Wpływ dysfunkcji mitochondriów na metabolizm i przebudowę ludzkich komórek kostnych
Badania na komórkach i myszach sugerują, że dysfunkcja mitochondriów może powodować zmianę struktury kości.
Hipoteza: Zmniejszona produkcja energii w mitochondriach wpływa negatywnie na rozwój i aktywność komórek kostnych.
Porównując ludzi z wariantem mitochondrialnego DNA, m.3243A>G, patogennymi wariantami genów POLG lub TWNK ze zdrowymi kontrolami, celem jest ocena wpływu dysfunkcji mitochondriów na: 1: rozwój i aktywność komórek kostnych w pniu szpiku kostnego komórki i krew.
2: metabolizm komórek kostnych, w tym zużycie glukozy. 3: struktura kości oceniona za pomocą mikroskopii elektronowej i skanów μCT biopsji kości.
Przegląd badań
Status
Interwencja / Leczenie
Szczegółowy opis
Nienaruszona aktywność mitochondriów, w tym odpowiednie zaopatrzenie w energię, jest niezbędna dla aktywnych metabolicznie tkanek, tj. mięśni szkieletowych, serca i mózgu. Ludzki szkielet stanowi dodatkową wysoce aktywną metabolicznie tkankę; niemniej jednak znaczenie roli mitochondriów w zdrowiu kości szkieletowych człowieka może być dalej badane.
Przebudowa kości stanowi sprzężony i ciągły proces regeneracyjny degradacji kości przez komórki resorpcyjne kości, osteoklasty (OC), po którym następuje tworzenie macierzy kostnej przez osteoblasty tworzące kość (OB). Ilościowa nierównowaga między resorpcją a tworzeniem prowadzi do zaburzeń kośćca z niską masą kostną, w tym osteoporozy i zwiększonego ryzyka złamań z powodu łamliwości kości.
Mitochondria wytwarzają energię komórkową trójfosforanu adenozyny (ATP) poprzez proces fosforylacji oksydacyjnej (OXPHOS) w łańcuchu oddechowym (RC) z wtórną produkcją szkodliwych produktów ubocznych, wolnych rodników, tj. reaktywnych form tlenu (ROS). Warto zauważyć, że mitochondria posiadają własne DNA (m.DNA), a podjednostki RC są kodowane odpowiednio przez geny m.DNA i jądrowego DNA (n.DNA). Wraz z wiekiem szkodliwe somatyczne mutacje m.DNA gromadzą się w mięśniach szkieletowych i sercu, a somatyczne mutacje m.DNA, jak również odziedziczone mutacje m.DNA lub n.DNA mogą powodować dysfunkcję mitochondriów z upośledzoną produkcją ATP i akumulacją ROS. Mutacje m.DNA mogą upośledzać funkcje mózgu, mięśni szkieletowych i mięśnia sercowego, ale wpływ na metabolizm i przebudowę ludzkich komórek kostnych jest nieznany. Niedawne badanie kohorty młodych osób wskazuje, że choroby mitochondrialne stwarzają ryzyko złamań kości.
Badania przedkliniczne sugerują, że ATP i ROS regulują metabolizm kości. Zwiększa się liczba m.DNA i aktywność mitochondriów, aby wspierać różnicowanie ludzkich szkieletowych (mezenchymalnych) komórek macierzystych (hMSC) do dojrzałych OB tworzących kości. Zahamowanie aktywności mitochondriów lub zwiększenie poziomu ROS hamuje różnicowanie OB. Podobnie OC są bogate w mitochondria. Ludzkie hodowle OC pokazują, że dostawy energii do różnicowania OC od ich przodków są oparte na OXPHOS, podczas gdy aktywność resorpcji OC opiera się na glikolizie.
Ponadto pojawiające się dowody sugerują, że plastyczność metaboliczna, tj. Regulacja poziomów glikolizy, OXPHOS i pirogronianu, przyczynia się do regulacji różnicowania OB i OC.
Aktywator receptora liganda czynnika jądrowego kappa-Beta (RANKL) wydzielanego przez OB aktywuje resorpcję OC. U myszy stymulacja RANKL prekursorów OC szpiku kostnego zwiększa wewnątrzkomórkowe poziomy ROS, co stymuluje różnicowanie OC i resorpcję kości in vitro. Ponadto ROS hamuje szlak sygnałowy typu bezskrzydłego (Wnt) z osłabieniem osteoblastogenezy i zmniejszonym tworzeniem kości.
Ponadto myszy z mutacjami w zakodowanej przez n.DNA domenie odczytu dowodowego polimerazy m.DNA POLG (PolgA-/-) akumulują mutacje m.DNA i mają fenotyp przedwczesnego starzenia, w tym niską masę kostną. Ponadto niedobór mitochondrialnego czynnika transkrypcyjnego (TFAM) kodowanego przez n.DNA powoduje wyczerpanie ATP, a myszy z OC z niedoborem TFAM mają zwiększoną aktywność OC i zwiększoną resorpcję kości. Przeciwnie, globalna utrata NADH (dinukleotydu nikotynamidoadeninowego) oksydoreduktazy ubichinonowej Fe-S 4 (NDUFS4), podjednostka w kompleksie RC 1 upośledza resorpcję kości, a myszy (ndufs4-/-) mają zwiększoną gęstość mineralną kości (BMD) i pozorny fenotyp kości osteopetrozy.
Celem jest zbadanie fenotypu komórek kostnych pacjentów z rzadką chorobą mitochondrialną Nosicielami MT-TL1 m.3243A>G (MIM: 590050). Gen koduje czynnik transkrypcyjny tRNALeu(UUA/UUG), a m.3243A>G osłabia montaż kompleksu RC z wtórnym upośledzeniem produkcji ATP. Fenotyp jest częściowo związany z obciążeniem mutacją m.3243A>G, tj. poziomem heteroplazmii (procent m.3243A>G/m.DNA typu dzikiego). W grupie badanej znajdują się również nosiciele mutacji kodowanych w jądrze POLG (MIM: 174763) i TWNK (MIM: 606075).
Hipoteza: upośledzona funkcja mitochondriów wpływa na różnicowanie, metabolizm i aktywność ludzkich komórek kostnych, prowadząc do upośledzonego tworzenia kości i łamliwości kości.
Cel: Ustalenie, czy nosiciele dziedzicznych mutacji mitochondrialnych tj. dysfunkcja mitochondriów, niedobór ATP i wtórny wzrost ROS prowadzą do zmian w:
- Wskaźnik różnicowania OB in vitro, aktywność OB i tworzenie kości.
- Różnicowanie OC in vitro, aktywność OC i wyższa ogólna resorpcja kości.
- Zmiany in vivo w tkankach, dynamika tworzenia i resorpcji kości badana w biopsjach kości grzebienia biodrowego.
Projekt, uczestnicy i metody: Przekrojowe badanie kliniczno-kontrolne obejmujące osoby (>18 lat) będące nosicielami jednej z następujących mutacji:
- MT-TL1 m.3243A>G
- mutacja POLG
- TWNK
N = 10 przypadków z każdym patogennym wariantem genetycznym i taką samą liczbą kontroli (n = 30) dopasowanych pod względem płci, wieku i BMI.
Typ studiów
Zapisy (Oczekiwany)
Faza
- Nie dotyczy
Kontakty i lokalizacje
Kontakt w sprawie studiów
- Nazwa: Anja L Frederiksen, MD
- Numer telefonu: +4597664999
- E-mail: Anja.Lisbeth.Frederiksen@rn.dk
Lokalizacje studiów
-
-
-
Aalborg, Dania
- Rekrutacyjny
- Dept. of Clinical Genetics
-
Kontakt:
- Anja L Frederiksen, MD
- Numer telefonu: +4597664999
- E-mail: Anja.Lisbeth.Frederiksen@rn.dk
-
-
Kryteria uczestnictwa
Kryteria kwalifikacji
Wiek uprawniający do nauki
Akceptuje zdrowych ochotników
Płeć kwalifikująca się do nauki
Opis
Kryteria włączenia - przypadki:
- Diagnoza genetyczna z: MT-TL1 m.3243A>G lub wariantem POLG, het lub wariantem TWNK, het, > 18 lat
- Podpisana świadoma zgoda
Kryteria włączenia – kontrole:
- Zdrowi uczestnicy dobrani pod względem wieku i płci > 18 lat
- Podpisana świadoma zgoda
Kryteria wyłączenia:
- Nerki (kreatynina > 90 µmol/l)
- Zaburzenia czynności wątroby (AspAT > 3-krotność górnej granicy)
- Leczenie zachowawcze wpływające na metabolizm kostny (kortykosteroidy doustne <12 tyg., leczenie przeciw osteoporozie, sterydy płciowe, leki przeciwdrgawkowe)
- Ciąża
- Nadmierne spożycie alkoholu
- Leczenie antykoagulantami
- Istniejąca wcześniej koagulopatia
- Alergia na lidokainę, morfinę lub diazepam.
Plan studiów
Jak projektuje się badanie?
Szczegóły projektu
- Główny cel: Podstawowa nauka
- Przydział: Nie dotyczy
- Model interwencyjny: Zadanie dla jednej grupy
- Maskowanie: Brak (otwarta etykieta)
Broń i interwencje
Grupa uczestników / Arm |
Interwencja / Leczenie |
|---|---|
|
Inny: Przypadki i kontrole
Ocena kliniczna, próbki krwi, skan absorpcjometrii rentgenowskiej z podwójną energią (DXA) oraz ocena szpiku kostnego i biopsja kości znakowana tetracykliną
|
Ocena próbek krwi, szpiku kostnego i biopsji kości
|
Co mierzy badanie?
Podstawowe miary wyniku
Miara wyniku |
Opis środka |
Ramy czasowe |
|---|---|---|
|
Szybkość zakwaszenia pozakomórkowego (ECAR) (mpH/min)
Ramy czasowe: Do 12 tygodni
|
Pomiar ECAR w ludzkich szkieletowych (mezenchymalnych) komórkach macierzystych szpiku kostnego (hBM-MSC), osteoblastach (OB) i osteoklastach (OC)
|
Do 12 tygodni
|
|
Wskaźnik zużycia tlenu (OCR) (mpMol/min)
Ramy czasowe: Do 12 tygodni
|
Pomiar OCR w hBM-MSC, OB i OC
|
Do 12 tygodni
|
|
Szybkość wzrostu (liczba komórek)
Ramy czasowe: Do 12 tygodni
|
Tempo wzrostu OB i OC
|
Do 12 tygodni
|
Miary wyników drugorzędnych
Miara wyniku |
Opis środka |
Ramy czasowe |
|---|---|---|
|
Tempo wzrostu kości (µm/dzień)
Ramy czasowe: Do 4 tygodni
|
Histomofometryczne pomiary wzrostu kości w biopsji kości znakowanej tetracykliną
|
Do 4 tygodni
|
|
Histomorfometryczny
Ramy czasowe: Do 4 tygodni
|
Badania histomofometryczne biopsji kości
|
Do 4 tygodni
|
Współpracownicy i badacze
Sponsor
Śledczy
- Główny śledczy: Anja L Frederiksen, MD, Aalborg University Hospital
Publikacje i pomocne linki
Publikacje ogólne
- Gorman GS, Chinnery PF, DiMauro S, Hirano M, Koga Y, McFarland R, Suomalainen A, Thorburn DR, Zeviani M, Turnbull DM. Mitochondrial diseases. Nat Rev Dis Primers. 2016 Oct 20;2:16080. doi: 10.1038/nrdp.2016.80.
- Seeman E, Delmas PD. Bone quality--the material and structural basis of bone strength and fragility. N Engl J Med. 2006 May 25;354(21):2250-61. doi: 10.1056/NEJMra053077. No abstract available.
- Bartell SM, Kim HN, Ambrogini E, Han L, Iyer S, Serra Ucer S, Rabinovitch P, Jilka RL, Weinstein RS, Zhao H, O'Brien CA, Manolagas SC, Almeida M. FoxO proteins restrain osteoclastogenesis and bone resorption by attenuating H2O2 accumulation. Nat Commun. 2014 Apr 30;5:3773. doi: 10.1038/ncomms4773.
- Andreasen CM, Ding M, Overgaard S, Bollen P, Andersen TL. A reversal phase arrest uncoupling the bone formation and resorption contributes to the bone loss in glucocorticoid treated ovariectomised aged sheep. Bone. 2015 Jun;75:32-9. doi: 10.1016/j.bone.2015.02.014. Epub 2015 Feb 14.
- Kim SJ, Mehta HH, Wan J, Kuehnemann C, Chen J, Hu JF, Hoffman AR, Cohen P. Mitochondrial peptides modulate mitochondrial function during cellular senescence. Aging (Albany NY). 2018 Jun 10;10(6):1239-1256. doi: 10.18632/aging.101463.
- Sinha K, Das J, Pal PB, Sil PC. Oxidative stress: the mitochondria-dependent and mitochondria-independent pathways of apoptosis. Arch Toxicol. 2013 Jul;87(7):1157-80. doi: 10.1007/s00204-013-1034-4. Epub 2013 Mar 30.
- Meissner C, Bruse P, Mohamed SA, Schulz A, Warnk H, Storm T, Oehmichen M. The 4977 bp deletion of mitochondrial DNA in human skeletal muscle, heart and different areas of the brain: a useful biomarker or more? Exp Gerontol. 2008 Jul;43(7):645-652. doi: 10.1016/j.exger.2008.03.004. Epub 2008 Mar 20.
- Lee HC, Wei YH. Oxidative stress, mitochondrial DNA mutation, and apoptosis in aging. Exp Biol Med (Maywood). 2007 May;232(5):592-606.
- Hayashi G, Cortopassi G. Oxidative stress in inherited mitochondrial diseases. Free Radic Biol Med. 2015 Nov;88(Pt A):10-7. doi: 10.1016/j.freeradbiomed.2015.05.039. Epub 2015 Jun 12.
- Gandhi SS, Muraresku C, McCormick EM, Falk MJ, McCormack SE. Risk factors for poor bone health in primary mitochondrial disease. J Inherit Metab Dis. 2017 Sep;40(5):673-683. doi: 10.1007/s10545-017-0046-2. Epub 2017 Apr 27.
- Chen CT, Shih YR, Kuo TK, Lee OK, Wei YH. Coordinated changes of mitochondrial biogenesis and antioxidant enzymes during osteogenic differentiation of human mesenchymal stem cells. Stem Cells. 2008 Apr;26(4):960-8. doi: 10.1634/stemcells.2007-0509. Epub 2008 Jan 24.
- Gao J, Feng Z, Wang X, Zeng M, Liu J, Han S, Xu J, Chen L, Cao K, Long J, Li Z, Shen W, Liu J. SIRT3/SOD2 maintains osteoblast differentiation and bone formation by regulating mitochondrial stress. Cell Death Differ. 2018 Feb;25(2):229-240. doi: 10.1038/cdd.2017.144. Epub 2017 Sep 15.
- Brown D, Breton S. Mitochondria-rich, proton-secreting epithelial cells. J Exp Biol. 1996 Nov;199(Pt 11):2345-58. doi: 10.1242/jeb.199.11.2345.
- Lemma S, Sboarina M, Porporato PE, Zini N, Sonveaux P, Di Pompo G, Baldini N, Avnet S. Energy metabolism in osteoclast formation and activity. Int J Biochem Cell Biol. 2016 Oct;79:168-180. doi: 10.1016/j.biocel.2016.08.034. Epub 2016 Aug 30.
- Arnett TR, Orriss IR. Metabolic properties of the osteoclast. Bone. 2018 Oct;115:25-30. doi: 10.1016/j.bone.2017.12.021. Epub 2017 Dec 21.
- Lee NK, Choi YG, Baik JY, Han SY, Jeong DW, Bae YS, Kim N, Lee SY. A crucial role for reactive oxygen species in RANKL-induced osteoclast differentiation. Blood. 2005 Aug 1;106(3):852-9. doi: 10.1182/blood-2004-09-3662. Epub 2005 Apr 7.
- Garrett IR, Boyce BF, Oreffo RO, Bonewald L, Poser J, Mundy GR. Oxygen-derived free radicals stimulate osteoclastic bone resorption in rodent bone in vitro and in vivo. J Clin Invest. 1990 Mar;85(3):632-9. doi: 10.1172/JCI114485.
- Almeida M, Han L, Martin-Millan M, O'Brien CA, Manolagas SC. Oxidative stress antagonizes Wnt signaling in osteoblast precursors by diverting beta-catenin from T cell factor- to forkhead box O-mediated transcription. J Biol Chem. 2007 Sep 14;282(37):27298-27305. doi: 10.1074/jbc.M702811200. Epub 2007 Jul 10.
- Trifunovic A, Wredenberg A, Falkenberg M, Spelbrink JN, Rovio AT, Bruder CE, Bohlooly-Y M, Gidlof S, Oldfors A, Wibom R, Tornell J, Jacobs HT, Larsson NG. Premature ageing in mice expressing defective mitochondrial DNA polymerase. Nature. 2004 May 27;429(6990):417-23. doi: 10.1038/nature02517.
- Miyazaki T, Iwasawa M, Nakashima T, Mori S, Shigemoto K, Nakamura H, Katagiri H, Takayanagi H, Tanaka S. Intracellular and extracellular ATP coordinately regulate the inverse correlation between osteoclast survival and bone resorption. J Biol Chem. 2012 Nov 2;287(45):37808-23. doi: 10.1074/jbc.M112.385369. Epub 2012 Sep 17.
- Jin Z, Wei W, Yang M, Du Y, Wan Y. Mitochondrial complex I activity suppresses inflammation and enhances bone resorption by shifting macrophage-osteoclast polarization. Cell Metab. 2014 Sep 2;20(3):483-98. doi: 10.1016/j.cmet.2014.07.011. Epub 2014 Aug 14.
- Varanasi SS, Francis RM, Berger CE, Papiha SS, Datta HK. Mitochondrial DNA deletion associated oxidative stress and severe male osteoporosis. Osteoporos Int. 1999;10(2):143-9. doi: 10.1007/s001980050209.
- Kato H, Han X, Yamaza H, Masuda K, Hirofuji Y, Sato H, Pham TTM, Taguchi T, Nonaka K. Direct effects of mitochondrial dysfunction on poor bone health in Leigh syndrome. Biochem Biophys Res Commun. 2017 Nov 4;493(1):207-212. doi: 10.1016/j.bbrc.2017.09.045. Epub 2017 Sep 9.
- Langdahl JH, Frederiksen AL, Hansen SJ, Andersen PH, Yderstraede KB, Duno M, Vissing J, Frost M. Mitochondrial Point Mutation m.3243A>G Associates With Lower Bone Mineral Density, Thinner Cortices, and Reduced Bone Strength: A Case-Control Study. J Bone Miner Res. 2017 Oct;32(10):2041-2048. doi: 10.1002/jbmr.3193. Epub 2017 Jul 18.
- van den Ouweland JM, Lemkes HH, Ruitenbeek W, Sandkuijl LA, de Vijlder MF, Struyvenberg PA, van de Kamp JJ, Maassen JA. Mutation in mitochondrial tRNA(Leu)(UUR) gene in a large pedigree with maternally transmitted type II diabetes mellitus and deafness. Nat Genet. 1992 Aug;1(5):368-71. doi: 10.1038/ng0892-368.
- Sasarman F, Antonicka H, Shoubridge EA. The A3243G tRNALeu(UUR) MELAS mutation causes amino acid misincorporation and a combined respiratory chain assembly defect partially suppressed by overexpression of EFTu and EFG2. Hum Mol Genet. 2008 Dec 1;17(23):3697-707. doi: 10.1093/hmg/ddn265. Epub 2008 Aug 27.
- Frederiksen AL, Andersen PH, Kyvik KO, Jeppesen TD, Vissing J, Schwartz M. Tissue specific distribution of the 3243A->G mtDNA mutation. J Med Genet. 2006 Aug;43(8):671-7. doi: 10.1136/jmg.2005.039339. Epub 2006 Feb 20.
- Langdahl JH, Larsen M, Frost M, Andersen PH, Yderstraede KB, Vissing J, Duno M, Thomassen M, Frederiksen AL. Lecocytes mutation load declines with age in carriers of the m.3243A>G mutation: A 10-year Prospective Cohort. Clin Genet. 2018 Apr;93(4):925-928. doi: 10.1111/cge.13201.
- Jafari A, Qanie D, Andersen TL, Zhang Y, Chen L, Postert B, Parsons S, Ditzel N, Khosla S, Johansen HT, Kjaersgaard-Andersen P, Delaisse JM, Abdallah BM, Hesselson D, Solberg R, Kassem M. Legumain Regulates Differentiation Fate of Human Bone Marrow Stromal Cells and Is Altered in Postmenopausal Osteoporosis. Stem Cell Reports. 2017 Feb 14;8(2):373-386. doi: 10.1016/j.stemcr.2017.01.003. Epub 2017 Feb 2.
- Abdallah BM, Ditzel N, Kassem M. Assessment of bone formation capacity using in vivo transplantation assays: procedure and tissue analysis. Methods Mol Biol. 2008;455:89-100. doi: 10.1007/978-1-59745-104-8_6.
- Soe K, Delaisse JM. Glucocorticoids maintain human osteoclasts in the active mode of their resorption cycle. J Bone Miner Res. 2010 Oct;25(10):2184-92. doi: 10.1002/jbmr.113.
Daty zapisu na studia
Główne daty studiów
Rozpoczęcie studiów (Rzeczywisty)
Zakończenie podstawowe (Oczekiwany)
Ukończenie studiów (Oczekiwany)
Daty rejestracji na studia
Pierwszy przesłany
Pierwszy przesłany, który spełnia kryteria kontroli jakości
Pierwszy wysłany (Rzeczywisty)
Aktualizacje rekordów badań
Ostatnia wysłana aktualizacja (Rzeczywisty)
Ostatnia przesłana aktualizacja, która spełniała kryteria kontroli jakości
Ostatnia weryfikacja
Więcej informacji
Terminy związane z tym badaniem
Słowa kluczowe
Dodatkowe istotne warunki MeSH
Inne numery identyfikacyjne badania
- S-20180170
Plan dla danych uczestnika indywidualnego (IPD)
Planujesz udostępniać dane poszczególnych uczestników (IPD)?
Informacje o lekach i urządzeniach, dokumenty badawcze
Bada produkt leczniczy regulowany przez amerykańską FDA
Bada produkt urządzenia regulowany przez amerykańską FDA
Te informacje zostały pobrane bezpośrednio ze strony internetowej clinicaltrials.gov bez żadnych zmian. Jeśli chcesz zmienić, usunąć lub zaktualizować dane swojego badania, skontaktuj się z register@clinicaltrials.gov. Gdy tylko zmiana zostanie wprowadzona na stronie clinicaltrials.gov, zostanie ona automatycznie zaktualizowana również na naszej stronie internetowej .