The discovery of a common factor affecting Osteoarthritis and Parkinson's disease
- 주제(키워드) Osteoarthritis , DJ1 , SNCG , CD44 , LevNPs
- 주제(DDC) 570
- 발행기관 아주대학교
- 지도교수 양시영
- 발행년도 2023
- 학위수여년월 2023. 2
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 의생명과학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000032442
- 본문언어 영어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
Osteoarthritis (OA) is one of the most common chronic diseases affecting an estimated more than 240 million people worldwide. People with OA have more comorbidities and are more sedentary than those without OA. Recently, the positive correlation between OA and the incidence of Parkinson’s disease (PD) has been confirmed; however, how OA affects Parkinson’s disease development remains unclear. Based on the GEO database, OA and PD, as senile chronic diseases, had similar genetic changes. The identified common risk molecules in both OA and PD have already been studied in PD but not in OA. Using DJ1 knockout mice, I showed that among several genes with altered expression in each disease condition, Park7 was mainly involved in OA progression. Additionally, Park7 deficiency not only caused cartilage degradation but also promoted -synuclein expression in cartilage. Excessive expression of γ-synuclein increased the levels of cartilage catabolic factors, including Mmp3, Mmp13, and Cox2, and reduced anabolic factors, including Sox9 and type 2 collagen, leading to cartilage destruction. OA-induced cartilage-specific γ-synuclein transgenic mouse and γ-synuclein KO mouse show its involvement in OA progression. In addition, secreted γ-synuclein affects chondrocytes similar to autocrine molecules. In silico drug screening revealed that PD184352 and AZ-628 effectively blocked the action of γ-synuclein in chondrocytes. These data indicate that DJ1 and its downstream mediator, γ-synuclein, are common risk factors in both OA and PD and presume the possible effect of OA on PD development. Osteoarthritis is an irreversible disease, and the current clinical management only involves delaying the development of the condition and reducing pain. OA development has been linked to CD44 receptor signaling dysregulation; however, effective and reliable CD44-related therapy has not yet been developed. In this study, LevNPs were formulated and examined for OA treatment. A protein array and an in silico LevNP-CD44 interaction assay revealed that LevNPs specifically bind to CD44. Importantly, CD44 was highly expressed in the cartilage of patients with OA. LevNPs showed no cytotoxicity and reduced catabolic factor expression in an OA mimic in vitro. Furthermore, intra-articular injection of LevNPs exhibited long-term retention ability in the knee joint and protected against posttraumatic OA cartilage destruction in mice with medial meniscus destabilization-induced OA. These results show that LevNPs are biocompatible and could potentially be used as a nanotherapeutic against OA pathogenesis by directly blocking CD44.
more초록/요약
퇴행성 골관절염(OA)은 대표적인 퇴행성 만성 질환 중 하나로서, 퇴행성 골관절염 환자의 경우, 대조군에 비해 더 많은 동반질환을 가지는 것으로 확인되어 있다. 최근 연구에서 골관절염과 파킨슨병 발병 사이의 높은 연관성이 확인되었으나, 골관절염이 파킨슨병 발병에 어떤 영향을 미치는지에 대해서는 정확히 연구된 바 가 없다. 따라서, 이 연구에서는 노인성 만성 질환인 골관절염과 파킨슨병이 유사한 유전적 변화와 두 질병 사이의 공통 위험 유전자들을 GEO 데이터베이스를 통하여 확인하였다. 이러한 유전자들은 이미 파킨슨병에서 잘 연구되어 있으나, 골관절염에 대한 연구는 진행되지 않았다. 이러한 공통 유전자들 가운데 Park7 (DJ1)이 OA 진행에 깊이 관여하는 것을 골관절세포 실험과 Park7 Knockout 마우스를 통해 확인하였다. 또한, Park7 결핍은 연골 분해로 이어질 뿐만 아니라 연골에서 -synuclein 발현을 촉진한다는 것이 확인되었다. -synuclein 의 과도한 발현은 Mmp3, Mmp13, Cox2와 같은 연골 이화 인자를 증가시키고 Sox9 및 type 2 collagen과 같은 동화 인자를 감소시켜 연골 파괴를 유발한다. 연골 특이적 - synuclein 형질전환 마우스 및 -synuclein KO을 통해 -synuclein이 골관절염 진행에 관여하는 것 또한 확인하였다. -synuclein은 연골에서부터 분비되어 다시 연골에 영향을 주는 것을 확인할 수 있었으며, 또한 in silico 약물 선별과정을 통해 선별한 PD184352와 AZ-628이 연골 세포에서 -synuclein의 작용을 효과적으로 차단함을 확인하였다. 이러한 데이터는 DJ1과 -synuclein이 골관절염와 파킨슨병의 공통적인 위험 인자이며, 파킨슨병 발병에 미치는 골관절염의 영향에 가능성을 제시하였으며, -synuclein 차단제를 확인함으로서 골관절염과 파킨슨병의 동시 치료 및 예방제를 제안하였다. 골관절염은 현재 근본적인 원인의 치료가 불가능한 만성 질환으로서, 증상완화제나 염증완화제 같은 보조적인 치료제만이 처방되어지고 있다. 골관절염의 진행은 CD44 수용체 신호전달 조절장애에 대한 반응으로 시작될 수 있다고 연구되어 있으나, 이를 표적하는 효과적이고 신뢰할 수 있는 치료법은 개발되지 않은 실정이다. 이 연구에서는 새로 나노입자인 LevNPs를 골관절염 치료에 적용하고자 하였다. 먼저, CD44가 골관절염 환자의 연골에서 발현이 증가함을 확인하였으며, Protein Array 및 in silico LevNP-CD44 상호작용 분석은 LevNP가 CD44에 특이적으로 결합함을 확인하였다. LevNPs는 연골세포에 처리하였을 때, 세포 독성이 없고 COX-2 발현을 감소시켰다. 또한, 골관절염을 유도한 생쥐에 LevNPs를 관절 내 주사하였을 때, 무릎 관절내에서 안정하게 일정기간동안 유지되며 연골 파괴를 방지하는 것이 확인 되었다. 이러한 결과는 LevNP가 생체 적합적으로 CD44를 직접 차단함을 통해 골관절염 예방 및 치료에 효과적으로 적용될 수 있음을 시사한다.
more목차
I. Introduction 1
1. Osteoarthritis and chondrocytes 1
2. Osteoarthritis and Parkinson’s disease 2
3. DJ1 and synuclein in Parkinson’s disease 4
4. Treatment of Osteoarthritis 6
5. CD44 in Osteoarthritis 7
6. Nanoparticle therapy and Levan 8
7. Aim of this study 9
II. Material and Methods 11
Human OA cartilage 11
Primary articular mouse chondrocyte culture 11
Cell viability analysis 13
RT-PCR and qRT-PCR 13
Western blot analysis 14
Experimental OA in mice 15
Preparation of LevNP 16
Chondrocyte explant culture and Alcian blue staining 17
Cartilage Tissue Histology, Immunohistochemistry Analyses, and Fluorescence Distribution
Analyses 17
Confocal microarray imaging 19
Protein array 19
In silico chemical-protein binding assay 20
In silico analysis, microarray, and Ingenuity Pathway Analysis (IPA) 20
Statistical analysis 21
III. Results 22
Part I_The discovery of common disease factor between Parkinson’s disease and Osteoarthritis 22
Identification of common genes between PD and OA 22
Expression of DJ1 decreased in human and mouse OA cartilages 25
DJ1 depletion regulates OA-related factors in articular chondrocytes 25
DJ1 deficiency in cartilage tissue causes OA pathogenesis in mice 30
The identification of a down-mediator of DJ1 33
DJ1-induced γ-synuclein modulates OA Pathogenesis 36
γ-synuclein knockout in mice inhibits experimental OA pathogenesis 43
Secreted γ-synucleins affect chondrocytes in an autocrine manner 45
Identification of drugs that correlate with γ-synuclein expression using CMap 49
PART Ⅱ_ Nanotherapeutic material for OA treatment 51
Anti-Inflammatory Activity of LevNPs 51
Interaction Between LevNPs and CD44 53
Blockade of CD44 Protects Catabolic Factor Expression During OA Pathogenesis 57
Penetration Efficacy and Function of LevNPs in Mouse Cartilage 61
LevNPs reduce IL-1β induced ECM degradation and promote ECM synthesis in cartilage 67
Protection Against OA Pathogenesis via Intra-Articular Injection of LevNPs in Posttraumatic OA 69
IV. Discussion 73
V. Reference 84
국문 초록 99
