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Interplay between mineralization and inflammation in osteoarthritis: gla-rich protein and marine bioactive compounds as new therapeutic approaches
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Authors
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Abstract(s)
Osteoarthritis (OA) is a prevalent joint disorder with significant global impact, characterized by limited treatment options and challenges in early diagnosis. This research aimed to address a deeper understanding of the onset and progression of OA, while exploring novel therapeutic strategies. Pathologic calcification and inflammation, associated with degradation of cartilage extracellular matrix, are prominent features observed in OA. Gla-Rich Protein (GRP), a vitamin K-dependent protein, has recently shown promising potential in possessing anti-inflammatory and anti-mineralization properties in articular cells, suggesting its role in the interplay between inflammation and mineralization in OA. Based on that, we developed chitosan-based nanoparticles to encapsulate GRP, aiming to enhance its bioavailability and thereby facilitating its application in functional assays. These nanoparticles effectively delivered GRP and retained its anti-inflammatory activity in human activated macrophages (THP-1 MoM) and chondrocytes. The novel nanoformulation demonstrated promising potential for therapeutic applications in chronic inflammatory diseases. Furthermore, we developed an experimental pipeline in order to evaluate potential OA-modifying compounds and their effects on inflammation and mineralization. The pipeline involved a series of activity assessments, starting from a simpler cell-based model of OA and progressing to a more complex co-culture model based on human cartilage. This progressive approach allowed us to examine potential drugs as mediators of inflammation and mineralization, mimicking the early disease stages and providing valuable insights into the complex pathological processes involved in OA progression. In the search for new active compounds to treat OA, we investigated the utilization of a marine bioactive compound, amentadione (YP), in the context of OA treatment, using the established pipeline. Amentadione exhibited strong anti-inflammatory effects, by downregulating key inflammatory mediators such as cyclooxygenase 2 (COX-2) and interleukin 6 (IL-6), and also demonstrated the ability to regulate nuclear factor κB (NF-κB) signaling pathways. By decreasing matrix metalloproteinase-3 (MMP3) levels and chondrocyte hypertrophic differentiation factors, Col10 and Runx2, YP contributed to cartilage homeostasis. These findings highlight the high therapeutic potential of amentadione as a cartilage protective factor in OA.
In summary, this research highlights the therapeutic potential of both GRP and marine bioactive compound YP in the management of inflammatory responses in OA. The utilization of novel drug delivery systems, including chitosan-based nanoparticles, along with the comprehensive evaluation of compounds using the established experimental pipeline, offers the possibility of better understanding the underlying disease mechanisms and to explore new potential active compounds in OA.
A osteoartrite (OA) é uma doença da articulação, prevalente e com impacto global significativo, que combina a quase inexistência de um diagnóstico precoce, com tratamentos limitados e direcionados maioritariamente para combater a sintomatologia. Este projeto teve como objetivo uma melhor compreensão sobre a iniciação da OA e sua progressão, assim como a exploração de novas estratégias terapêuticas. Para tal, um sistema sequencial de testes que mimetizam uma fase inicial da doença foi desenvolvido e aplicado para a investigação de novos agentes com potencial atividade na OA. Calcificação patológica e inflamação, associadas à degradação da matriz extracelular, são características proeminentes observadas na OA. Gla-Rich Protein (GRP), uma proteína dependente de vitamina K, mostrou recentemente potenciais atividades anti-inflamatórias e anti-mineralizantes em células articulares, podendo desempenhar um papel na interação entre a inflamação e a mineralização na OA. Com base nisso, e conhecendo algumas limitações da GRP, desenvolvemos pela primeira vez, nanopartículas à base de quitosano para encapsular a GRP, visando aumentar a sua biodisponibilidade e estabilidade, facilitando assim a sua aplicação em ensaios funcionais. Essas nanopartículas revelaram-se efetivas na entrega da proteína GRP, a qual reteve a sua atividade anti-inflamatória em macrófagos ativados (THP-1 MoM) e condrócitos. A nova nanoformulação demonstrou um potencial promissor para aplicações terapêuticas em doenças inflamatórias crónicas. Posteriromente, desenvolvemos uma sequência de ensaios experimentais na perspetiva de avaliar o potencial de alguns compostos como modificadores da doença, focando nos seus efeitos anti-inflamatórios e anti-mineralizantes. Essa sequência de testagem envolve uma série de avaliações de atividade, que têm início num modelo mais simples de OA, baseado em células, e progredindo para um modelo mais complexo, de co-cultura celular e explantes de cartilagem humana. Esta abordagem experimental contínua e progressiva permitiu examinar a atividade de alguns compostos enquanto mediadores da inflamação e mineralização, tentando reproduzir as condições dos estadios iniciais da doença e fornecendo informações valiosas sobre os complexos processos patológicos envolvidos na progressão da mesma. Assi, na busca de novos compostos ativos para o tratamento da OA, investigámos a atividade de um composto marinho bioativo, amentadiona, no contexto do tratamento da OA e usando o sistema experimental de testagem estabelecido. A amentadiona revelou capacidade anti-inflamatória e melhorou a homeostase da cartilagem. Reduziu os principais mediadores inflamatórios, como ciclooxigenase 2 (COX-2) e interleucina 6 (IL-6), e também demonstrou a capacidade de regular as vias de sinalização do fator nuclear κB (NF-κB). Esses resultados demonstram potencial terapêutico da amentadiona como fator protetor da cartilagem na OA. Em suma, esta pesquisa destaca o potencial terapêutico da GRP, na sua forma livre e nanoencapsulada, e do composto bioativo marinho amentadiona na modulação de respostas inflamatórias na OA. A utilização de novos sistemas de entrega de compostos ativos, incluindo nanopartículas à base de quitosano, juntamente com a avaliação abrangente de compostos usando a sequência experimental de testes aqui estabelecida, oferece a possibilidade de entender melhor os mecanismos subjacentes da doença e explorar a potencialidade da atividade de novos compostos na OA.
A osteoartrite (OA) é uma doença da articulação, prevalente e com impacto global significativo, que combina a quase inexistência de um diagnóstico precoce, com tratamentos limitados e direcionados maioritariamente para combater a sintomatologia. Este projeto teve como objetivo uma melhor compreensão sobre a iniciação da OA e sua progressão, assim como a exploração de novas estratégias terapêuticas. Para tal, um sistema sequencial de testes que mimetizam uma fase inicial da doença foi desenvolvido e aplicado para a investigação de novos agentes com potencial atividade na OA. Calcificação patológica e inflamação, associadas à degradação da matriz extracelular, são características proeminentes observadas na OA. Gla-Rich Protein (GRP), uma proteína dependente de vitamina K, mostrou recentemente potenciais atividades anti-inflamatórias e anti-mineralizantes em células articulares, podendo desempenhar um papel na interação entre a inflamação e a mineralização na OA. Com base nisso, e conhecendo algumas limitações da GRP, desenvolvemos pela primeira vez, nanopartículas à base de quitosano para encapsular a GRP, visando aumentar a sua biodisponibilidade e estabilidade, facilitando assim a sua aplicação em ensaios funcionais. Essas nanopartículas revelaram-se efetivas na entrega da proteína GRP, a qual reteve a sua atividade anti-inflamatória em macrófagos ativados (THP-1 MoM) e condrócitos. A nova nanoformulação demonstrou um potencial promissor para aplicações terapêuticas em doenças inflamatórias crónicas. Posteriromente, desenvolvemos uma sequência de ensaios experimentais na perspetiva de avaliar o potencial de alguns compostos como modificadores da doença, focando nos seus efeitos anti-inflamatórios e anti-mineralizantes. Essa sequência de testagem envolve uma série de avaliações de atividade, que têm início num modelo mais simples de OA, baseado em células, e progredindo para um modelo mais complexo, de co-cultura celular e explantes de cartilagem humana. Esta abordagem experimental contínua e progressiva permitiu examinar a atividade de alguns compostos enquanto mediadores da inflamação e mineralização, tentando reproduzir as condições dos estadios iniciais da doença e fornecendo informações valiosas sobre os complexos processos patológicos envolvidos na progressão da mesma. Assi, na busca de novos compostos ativos para o tratamento da OA, investigámos a atividade de um composto marinho bioativo, amentadiona, no contexto do tratamento da OA e usando o sistema experimental de testagem estabelecido. A amentadiona revelou capacidade anti-inflamatória e melhorou a homeostase da cartilagem. Reduziu os principais mediadores inflamatórios, como ciclooxigenase 2 (COX-2) e interleucina 6 (IL-6), e também demonstrou a capacidade de regular as vias de sinalização do fator nuclear κB (NF-κB). Esses resultados demonstram potencial terapêutico da amentadiona como fator protetor da cartilagem na OA. Em suma, esta pesquisa destaca o potencial terapêutico da GRP, na sua forma livre e nanoencapsulada, e do composto bioativo marinho amentadiona na modulação de respostas inflamatórias na OA. A utilização de novos sistemas de entrega de compostos ativos, incluindo nanopartículas à base de quitosano, juntamente com a avaliação abrangente de compostos usando a sequência experimental de testes aqui estabelecida, oferece a possibilidade de entender melhor os mecanismos subjacentes da doença e explorar a potencialidade da atividade de novos compostos na OA.
Description
Keywords
Osteoartrite Gla-rich protein Compostos marinhos bioativos Inflamação Mineralização Calcificação patológica ou ectópica Nanoencapsulação Modelo 3d de co-cultura para oa