurent normalement actifs quelques jours à la suite d'une blessure aiguë, sont présents de façon chronique dans les muscles dystrophiques ce qui limite leur changement de phénotype vers un profil anti-inflammatoire qui est l'acteur de la réparation musculaire [24]. Cette présence prolongée des macrophages pro-inflammatoires est à l'origine des effets myotoxiques [24]. De plus, dans les muscles de souris dystrophiques mdx, les macrophages présentent un phé-notype hybride et sécrètent du TGF-β qui agit sur les progéniteurs fibro-adipogéniques (FAP) et stimule la fibrose (Figure 3) [35].…”