Διερεύνηση της έκφρασης γονιδίων τα οποία ενέχονται στο μεταβολισμό των λιπιδίων στην οστεοαρθρίτιδα και μηχανισμοί ρύθμισης αυτών: in vitro και in vivo μελέτη

Abstract

Purpose: The purpose of the present thesis is the investigation of the molecular basis of lipid metabolism in osteoarthritic chondrocytes through evaluation of the expression of genes that control cholesterol homeostasis, such as Sterol Regulatory Element Protein 2 (SREBP–2) and 3-hydroxy-3-methylglutaryl-CoA reductase (HMGCR), the implicated mechanisms controlling their activation, and the regulation of cholesterol efflux related genes using microRNAs. In addition, we developed an experimental animal model of OA in order to highlight potential therapeutic molecules for inhibiting disease progression in vivo.Methods: Expression of genes involved in lipid metabolism was evaluated using real-time PCR and Western blot. We treated chondrocytes with TGF-β1 and integrin inhibitor and investigated the signal transduction pathway responsible for the activation of lipid metabolism genes. We also treated chondrocytes with miR-33a and anti-miR-33a and investigated their role on cholesterol synthesis and on the expression of cholesterol efflux related genes. Finally, we developed animal model of OA induced by anterior cruciate ligament transection in rabbits.Results: We observed that SREBP–2, HMGCR, integrin aV, TGF–β1, phosphor-PI3k and phosphor-Akt expression levels were significantly upregulated in osteoarthritic chondrocytes compared to normal. Treatment of normal chondrocytes with TGF–β1 resulted in SREBP–2, HMGCR, phospho–PI3K and MMP–13 upregulation. The use of the pharmacological inhibitor of TGF–β receptor resulted in downregulation of SREBP–2 expression while integrin blockage resulted in dramatic reduction of SREBP–2, HMGCR, phospho–PI3K and MMP–13 expression levels accompanied by elevated levels of ACAN. We also found that miR–33a expression levels were significantly elevated in osteoarthritic chondrocytes compared to normal, in accordance to SREBP–2’s upregulation and that miR–33a expression was increased in a time–dependent manner after TGF–β1 activation. Treatment of normal chondrocytes with miR–33a resulted in significant reduction of ABCA1 and ApoA1 mRNA expression levels, accompanied by increased levels of MMP–13. Introduction of antisense oligonucleotides directed against miR–33a, resulted in strongly increased ABCA1 and ApoA1 expression levels, while it also caused reduced expression of MMP–13. Our in vivo results showed that SREBP–2 expression levels were significantly elevated in rabbit OA chondrocytes compared to normal. Intra-articular administration of TGF–β receptor inhibitor resulted in a statistically significant reduction in the expression levels of SREBP–2, COLX and MMP–13, whereas COL2A1 and ACAN were significantly increased.Conclusion: Our novel findings suggest that SREBP–2 is crucially involved in OA pathogenesis and provided evidence for its TGF–β1–induced activation through ITGAV/PI3K/Akt pathway, pointing towards the use of integrin inhibitors as possible molecular targets for osteoarthritis treatment. Moreover, we provide novel evidence for the implication of miR–33a, a SREBP–2 intronic microRNA, in OA pathogenesis, identifying it as a dual regulator of cholesterol synthesis and cholesterol efflux–related genes in OA chondrocytes, suggesting its potential use as a novel target for the amelioration of OA phenotype. We finally found that TGF–β inhibition in vivo may be a new potential therapeutic approach for the treatment of the disease.

Σκοπός: Αντικείμενο της διατριβής αποτέλεσε η διερεύνηση του μεταβολικού φαινοτύπου της ΟΑ μέσω μελέτης της έκφρασης γονιδίων που ενέχονται στο μεταβολισμό των λιπιδίων, όπως το SREBΡ–2 και το HMGCR, των μοριακών σηματοδοτικών μονοπατιών που ελέγχουν τη δράση τους, καθώς και η ρύθμιση της έκφρασης γονιδίων που ενέχονται στη σύνθεση και στην έξοδο της χοληστερόλης με τη χρήση microRNAs. Επιπλέον, δημιουργήθηκε πειραματικό ζωικό μοντέλο ΟΑ για την ανάδειξη πιθανών θεραπευτικών μορίων της νόσου in vivo. Μεθοδολογία: Ο προσδιορισμός της έκφρασης γονιδίων που συμμετέχουν στο μεταβολισμό των λιπιδίων έγινε με τις μεθόδους της real-time PCR και του Western blot. Η διερεύνηση του σηματοδοτικού μονοπατιού που ευθύνεται για την ενεργοποίηση της έκφρασής τους έγινε με τη χορήγηση TGF-β1 και αναστολέα των ιντεγκρινών στα χονδροκύτταρα. Επιπλέον, έγινε χορήγηση του miR-33a καθώς και του αναστολέα του anti-miR-33a στα χονδροκύτταρα προκειμένου να διερευνηθεί ο ρόλος του στη ρύθμιση της σύνθεσης της χοληστερόλης αλλά και στην έκφραση των γονιδίων που ενέχονται στην έξοδο της χοληστερόλης από τα χονδροκύτταρα. Τέλος, δημιουργήθηκε πειραματικό μοντέλο ΟΑ επαγόμενο με διατομή του πρόσθιου χιαστού συνδέσμου σε κουνέλια.Αποτελέσματα: Παρατηρήθηκε αυξημένη έκφραση του SREBP–2, του HMGCR, της ιντεγκρίνης aV, του TGF–β1 και των phosphor-PI3k και phosphor-Akt στα ΟΑ χονδροκύτταρα συγκριτικά με τα φυσιολογικά. Η επαγωγή χονδροκυττάρων με TGF–β1 προκάλεσε φωσφορυλίωση των PI3k και Akt και αύξηση της έκφρασης των γονιδίων SREBP–2 και HMGCR. Η αναστολή του TGF–β1 επέφερε μείωση των επιπέδων έκφρασης του SREBP–2, ενώ αναστολή της έκφρασης των ιντεγκρινών επέφερε σημαντική μείωση της έκφρασης των SREBP–2 και HMGCR, καθώς και της ενεργής μορφής της κινάσης PI3K. Στη συνέχεια, διαπιστώσαμε αυξημένη έκφραση του miR–33a στα ΟΑ χονδροκύτταρα συγκριτικά με τα φυσιολογικά και επαγωγή της έκφρασής του από τον TGF–β1, ενώ η χρήση αναστολέα του miR–33a σε επαγόμενα με TGF–β1 χονδροκύτταρα οδήγησε σε μείωση της φωσφορυλίωσης της πρωτεΐνης Akt. Επιπλέον, η χορήγηση του miR–33a στα φυσιολογικά χονδροκύτταρα επέφερε μείωση της έκφρασης των γονιδίων ABCA1 και ApoA1 και ταυτόχρονη αύξηση των επιπέδων της MMP–13, γεγονός που αντιστράφηκε μετά τη χρήση αναστολέα του miR–33a στα ΟΑ χονδροκύτταρα. Στο in vivo πειραματικό τμήμα της διατριβής διαπιστώσαμε στατιστικά σημαντική αύξηση των επιπέδων έκφρασης του SREBP–2 στα ΟΑ χονδροκύτταρα συγκριτικά με τα φυσιολογικά, ενώ η ενδοαρθρική χορήγηση αναστολέα των υποδοχέων του TGF–β προκάλεσε στατιστικά σημαντική μείωση των επιπέδων έκφρασης του SREBP–2, του COLX και της MMP–13, με ταυτόχρονη αύξηση των μεταγραφικών επιπέδων των αναβολικών μορίων COL2A1 και ACAN.Συμπεράσματα: Αναδείχτηκε για πρώτη φορά η εμπλοκή του SREBP–2 και του HMGCR στα ΟΑ χονδροκύτταρα καθώς και ο σηματοδοτικός μηχανισμός ρύθμισής τους μέσω των κινασών PI3K και Akt, ως αποτέλεσμα της ενεργοποίησης του TGF–β σηματοδοτικού μονοπατιού και της αυξημένης έκφρασης της ιντεγκρίνης aV στα ΟΑ χονδροκύτταρα. Επιπλέον, η αναστολή του miR–33a, η οποία επάγει την αυξημένη έκφραση γονιδίων που ευθύνονται για την έξοδο της περίσσειας χοληστερόλης από τα ΟΑ χονδροκύτταρα, αναδεικνύεται ως πιθανός θεραπευτικός μοριακός στόχος για την αναστολή της εξέλιξης της ΟΑ. Επίσης, η αναστολή του TGF–β in vivo, αναδεικνύεται ως μία νέα θεραπευτική προσέγγιση για την αντιμετώπιση της νόσου.