The impact of mitochondria in the crosstalk between airway and phagocyte cells in cystic fibrosis

Mutations in the cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) gene result in multifunctional defects that contribute to lung hyperinflammation in cystic fibrosis (CF) patients. Among the defects linked to impaired CFTR function, dysregulated Ca2+ signaling plays a critical role in the pathophysiology of CF lung disease. Notably, abnormal mitochondrial Ca2+ signaling exacerbates airway inflammation and impairs autophagy in CF. This dysregulation has been observed in several CF patient-derived primary cells, including airway and phagocyte cells, with significant impacts on inflammatory responses. In CF, hyperinflammation is further influenced by alterations in the phenotype of phagocytes associated with defective CFTR. For example, CF neutrophils exhibit compromised metabolism, altered chlorination, and excessive release of reactive oxygen species (ROS). CF macrophages fail to polarize into the M2 phenotype and show reduced selective autophagic activity, which creates a replicative niche for bacteria. While the exact mechanisms driving CF lung disease progression remain incompletely understood, recent studies emphasize the critical role of mitochondria in CF pathogenesis. Mitochondria regulate host responses and inflammation in CF by acting as checkpoints in intracellular signaling cascades triggered by pathogen recognition receptors in response to pathogen-associated molecular patterns (PAMPs). They also serve as key sources of mitochondrial danger-associated molecular patterns (mtDAMPs), such as ROS, mitochondrial DNA (mtDNA), ATP, cardiolipin, and Ca2+, which are released into the cytosol or extracellular space. These signals are recognized by specific receptors, such as TLRs and NLRs, and trigger inflammation or modulate metabolic and inflammatory responses in recipient cells. It has been demonstrated that in CF airways, during P. aeruginosa infection, increased juxtapositions between the endoplasmic reticulum (ER) and mitochondria enhance inter-organelle Ca2+ transfer through the Mitochondrial Calcium Uniporter (MCU). This process leads to mitochondrial dysfunction, characterized by a persistent mitochondrial Unfolded Protein Response (UPR) and NLRP3 inflammasome activation. These events downregulate selective autophagy, promoting pathogen survival and exacerbating inflammatory responses. By controlling mitochondrial Ca2+ overload through MCU inhibition via KB-R7943, Rimessi et al. have successfully reduced P. aeruginosa-induced mitochondrial dysfunction and hyperinflammation in CF lungs in both in vitro and in vivo models, while restoring selective autophagic responses. Despite this, the role of mitochondrial Ca2+ signal in the pathways involved in CF hyperinflammation remains elusive, and persistence of P. aeruginosa infection negatively affects the rescue of ΔF508-CFTR protein by modulators, amplifying the inflammatory circuitry. The main goal of this project was to dissect the role of mitochondrial Ca2+ signal in the intercellular communication, mediated by mtDAMPs and mitovesicles, between airway and phagocyte cells during the phases of strong activation of pulmonary infection. Controlling the mitochondrial Ca2+-overload by using the newer mitochondrial Ca2+-targeting agents available, we prevented the exacerbation of inflammation regulating the exchange of mitochondrial content and mitovesicles.

Le mutazioni nel gene del regolatore della conduttanza transmembrana della fibrosi cistica (CFTR) determinano difetti multifunzionali che contribuiscono all'iperinfiammazione polmonare nei pazienti affetti da fibrosi cistica (FC). Tra i difetti legati all'alterata funzione del CFTR, la disregolazione della segnalazione del Ca2+ svolge un ruolo critico nella fisiopatologia della malattia polmonare FC. In particolare, un'anomala segnalazione del Ca2+ mitocondriale esacerba l'infiammazione delle vie aeree e compromette l'autofagia nella FC. Questa disregolazione è stata osservata in diverse cellule primarie derivate da pazienti affetti da FC, tra cui cellule delle vie aeree e fagociti, con un impatto significativo sulle risposte infiammatorie. Nella FC, l'iperinfiammazione è ulteriormente influenzata dalle alterazioni del fenotipo dei fagociti associate al difetto di CFTR. Ad esempio, i neutrofili con canale CFTR mutato presentano un metabolismo compromesso e un rilascio eccessivo di specie reattive dell'ossigeno (ROS). I macrofagi FC non riescono a polarizzarsi nel fenotipo M2 e mostrano una ridotta attività autofagica selettiva, che crea una nicchia replicativa per i batteri. Sebbene i meccanismi esatti che guidano la progressione della malattia polmonare FC rimangano incompleti, studi recenti sottolineano il ruolo critico dei mitocondri nella patogenesi della FC. I mitocondri regolano le risposte dell'ospite e l'infiammazione nella FC agendo come checkpoint nelle cascate di segnalazione intracellulare innescate dai recettori di riconoscimento dei patogeni in risposta ai pattern molecolari associati ai patogeni (PAMP). Essi fungono anche da fonti chiave di molecole associate al ai danni mitocondriali (mtDAMP), come ROS, DNA mitocondriale (mtDNA), ATP, cardiolipina e Ca2+, che vengono rilasciati nel citosol o nello spazio extracellulare. Questi segnali sono riconosciuti da recettori specifici, come i TLR e gli NLR, e innescano l'infiammazione o modulano le risposte metaboliche e infiammatorie nelle cellule riceventi. È stato dimostrato che nelle vie aeree della FC, durante l'infezione da P. aeruginosa, l'aumento della giustapposizione tra il reticolo endoplasmatico (ER) e i mitocondri aumenta il trasferimento di Ca2+ tra gli organi attraverso l'uniporto di calcio mitocondriale (MCU). Questo processo porta a disfunzione mitocondriale, caratterizzata da una persistente risposta mitocondriale alle proteine non ripiegate (UPR) e dall'attivazione dell'inflammasoma NLRP3. Questi eventi riducono l'autofagia selettiva, favorendo la sopravvivenza degli agenti patogeni ed esacerbando le risposte infiammatorie. Controllando il sovraccarico di Ca2+ mitocondriale attraverso l'inibizione dell' MCU tramite KB-R7943, Rimessi et al. hanno ridotto con successo la disfunzione mitocondriale e l'iperinfiammazione indotte da P. aeruginosa nei polmoni di FC in modelli sia in vitro che in vivo, ripristinando al contempo le risposte autofagiche selettive. Ciononostante, il ruolo del segnale del Ca2+ mitocondriale nelle vie coinvolte nell'iperinfiammazione della FC rimane elusivo e la persistenza dell'infezione da P. aeruginosa influisce negativamente sul salvataggio della proteina ΔF508-CFTR da parte dei modulatori, amplificando il circuito infiammatorio. L'obiettivo principale di questo progetto è stato quello di analizzare il ruolo del segnale del Ca2+ mitocondriale nella comunicazione intercellulare, mediata dai mtDAMP e dalle mitovescicole, tra le cellule delle vie aeree e i fagociti durante le fasi di forte attivazione dell'infezione polmonare. Controllando il sovraccarico di Ca2+ mitocondriale mediante l'uso dei più recenti agenti mirati al Ca2+ mitocondriale disponibili, abbiamo impedito l'esacerbazione dell'infiammazione regolando lo scambio di contenuto mitocondriale e mitovescicole.