Effects of histamine and various histamine receptor antagonists on gene expression profiles of macrophages during compressive strain

Histamine has an impact on the gene expression profile of macrophages during compressive strain in vitro, most likely having an impairing effect on orthodontic tooth movement by upregulation of osteoprotegerin expression. Zusammenfassung: HINTERGRUND: Das Gewebshormon Histamin kann sich lokal im parodontalen Ligament über die Ernährung anreichern oder bei allergischen Reaktionen von Mastzellen freigesetzt werden und dabei möglicherweise die kieferorthopädische Zahnbewegung beeinflussen. Neben parodontalen Ligamentfibroblasten sind auch Zellen des Immunsystems wie Makrophagen einer Druckbelastung ausgesetzt. Ziel dieser Studie war es daher, den Einfluss von Histamin auf das Genexpressionsprofil von Makrophagen im Kontext einer simulierten kieferorthopädischen Druckbelastung zu untersuchen. Methoden: Makrophagen wurden mit verschiedenen Histaminkonzentrationen (50, 100, 200 µM) für 24 h inkubiert und dann entweder unbehandelt gelassen oder für weitere 4 h komprimiert. Um die Rolle verschiedener Histaminrezeptoren zu beurteilen, führten wir Experimente durch mit Histamin-1- (Cetirizin), Histamin-2- (Ranitidin) und Histamin-4-Rezeptoren (JNJ7777120) unter Kontroll- und Druckbedingungen. Wir untersuchten die Freisetzung der Laktatdehydrogenase und analysierten die Expression an Entzündungsprozessen und am Knochenumbau beteiligten Genen mittels quantitativer Polymerasekettenreaktion („reverse transcription quantitative polymerase chain reaction“, RT-qPCR). Ergebnisse: Histamin erhöhte die Genexpression des Tumornekrosefaktors unter Kontrollbedingungen und in Kombination mit Druckapplikation. Bei Kombination von Histamin mit Druck wurde die Prostaglandin-Endoperoxid-Synthase‑2 verstärkt exprimiert. Die Interleukin-6-Genexpression wurde durch die Histaminbehandlung nicht beeinflusst. In Makrophagen erhöhte die Druckbelastung die Osteoprotegerin-Genexpression, dieser Effekt wurde durch Histamin noch weiter gesteigert. Die meisten der beobachteten Histamineffekte wurden durch den Histamin-1-Rezeptor-Antagonisten Cetirizin blockiert. Schlussfolgerungen: Histamin beeinflusst das Genexpressionsprofil von Makrophagen während Druckbelastung in vitro und beeinträchtigt durch die Hochregulierung der Osteoprotegerinexpression höchstwahrscheinlich die kieferorthopädische Zahnbewegung.

Macrophages were incubated with different histamine concentrations (50, 100, 200 µM) for 24 h and then either left untreated or compressed for another 4 h. To assess the role of different histamine receptors, we performed experiments with antagonists for histamine 1 receptor (cetirizine), histamine 2 receptor (ranitidine) and histamine 4 receptor (JNJ7777120) under control and pressure conditions. We tested for lactate dehydrogenase release and analyzed the expression of genes involved in inflammation and bone remodeling by reverse transcription quantitative polymerase chain reaction (RT-qPCR).

Tissue hormone histamine can accumulate locally within the periodontal ligament via nutrition or may be released during allergic reactions by mast cells, which may have an impact on orthodontic tooth movement. In addition to periodontal ligament fibroblasts, cells of the immune system such as macrophages are exposed to compressive strain. The aim of this study was thus to investigate the impact of histamine on the gene expression profile of macrophages in the context of simulated orthodontic compressive strain.

Histamine elevated gene expression of tumor necrosis factor under control conditions and in combination with pressure application. Increased prostaglandin-endoperoxide synthase‑2 mRNA was observed when histamine was combined with compressive force. Interleukin‑6 gene expression was not affected by histamine treatment. In macrophages, compressive strain increased osteoprotegerin gene expression. Histamine further elevated this effect. Most of the observed histamine effects were blocked by the histamine 1 receptor antagonist cetirizine. Conclusions: Histamine has an impact on the gene expression profile of macrophages during compressive strain in vitro, most likely having an impairing effect on orthodontic tooth movement by upregulation of osteoprotegerin expression. Zusammenfassung: HINTERGRUND: Das Gewebshormon Histamin kann sich lokal im parodontalen Ligament über die Ernährung anreichern oder bei allergischen Reaktionen von Mastzellen freigesetzt werden und dabei möglicherweise die kieferorthopädische Zahnbewegung beeinflussen. Neben parodontalen Ligamentfibroblasten sind auch Zellen des Immunsystems wie Makrophagen einer Druckbelastung ausgesetzt. Ziel dieser Studie war es daher, den Einfluss von Histamin auf das Genexpressionsprofil von Makrophagen im Kontext einer simulierten kieferorthopädischen Druckbelastung zu untersuchen. Methoden: Makrophagen wurden mit verschiedenen Histaminkonzentrationen (50, 100, 200 µM) für 24 h inkubiert und dann entweder unbehandelt gelassen oder für weitere 4 h komprimiert. Um die Rolle verschiedener Histaminrezeptoren zu beurteilen, führten wir Experimente durch mit Histamin-1- (Cetirizin), Histamin-2- (Ranitidin) und Histamin-4-Rezeptoren (JNJ7777120) unter Kontroll- und Druckbedingungen. Wir untersuchten die Freisetzung der Laktatdehydrogenase und analysierten die Expression an Entzündungsprozessen und am Knochenumbau beteiligten Genen mittels quantitativer Polymerasekettenreaktion („reverse transcription quantitative polymerase chain reaction“, RT-qPCR). Ergebnisse: Histamin erhöhte die Genexpression des Tumornekrosefaktors unter Kontrollbedingungen und in Kombination mit Druckapplikation. Bei Kombination von Histamin mit Druck wurde die Prostaglandin-Endoperoxid-Synthase‑2 verstärkt exprimiert. Die Interleukin-6-Genexpression wurde durch die Histaminbehandlung nicht beeinflusst. In Makrophagen erhöhte die Druckbelastung die Osteoprotegerin-Genexpression, dieser Effekt wurde durch Histamin noch weiter gesteigert. Die meisten der beobachteten Histamineffekte wurden durch den Histamin-1-Rezeptor-Antagonisten Cetirizin blockiert. Schlussfolgerungen: Histamin beeinflusst das Genexpressionsprofil von Makrophagen während Druckbelastung in vitro und beeinträchtigt durch die Hochregulierung der Osteoprotegerinexpression höchstwahrscheinlich die kieferorthopädische Zahnbewegung.