The emergence of chronic inflammation during obesity in the absence of overt infection or well-defined autoimmune processes is a puzzling phenomenon. The Nod-like receptor (NLR) family of innate immune cell sensors, such as the nucleotide-binding domain, leucine-rich-containing family, pyrin domain-containing-3 (Nlrp3, but also known as Nalp3 or cryopyrin) inflammasome are implicated in recognizing certain nonmicrobial originated 'danger signals' leading to caspase-1 activation and subsequent interleukin-1β (IL-1β) and IL-18 secretion. We show that calorie restriction and exercise-mediated weight loss in obese individuals with type 2 diabetes is associated with a reduction in adipose tissue expression of Nlrp3 as well as with decreased inflammation and improved insulin sensitivity. We further found that the Nlrp3 inflammasome senses lipotoxicity-associated increases in intracellular ceramide to induce caspase-1 cleavage in macrophages and adipose tissue. Ablation of Nlrp3 in mice prevents obesity-induced inflammasome activation in fat depots and liver as well as enhances insulin signaling. Furthermore, elimination of Nlrp3 in obese mice reduces IL-18 and adipose tissue interferon-γ (IFN-γ) expression, increases naive T cell numbers and reduces effector T cell numbers in adipose tissue. Collectively, these data establish that the Nlrp3 inflammasome senses obesity-associated danger signals and contributes to obesity-induced inflammation and insulin resistance.

Ketone bodies are elevated in response to fasting, a low-carbohydrate ketogenic diet or high-intensity exercise. Vishwa Deep Dixit and colleagues report that one metabolite, β-hydroxybutyrate, inhibits the NLRP3 inflammasome. In vivo, β-hydroxybutyrate is anti-inflammatory and suppresses NLRP3-mediated inflammatory disease. The ketone bodies β-hydroxybutyrate (BHB) and acetoacetate (AcAc) support mammalian survival during states of energy deficit by serving as alternative sources of ATP1. BHB levels are elevated by starvation, caloric restriction, high-intensity exercise, or the low-carbohydrate ketogenic diet2. Prolonged fasting reduces inflammation; however, the impact that ketones and other alternative metabolic fuels produced during energy deficits have on the innate immune response is unknown2,3,4,5,6. We report that BHB, but neither AcAc nor the structurally related short-chain fatty acids butyrate and acetate, suppresses activation of the NLRP3 inflammasome in response to urate crystals, ATP and lipotoxic fatty acids. BHB did not inhibit caspase-1 activation in response to pathogens that activate the NLR family, CARD domain containing 4 (NLRC4) or absent in melanoma 2 (AIM2) inflammasome and did not affect non-canonical caspase-11, inflammasome activation. Mechanistically, BHB inhibits the NLRP3 inflammasome by preventing K+ efflux and reducing ASC oligomerization and speck formation. The inhibitory effects of BHB on NLRP3 are not dependent on chirality or starvation-regulated mechanisms like AMP-activated protein kinase (AMPK), reactive oxygen species (ROS), autophagy or glycolytic inhibition. BHB blocks the NLRP3 inflammasome without undergoing oxidation in the TCA cycle, and independently of uncoupling protein-2 (UCP2), sirtuin-2 (SIRT2), the G protein–coupled receptor GPR109A or hydrocaboxylic acid receptor 2 (HCAR2). BHB reduces NLRP3 inflammasome–mediated interleukin (IL)-1β and IL-18 production in human monocytes. In vivo, BHB or a ketogenic diet attenuates caspase-1 activation and IL-1β secretion in mouse models of NLRP3-mediated diseases such as Muckle–Wells syndrome, familial cold autoinflammatory syndrome and urate crystal–induced peritonitis. Our findings suggest that the anti-inflammatory effects of caloric restriction or ketogenic diets may be linked to BHB-mediated inhibition of the NLRP3 inflammasome.

Ghrelin, a recently described endogenous ligand for the growth hormone secretagogue receptor (GHS-R), is produced by stomach cells and is a potent circulating orexigen, controlling energy expenditure, adiposity, and growth hormone secretion. However, the functional role of ghrelin in regulation of immune responses remains undefined. Here we report that GHS-R and ghrelin are expressed in human T lymphocytes and monocytes, where ghrelin acts via GHS-R to specifically inhibit the expression of proinflammatory anorectic cytokines such as IL-1beta, IL-6, and TNF-alpha. Ghrelin led to a dose-dependent inhibition of leptin-induced cytokine expression, while leptin upregulated GHS-R expression on human T lymphocytes. These data suggest the existence of a reciprocal regulatory network by which ghrelin and leptin control immune cell activation and inflammation. Moreover, ghrelin also exerts potent anti-inflammatory effects and attenuates endotoxin-induced anorexia in a murine endotoxemia model. We believe this to be the first report demonstrating that ghrelin functions as a key signal, coupling the metabolic axis to the immune system, and supporting the potential use of ghrelin and GHS-R agonists in the management of disease-associated cachexia.

Ghrelin, a recently described endogenous ligand for the growth hormone secretagogue receptor (GHS-R), is produced by stomach cells and is a potent circulating orexigen, controlling energy expenditure, adiposity, and growth hormone secretion. However, the functional role of ghrelin in regulation of immune responses remains undefined. Here we report that GHS-R and ghrelin are expressed in human T lymphocytes and monocytes, where ghrelin acts via GHS-R to specifically inhibit the expression of proinflammatory anorectic cytokines such as IL-1β, IL-6, and TNF-α. Ghrelin led to a dose-dependent inhibition of leptin-induced cytokine expression, while leptin upregulated GHS-R expression on human T lymphocytes. These data suggest the existence of a reciprocal regulatory network by which ghrelin and leptin control immune cell activation and inflammation. Moreover, ghrelin also exerts potent anti-inflammatory effects and attenuates endotoxin-induced anorexia in a murine endotoxemia model. We believe this to be the first report demonstrating that ghrelin functions as a key signal, coupling the metabolic axis to the immune system, and supporting the potential use of ghrelin and GHS-R agonists in the management of disease-associated cachexia.

Asthma is an increasingly common disorder responsible for considerable morbidity and mortality. Although obesity is a risk factor for asthma and weight loss can improve symptoms, many patients do not adhere to low calorie diets and the impact of dietary restriction on the disease process is unknown. A study was designed to determine if overweight asthma patients would adhere to an alternate day calorie restriction (ADCR) dietary regimen, and to establish the effects of the diet on their symptoms, pulmonary function and markers of oxidative stress, and inflammation. Ten subjects with BMI > 30 were maintained for 8 weeks on a dietary regimen in which they ate ad libitum every other day, while consuming less than 20% of their normal calorie intake on the intervening days. At baseline, and at designated time points during the 8-week study, asthma control, symptoms, and Quality of Life questionnaires (ACQ, ASUI, mini-AQLQ) were assessed and blood was collected for analyses of markers of general health, oxidative stress, and inflammation. Peak expiratory flow (PEF) was measured daily on awakening. Pre-and postbronchodilator spirometry was obtained at baseline and 8 weeks. Nine of the subjects adhered to the diet and lost an average of 8% of their initial weight during the study. Their asthma-related symptoms, control, and QOL improved significantly, and PEF increased significantly, within 2 weeks of diet initiation; these changes persisted for the duration of the study. Spirometery was unaffected by ADCR. Levels of serum β-hydroxybutyrate were increased and levels of leptin were decreased on CR days, indicating a shift in energy metabolism toward utilization of fatty acids and confirming compliance with the diet. The improved clinical findings were associated with decreased levels of serum cholesterol and triglycerides, striking reductions in markers of oxidative stress (8-isoprostane, nitrotyrosine, protein carbonyls, and 4-hydroxynonenal adducts), and increased levels of the antioxidant uric acid. Indicators of inflammation, including serum tumor necrosis factor-α and brain-derived neurotrophic factor, were also significantly decreased by ADCR. Compliance with the ADCR diet was high, symptoms and pulmonary function improved, and oxidative stress and inflammation declined in response to the dietary intervention. These findings demonstrate rapid and sustained beneficial effects of ADCR on the underlying disease process in subjects with asthma, suggesting a novel approach for therapeutic intervention in this disorder.

Despite a wealth of clinical data showing an association between inflammation and degenerative disorders in the elderly, the immune sensors that causally link systemic inflammation to aging remain unclear. Here we detail a mechanism by which the Nlrp3 inflammasome controls systemic low-grade age-related “sterile” inflammation in both periphery and brain independently of the noncanonical caspase-11 inflammasome. Ablation of Nlrp3 inflammasome protected mice from age-related increases in the innate immune activation, alterations in CNS transcriptome, and astrogliosis. Consistent with the hypothesis that systemic low-grade inflammation promotes age-related degenerative changes, the deficient Nlrp3 inflammasome-mediated caspase-1 activity improved glycemic control and attenuated bone loss and thymic demise. Notably, IL-1 mediated only Nlrp3 inflammasome-dependent improvement in cognitive function and motor performance in aged mice. These studies reveal Nlrp3 inflammasome as an upstream target that controls age-related inflammation and offer an innovative therapeutic strategy to lower Nlrp3 activity to delay multiple age-related chronic diseases.

Aims The role of uric acid (UA) in the process of atherosclerosis and atherotrombosis is controversial. Epidemiological studies have recently shown that UA may be a risk factor for cardiovascular diseases and a negative prognostic marker for mortality in subjects with pre-existing heart failure. Methods and results We evaluate a relationship between UA levels and several inflammatory markers in 957 subjects, free of severe renal failure, from a representative Italian cohort of persons aged 65–95. Plasma levels of UA and white blood cell (WBC) and neutrophil count, C-reactive protein, interleukin-1 receptor antagonist (IL-1ra), interleukin-6 (IL-6), soluble IL-6 receptor (sIL-6r), interleukin-18 (IL-18), and tumor necrosis factor-α (TNF-α) were measured. Complete information on potential confounders was collected using standard methods. WBC (P=0.0001), neutrophils (P<0.0001), C-reactive protein (P<0.0001), IL-1ra (P<0.0001), IL-6 (P=0.0004), sIL-6r (P=0.002), IL-18 (P<0.0001), TNF-α (P=0.0008), and the percentage of subjects with abnormally high levels of C-reactive protein (P=0.004) and IL-6 (P=<0.0001) were significantly higher across UA quintiles. After adjustment for age, sex, behaviour- and disease-related confounders, results were virtually unchanged. In subjects with UA within the normal range, UA was significantly and independently associated with neutrophils count, C-reactive protein, IL-6, IL-1ra, IL-18, and TNF-α, whereas non-significant trends were observed for WBC (P=0.1) and sIL-6r (P=0.2). Conclusion A positive and significant association between UA and several inflammatory markers was found in a large population-based sample of older persons and in a sub-sample of participants with normal UA. Accordingly, the prevalence of abnormally high levels of C-reactive protein and IL-6 increased significantly across UA quintiles.

Obesity is associated with infiltration of macrophages into adipose tissue (AT), contributing to insulin resistance and diabetes. However, relatively little is known regarding the origin of AT macrophages (ATMs). We discovered that murine models of obesity have prominent monocytosis and neutrophilia, associated with proliferation and expansion of bone marrow (BM) myeloid progenitors. AT transplantation conferred myeloid progenitor proliferation in lean recipients, while weight loss in both mice and humans (via gastric bypass) was associated with a reversal of monocytosis and neutrophilia. Adipose S100A8/A9 induced ATM TLR4/MyD88 and NLRP3 inflammasome-dependent IL-1β production. IL-1β interacted with the IL-1 receptor on BM myeloid progenitors to stimulate the production of monocytes and neutrophils. These studies uncover a positive feedback loop between ATMs and BM myeloid progenitors and suggest that inhibition of TLR4 ligands or the NLRP3-IL-1β signaling axis could reduce AT inflammation and insulin resistance in obesity.

Abstract Emerging evidence suggests that increases in activated T cell populations in adipose tissue may contribute toward obesity-associated metabolic syndrome. The present study investigates three unanswered questions: 1) Do adipose-resident T cells (ARTs) from lean and obese mice have altered cytokine production in response to TCR ligation?; 2) Do the extralymphoid ARTs possess a unique TCR repertoire compared with lymphoid-resident T cells and whether obesity alters the TCR diversity in specific adipose depots?; and 3) Does short-term elimination of T cells in epididymal fat pad without disturbing the systemic T cell homeostasis regulate inflammation and insulin-action during obesity? We found that obesity reduced the frequency of naive ART cells in s.c. fat and increased the effector-memory populations in visceral fat. The ARTs from diet-induced obese (DIO) mice had a higher frequency of IFN-γ+, granzyme B+ cells, and upon TCR ligation, the ARTs from DIO mice produced increased levels of proinflammatory mediators. Importantly, compared with splenic T cells, ARTs exhibited markedly restricted TCR diversity, which was further compromised by obesity. Acute depletion of T cells from epididymal fat pads improved insulin action in young DIO mice but did not reverse obesity-associated feed forward cascade of chronic systemic inflammation and insulin resistance in middle-aged DIO mice. Collectively, these data establish that ARTs have a restricted TCR-Vβ repertoire, and T cells contribute toward the complex proinflammatory microenvironment of adipose tissue in obesity. Development of future long-term T cell depletion protocols specific to visceral fat may represent an additional strategy to manage obesity-associated comorbidities.