By interfering with the NOX4-p22phox interaction, Mitocelle may become a new strategy as a treatment for osteoarthritis associated with dysfunctional mitochondria.
- 주제(키워드) Osteoarthritis , Nanozyme , Mitochondrial dysfunction , NOX4 , p22phox
- 주제(DDC) 570
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 모정순
- 발행년도 2025
- 학위수여년월 2025. 2
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 의생명과학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000034317
- 본문언어 영어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
Mitochondrial dysfunction, which leads to increased production of reactive oxygen species (ROS), is closely associated with various degenerative organelle diseases. The NOX4-p22phox axis is a key contributor to ROS production, and its regulation could potentially protect against mitochondrial dysfunction. However, there is currently a lack of competitive inhibitors targeting the NOX4-p22phox interaction. In this study, we developed a povidone micelle-based Prussian blue nanozyme, named “Mitocelle,” designed to target the NOX4-p22phox axis and evaluated its impact on osteoarthritis (OA), a major degenerative organelle disease. Mitocelle is composed of FDA (Food and Drug Administration)-approved, biocompatible materials, has a regular spherical shape, and measures approximately 88 nm in diameter. Our findings demonstrate that Mitocelle is effectively taken up by chondrocytes and acts as a competitive inhibitor of the NOX4-p22phox interaction by specifically targeting dysfunctional mitochondria. Intra-articular injection of Mitocelle has shown long-term stability, effective absorption into the cartilaginous matrix, and a significant reduction of joint degradation. Mitocelle, composed of FDA-approved and biocompatible materials, offers a promising approach for translational research. Thus, Mitocelle functions as a competitive inhibitor of the NOX4-p22phox interaction and represents a viable therapeutic strategy for OA and other diseases associated with mitochondrial dysfunction.
more초록/요약
골관절염(OA)은 가장 흔한 퇴행성 관절 질환으로, 관절 연골의 점진적 퇴화로 인해 관절 기능이 저하되고 불편을 초래합니다. 인구의 고령화와 비만 인구의 증가로 인해 골관절염의 발병률은 지속적으로 증가하고 있습니다. 이 질환을 치료하기 위한 많은 연구와 노력이 이루어졌음에도 불구하고, 병리학적 메커니즘에 대한 완전한 이해와 효과적인 치료 방법은 여전히 미흡한 실정입니다. 따라서 OA의 진행을 저지하거나 되돌릴 수 있는 새로운 치료 전략 개발을 위한 지속적인 연구가 절실히 필요합니다. 최근 연구에서는 골관절염의 병인에서 미토콘드리아의 역할에 대한 중요성을 강조하고 있습니다. 미토콘드리아는 세포 내 에너지 발전소로서 세포 기능과 생존을 유지하는 데 필수적인 기관입니다. 골관절염 관절에서 미토콘드리아 기능장애는 산화 스트레스 증가, 에너지 대사 손상, 연골세포 사멸을 유발하여 연골 퇴화를 가속화합니다. 따라서 미토콘드리아 기능장애의 회복은 OA 치료법 개발의 유망한 새로운 전략이 될 수 있습니다. 궁극적으로 본 연구는 골관절염 치료의 한계를 넘어 근본적인 병리 과정을 중지하거나 되돌림으로써 골관절염 환자의 결과와 삶의 질을 개선하는 것을 목표로 합니다. 미토콘드리아 기능장애는 반응성 산소 종(ROS) 생성을 증가시켜 많은 퇴행성 세포 소기관 질환과 밀접하게 관련되어 있습니다. NOX4-p22phox 축은 ROS 생성의 주요 기여자로 알려져 있으며, 이를 조절하면 미토콘드리아 기능장애를 방지할 수 있습니다. 그러나 현재 NOX4-p22phox 상호작용을 타겟으로 하는 억제제는 부족한 상황입니다. 본 연구에서는 NOX4-p22phox 축을 타겟으로 하는 포비돈 미셀 기반 프러시안 블루 나노자임 "Mitocelle"을 개발하고, 주요 퇴행성 소기관 질환인 골관절염에 미치는 영향을 평가하였습니다. Mitocelle은 FDA 승인 및 생체 적합성 물질로 구성되어 있으며, 직경 약 88nm의 규칙적인 구형 형태를 가지고 있습니다. 연구 결과, Mitocelle은 연골세포에 효과적으로 흡수되며, 특정 미토콘드리아 기능장애를 추적함으로써 NOX4-p22phox 상호작용의 억제제로 작용함을 확인하였습니다. 관절 내 주사로 Mitocelle을 투여한 결과, 장기간의 안정성, 연골 기질 내의 효과적인 흡수, 그리고 관절 퇴화를 현저히 감소시키는 것으로 나타났습니다. Mitocelle은 FDA 승인 및 생체 적합성 물질로 구성되어 있으며, 중개 연구 (translational research)에 유망한 접근법을 제시합니다. 따라서 Mitocelle은 NOX4-p22phox의 상호작용 억제제로서 뿐만 아니라, 미토콘드리아 기능장애와 관련된 질환 및 OA에 대한 실용적인 치료 전략을 제시합니다.
more목차
I. Introduction 1
1. Osteoarthritis 1
2. Treatment of osteoarthritis 2
3. Mitochondrial dysfunction in osteoarthritis 3
4. NOX4 induced ROS production and mitochondrial dysfunction 5
5. Nanozyme and Mitocelle 6
6. Aim of this study 8
II. Material and Methods 10
Reagents 10
Preparation and characterization of Mitocelle 10
Primary mouse chondrocyte culture 11
Cell viability 12
RT-PCR and qRT-PCR 13
Western blotting 14
PGE2 assay 15
Collagenase activity 15
Detection of ROS 16
Mitochondrial staining 16
Fluorescence spectroscopy and FRET imaging 17
Human OA cartilage 18
Experimental post-traumatic OA mouse model and intra-articular injection 20
Safranin-O staining 21
Immunohistochemistry staining 21
H&E staining 22
Biodistribution assay 22
Fluorescence analysis of cartilage explants, chondrocytes, and cartilage tissue 23
Gene set enrichment analysis (GSEA) 24
Protein microarray 24
Statistical analysis 25
III. Results 26
Design, and characterization of Mitocelle 26
The targeting of Mitocelle for NOX4-regulated dysfunctional mitochondria 32
The depletion of NOX4 protects OA development 40
Penetration and retention of Mitocelle in mouse cartilage 45
Therapeutic effects of Mitocelle under OA-mimicking conditions in vitro 52
Protective Effects of intra-articular injection of Mitocelle in post-traumatic OA 55
Molecular mechanism of Mitocelle in decreasing catabolic factor expression 63
IV. Discussion 69
V. Conclusion 74
VI. Reference 76
국문 초록 90
