Specifics of local and systemic cytokine profile in healthy people of different ages and patients with early stage of primary open-angle glaucoma

Abstract OBJECTIVE: To identify the differences and similar changes in the cytokine profiles during a natural ageing process and in the course of primary open angle glaucoma (POAG) and identify the possible contribution of ageing changes in the pathological process. METHODS: The study included 64 people aged 21 to 74 years. All subjects were divided into 4 groups: group I, «the young control group», consisted of 16 healthy young people (26±5 years); group II, «the senior control group» - included 12 healthy elderly people (69±4 years); group III, 20 glaucoma suspects (68±6 years); group IV consisted of 16 people with the early-stage of POAG (67±5 years). Blood serum (n=64) and tear fluid (Tf, n=64) were used as test samples. The investigation included interleukins (IL-1 ß, IL-2, IL-4, IL-5, IL-6, IL-8, IL-10, IL-12, IL-17, IL-18); tumor necrosis factors (TNF-α, TNF-ß); interferons (IFN-a, IFN-γ); vascular endothelial growth factor (VEGF-A) and transforming growth factor (TGF-ß1). Investigation of cytokines was performed by a flow cytometer BDFACS Cantoll with the use of BDFACS Diva program, using CBA kits ("BD Biosciences", USA). The data was processed by FCAP Array program ("SoftFlow", USA). Statistical analysis was performed by SPSS 17.0 (SPSS, Inc., Chicago, IL) software, using U-Mann-Whitney test, (p <0.05 was considered statistically significant). RESULTS: A significant increase of the IFN-α, TGF-ß1, IL-6 levels, a significant decrease of IL-1 ß and an insignificant decrease IL-8, IL-17, IFN-γ, VEGF-A were discovered in the blood serum of healthy elderly people compared to younger donors. In glaucoma suspect group a significant increase of IL-1 ß, IFN-α, TNF-α, TNF-ß and an insignificant increase of IL-2, IL-5, IL-4, IL-5, IL-8, IL-17 and IFN-y compared to "age control" were observed. However, there also was a significant decrease of IL-6 and TGF-ß1 and an insignificant decrease VEGF-A. When we compared the serum cytokine in the 2nd ("age control") and 4th (early-stage POAG) groups, we revealed a significant increase in the IL-1 ß, IL-5 levels and a significant decrease in the IL-6, TGF-ß1 levels, as well as an insignificant decrease of IL-10, IL-12, VEGF-A in 4th group. Analysis of the cytokine levels in the Tf showed no significant differences between the two control groups (1st and 2nd group). In the Tf of the glaucoma suspects all cytokine levels except for IL-8, and VEGF-A were significantly increased. Significantly increased levels of cytokines IL-1 ß, IL-5, IL-12p70, IL-18, TNF-a, TNF-ß, VEGF-A, TGF-ß1 were discovered in the Tf in the 4th group (early-stage POAG) as compared to the 2nd ("age control"). CONCLUSION: The specifics of age and pathological changes of local and systemic cytokine levels presented in our study show a significant deviation of the immune system during the development of POAG. This is confirmed by the absence of significant changes in most of the investigated cytokines in the course of a natural aging process and changes in the cytokine levels during the development of POAG. Our data suggest the possibility of searching early markers of the disease in patients at risk, taking into account the characteristics of their immune profile.

физиологическое старение, первичная открытоугольная глаукома, сыворотка крови, слезная жидкость, цитокины, ранняя диагностика глаукомы, senescence, primary open-angle glaucoma, blood serum, tear fluid, cytokines, early diagnosis of glaucoma

1. Нестеров А.П. Глаукома: основные проблемы, новые возможности. Вестник офтальмологии 2008; 124(1):3-5

2. Аветисов С.Э., Мамиконян В.Р., Казарян Э.Э., Шмелева-Демир О.А., Мазурова Ю.В., Рыжкова Е.Г. и др. Новый скрининговый метод определения толерантного внутриглазного давления. Вестник офтальмологии 2009; 125(5):3-7

3. Аветисов С.Э., Мамиконян В.Р., Казарян Э.Э., Шмелева-Демир О.А., Галоян Н.С., Мазурова Ю.В. и др. Результаты клинической оценки нового скринингового метода определения индивидуальной нормы внутриглазного давления. Вестник офтальмологии 2010; 126(2):5-7

4. Куроедов А.В., Еричев В.П., Ходыкина Н.П., Городничий В.В. и др. О корреляционных взаимоотношениях между суточными колебаниями внутриглазного давления и морфометрической структурой диска зрительного нерва. Офтальмология 2006; 3(1):43-49

5. Петров С.Ю., Антонов А.А., Макарова А.С., Вострухин С.В. Офтальмотонус в оценке медикаментозного и хирургического лечения глаукомы. РМЖ. Клиническая офтальмология 2015; 16(2):69-72

6. Quigley H.A., Broman A.T. The number of people with glaucoma world wide in 2010 and 2020. Br J Ophthalmol 2006; 90(3): 262-267. doi: 10.1136/bjo.2005.081224.

7. Gordon M.O., Kass M.A. Ocular Hypertension Treatment Study Group. The Ocular Hypertension Treatment Study: Design and baseline description of the participants. Arch Ophthalmol 1999; 117: 573-583. doi: 10.1001/archopht.117.5.573.s.

8. Kass M.A., Gordon M.O., Gao F., Heuer D.K., Higginbotham E.J., Johnson C.A., Keltner J.K., Miller J.P., Parrish R.K., Wilson M.R. Ocular Hypertension Treatment Study Group. Delaying treatment of ocular hypertension: the ocular hypertension treatment study. Arch Ophthalmol 2010; 128(3): 276-287. doi: 10.1001/archoph-thalmol.2010.20.

9. Armaly M.F., Krueger D.E., Maunder L., Becker B., Hetherington J. Jr., Kolker A.E., Levene R.Z., Maumenee A.E., Pollack I.P., Shaffer R.N. Biostatistical analysis of the collaborative glaucoma study. I. Summary report of the risk factors for glaucomatous visual-field defects. Arch Ophthalmol 1980; 98(12): 2163-2171. doi: 10.1001/archopht.1980.01020041015002.

10. Hyman L. Epidemiology of eye disease in the elderly. Eye (Lond) 1987; 1(2): 330-341. doi: 10.1038/eye.1987.53.

11. Нестеров А.П., Черкасова И.Н. Роль факторов риска при диагностике открытоугольной глаукомы. Вестник офтальмологии 1987; 5: 18-20

12. Куроедов А.В., Авдеев Р.В., Александров А.С., Бакунина Н.А. и др. Первичная открытоугольная глаукома: в каком возрасте пациента и при какой длительности заболевания может наступить слепота. Медико-биологические проблемы жизнедеятельности 2014; 2(12): 74-84

13. Авдеев Р.В., Александров А.С., Бакунина Н.А., Басинский А.С. и др. Модель манифестирования и исходов первичной открытоугольной глаукомы. Клиническая медицина 2014; 92(12): 64-72

14. Авдеев Р.В., Александров А.С., Бакунина Н.А., Басинский А.С. и др. Прогнозирование продолжительности сроков заболевания и возраста пациентов с разными стадиями первичной открытоугольной глаукомы. Национальный журнал глаукома 2014; 13(2): 60-69

15. Еричев В.П., Ганковская Л.В., Ковальчук Л.В., Ганковская О.А., Дугина А.Е. Интерлейкин-17 и его возможное участие в репа-ративных процессах при глаукоме. Глаукома 2009; 1: 23-25

16. Хаитов Р.М., Пинегин Б.В., Ярилин А.А. Руководство по клинической иммунологии. М.: ГЕОТАР-Медиа, 2009; 308-311

17. Gramlich O.W., Beck S., von Thun Und Hohenstein-Blaul N., Boehm N., Ziegler A., Vetter J.M., Pfeiffer N., Grus F.H. Enhanced insight into the autoimmune component of glaucoma: IgG autoantibody accumulation and pro-inflammatory conditions in human glaucomatous retina. PLoS One. 2013; 8(2): e57557. doi: 10.1371/journal.pone.0057557.

18. Kuchtey J., Kunkel J., Burgess L.G., Parks M.B., Brantley M.A. Jr., Kuchtey R.W. Elevated transforming growth factor ß1 in plasma of primary open-angle glaucoma patients. Invest Ophthalmol Vis Sci 2014; 55(8): 5291-5297. doi: 10.1167/iovs.14-14578.

19. Trivedi R.H., Nutaitis M., Vroman D., Crosson C.E. Influence of race and age on aqueous humor levels of transforming growth factorbeta 2 in glaucomatous and nonglaucomatous eyes. J Ocul Pharmacol Ther 2011; 27(5): 477-480. doi: 10.1089/jop.2010.0100.

20. Takai Y., Tanito M., Ohira A. Multiplex cytokine analysis of aqueous humor in eyes with primary open-angle glaucoma, exfoliation glaucoma, and cataract. Invest Ophthalmol Vis Sci 2012; 53: 241-247. doi: 10.1167/iovs.11-8434.

21. Chua J., Vania M., Cheung C.M., Ang M., Chee S.P., Yang H., Li J., Wong T.T. Expression profile of inflammatory cytokines in aqueous from glaucomatous eyes. Mol Vis 2012; 18: 431-438.

22. Kiecolt-Glaser J.K., Preacher K.J., MacCallum R.C., Atkinson C., Malarkey W.B., Glaser R. Chronic stress and age-related increases in the proinflammatory cytokine IL-6. Proc Natl Acad Sci USA 2003; 100(15): 9090-9095. doi: 10.1073/pnas.1531903100.

23. Sawada H., Fukuchi T., Tanaka T., Abe H. Tumor necrosis factoralpha concentrations in the aqueous humor of patients with glaucoma. Invest Ophthalmol Vis Sci 2010; 51(2): 903-906. doi: 10.1167/ iovs.09-4247.

24. Munoz-Fernândez M.A., Fresno M. The role of tumour necrosis factor, interleukin -6, interferon-gamma and inducible nitric oxide synthase in the development and pathology of the nervous system. Prog Neurobiol 1998; 56(3): 307-340. doi: 10.1016/S0301-0082(98)00045-8.

25. Ertel W., Keel M., Bonaccio M., Steckholzer U., Gallati H., Kenney J.S., Trentz O. Release of anti-inflammatory mediators after mechanical trauma correlates with severity of injury and clinical outcome. J Trauma 1995; 39(5): 879-887.

26. Shohami E., Bass R., Wallach D., Yamin A., Gallily R. Inhibition of tumor necrosis factor alpha (TNF-alpha) activity in rat brain is associated with cerebroprotection after closed head injury. J Cereb Blood Flow Metab 1996; 16(3): 378-384.

27. Liu T., Clark R.K., McDonnell P.C., Young P.R., White R.F., Barone F.C., Feuerstein G.Z. Tumor necrosis factor-alpha expression in ischemic neurons. Stroke 1994; 25(7): 1481-1488.

28. Nakazawa T., Nakazawa C., Matsubara A., Noda K., Hisatomi T., She H., Michaud N., Hafezi-Moghadam A., Miller J.W., Benowitz L.I. Tumor necrosis factor-alpha mediates oligodendrocyte death and delayed retinal ganglion cell loss in a mouse model of glaucoma. J Neurosci 2006; 26(49): 12633-12641. doi: 10.1523/JNEUROSCI.2801-06.2006.

29. Tezel G., Wax M.B. Increased production of tumor necrosis factor-alpha by glial cells exposed to simulated ischemia or elevated hydrostatic pressure induces apoptosis in cocultured retinal ganglion cells. J Neurosci 2000; 20(23): 8693-8700.

30. Tezel G., Li L.Y., Patil R.V., Wax M.B. TNF-alpha and TNF-alpha receptor-1 in the retina of normal and glaucomatous eyes. Invest Ophthalmol Vis Sci 2001; 42(8): 1787-1794.

31. Yuan L., Neufeld A.H. Activated microglia in the human glaucomatous optic nerve head. J Neurosci Res 2001; 64(5): 523-532.

32. Yuan L., Neufeld A.H. Tumor necrosis factor-alpha: a potentially neurodestructive cytokine produced by glia in the human glaucomatous optic nerve head. Glia 2000; 32(1): 42-50. doi: 10.1002/1098-1136(200010)32: 1.

33. Yan X., Tezel G., Wax M.B., Edward D.P. Matrix metalloprote-inases and tumor necrosis factor alpha in glaucomatous optic nerve head. Arch Ophthalmol 2000; 118(5): 666-673. doi: 10.1001/archopht.118.5.666.

34. Kuchtey J., Rezaei K.A., Jaru-Ampornpan P., Sternberg P. Jr., Kuchtey R.W. Multiplex cytokine analysis reveals elevated concentration of interleukin-8 in glaucomatous aqueous humor. Invest Ophthalmol Vis Sci 2010; 51(12): 6441-6447. doi: 10.1167/iovs.10-5216.

35. Zhou X., Xia X.B. Retinal stem cells transplantation combined with copolymer-1 immunization reduces interferon-gamma levels in an experimental model of glaucoma. Int J Ophthalmol 2011; 4(6): 594-598. doi: 10.3980/j.issn.2222-3959.2011.06.04.

36. Чередниченко Л.П., Барычева Л.Ю., Берновская А.А. Определение провоспалительных цитокинов в ранней диагностике первичной открытоугольной глаукомы. Российский офтальмологический журнал 2013; 2: 82-85

37. Ляшенко А.А. Цитокины и молекулярные основы заболеваний старческого возраста. Клиническая геронтология 2003; 3: 45-54

38. Куроедов А.В., Городничий В.В. Компьютерная ретиното-мография (HRT): диагностика, динамика, достоверность. Москва: Столичный бизнес, 2007; 231 c

39. Alencar L.M., Bowd C., Weinreb R.N., Zangwill L.M., Sample P.A., Medeiros F.A. Comparison of HRT-3 glaucoma probability score and subjective stereophotograph assessment for prediction of progression in glaucoma. Invest Ophthalmol Vis Sci 2008; 49(5): 1898-1906. doi: 10.1167/iovs.07-0111.

40. Егорова И.В., Шамшинова А.М., Еричев В.П. Функциональные методы исследования в диагностике глаукомы. Вестник офтальмологии 2001; 117(6): 38-40

41. Брежнев А.Ю., Курышева Н.И., Трубилин В.Н., Баранов В.И. Проблемы ранней клинической диагностики псевдоэксфолиативного синдрома. Офтальмология 2012; 9(1): 49-52

42. Еричев В.П., Петров С.Ю., Козлова И.В., Макарова А.С. и др. Современные методы функциональной диагностики и мониторинга глаукомы. Часть 1. Периметрия как метод функциональных исследований. Национальный журнал глаукома 2015; 14(2): 75-81

43. Еричев В.П., Петров С.Ю., Макарова А.С., Козлова И.В. и др. Современные методы функциональной диагностики и мониторинга глаукомы. Часть 2. Диагностика структурных повреждений сетчатки и зрительного нерва. Национальный журнал глаукома 2015; 14(3): 72-79

44. Останин А.А., Черных Е.Р. Сравнительная оценка уровня 17 цитокинов в сыворотке и цельной крови здоровых доноров методом проточной флюорометрии. Цитокины и воспаление 2005; 4 (2): 25-32

45. Петров С.А., Тезелашвили Т.Н., Костоломова Е.Г. Влияние цитокинов сыворотки крови на термометрические характеристики глаза при первичной глаукоме. Российский иммунологический журнал 2012; 6(14), 3(1): 126-129

46. Zhang X., Chintala S.K. Influence of interleukin-1 beta induction and mitogen-activated protein kinase phosphorylation on optic nerve ligation-induced matrix metalloproteinase-9 activation in the retina. Exper Eye Res 2004; 78(4): 849-860. 47. Tezel G., Wax M.B. Glaucoma. Chem Immunol Allergy 2007; 92: 221-227. 48. Новиков Д.К., Генералов И.И., Данющенкова Н.М. Медицинская микробиология. Витебск, 2010; 597 с

47. Agarval R., Agarval P. Glaucomatous neurodegeneration: An eye on tumor necrosis factor - alpha. Indian J Ophthalmol 2012; 60(4): 255-261. doi: 10.4103/0301-4738.98700.

48. Страхов В.В. Патогенез первичной глаукомы - «все или ничего». Глаукома 2009; 2: 40-52

49. Robertson J.V., Siwakoti A., West-Mays J.A. Altered expression of transforming growth factor beta 1 and matrix metalloproteinase-9 results in elevated intraocular pressure in mice. Mol Vis 2013; 19: 684-695.

50. Lip P.L., Felmeden D.C., Blann A.D., Matheou N., Thakur S., Cunliffe I.A., Lip G.Y. Plasma vascular endothelial growth factor, soluble VEGF receptor FLT-1, and von Willebrand factor in glaucoma. Br J Ophthalmol 2002; 86(11): 1299-302. doi: 10.1136/bjo.86.11.1299.

51. Кириленко М.Ю. Исследование полиморфизмов генов факторов роста с развитием первичной открытоугольной глаукомы. Фундаментальные исследования 2013; 12(2): 222-225.

52. Lin H.J., Chen W.L., Chen T.H., Kung Y.J., Wan L. Vascular endothelial growth factor -460 C/T BstUI gene polymorphism is associated with primary open-angle glaucoma. Biomedicine (Taipei) 2014; 4: 4. doi: 10.7603/s40681-014-0004-3