Effekten av mitokondriell dysfunktion på mänsklig bencellsmetabolism och ombyggnad
Cell- och mössstudier tyder på att mitokondriell dysfunktion kan orsaka förändrad benstruktur.
Hypotes: Minskad mitokondriell energiproduktion påverkar bencellernas utveckling och aktivitet negativt.
Genom att jämföra människor med den mitokondriella DNA-varianten, m.3243A>G, patogena varianter i POLG- eller TWNK-gener med friska kontroller, är syftet att utvärdera effekten av mitokondriell dysfunktion på: 1: bencellsutveckling och -aktivitet i benmärgsstam. celler och blod.
2: bencellsmetabolism inklusive glukoskonsumtion. 3: benstruktur bedömd med elektronmikroskopi och μCT-skanningar av benbiopsier.
Studieöversikt
Status
Betingelser
Intervention / Behandling
Detaljerad beskrivning
Intakt mitokondriell aktivitet inklusive tillräcklig energitillförsel är avgörande för metaboliska aktiva vävnader, dvs skelettmuskler, hjärta och hjärna. Det mänskliga skelettet representerar ytterligare en mycket metaboliskt aktiv vävnad; inte desto mindre kan betydelsen av mitokondriernas roll i mänskligt skelettbenhälsa undersökas ytterligare.
Benremodellering utgör den kopplade och kontinuerliga regenerativa processen av bennedbrytning av benresorberande cellers osteoklaster (OC) följt av bildning av benmatris av benbildande osteoblaster (OB). Kvantitativ obalans mellan resorption och bildning resulterar i skelettsjukdomar med låg benmassa inklusive osteoporos, och dess ökade risk för skörhetsfrakturer.
Mitokondrier genererar cellulär energi adenosintrifosfat (ATP) genom oxidativ fosforyleringsprocess (OXPHOS) i andningskedjan (RC) med en sekundär produktion av de skadliga biprodukterna fria radikaler, dvs reaktiva syrearter (ROS). Noterbart är att mitokondrier har sitt eget DNA (m.DNA), och RC-subenheter kodas av m.DNA respektive nukleära DNA (n.DNA) gener. Med åldrandet ackumuleras skadliga somatiska m.DNA-mutationer i skelettmuskler och hjärta, och somatiska m.DNA-mutationer såväl som ärftliga m.DNA- eller n.DNA-mutationer kan resultera i mitokondriell dysfunktion med försämrad ATP-produktion och ackumulering av ROS. m.DNA-mutationer kan försämra hjärnans, skelett- och hjärtmuskelfunktionen, men effekterna på mänsklig bencellsmetabolism och ombyggnad är okända. En nyligen genomförd studie av en kohort av unga individer indikerar att mitokondriella sjukdomar utgör en risk för benbrottsfrakturer.
Prekliniska studier tyder på att ATP och ROS reglerar benmetabolismen. M.DNA-numret och mitokondriell aktivitet ökar för att stödja differentiering från mänskliga skelett (mesenkymala) stamceller (hMSC) till mogna benbildande OBs. Hämning av mitokondriell aktivitet eller ökning av ROS-nivåer undertrycker OB-differentiering. På samma sätt är OC rika på mitokondrier. Humana OC-kulturer visar att energitillförseln för OC-differentiering från deras stamfader är baserad på OXPHOS medan OC-resorptionsaktiviteten är beroende av glykolys.
Dessutom tyder nya bevis på att metabolisk plasticitet, dvs reglering av glykolys-, OXPHOS- och pyruvatnivåer, bidrar till reglering av OB- och OC-differentiering.
Receptoraktivator av nukleär faktor kappa-beta-ligand (RANKL) utsöndrad av OB aktiverar OC-resorption. Hos möss ökar RANKL-stimulering av benmärgs-OC-progenitorer intracellulära nivåer av ROS, vilket stimulerar OC-differentiering och benresorption in vitro. Vidare hämmar ROS signalvägen av vinglös typ (Wnt) med dämpning av osteoblastogenes och minskad benbildning.
Dessutom ackumulerar möss med mutationer i den n.DNA-kodade korrekturläsningsdomänen av m.DNA-polymeras POLG (PolgA-/-) m.DNA-mutationer och uppvisar en för tidigt åldrande fenotyp inklusive låg benmassa. Dessutom orsakar brist på den n.DNA-kodade mitokondriella transkriptionsfaktorn (TFAM) ATP-utarmning, och möss med TFAM-bristande OC har ökad OC-aktivitet och ökad benresorption. Motsatsen, global förlust av NADH (nikotinamid-adenindinukleotid) ubikinonoxidoreduktas Fe-S protein 4 (NDUFS4), en subenhet i RC-komplex 1, försämrar benresorptionen, och (ndufs4-/-) möss med ökad benmineraldensitet (BMD) och en uppenbar osteopetrosbenfenotyp.
Syftet är att studera bencellsfenotyp hos patienter med sällsynt mitokondriell sjukdom Bärare av MT-TL1 m.3243A>G (MIM: 590050). Genen kodar för transkriptionsfaktorn tRNALeu(UUA/UUG) och m.3243A>G försvagar sammansättning av RC-komplex med en sekundär försämrad ATP-produktion. Fenotypen är delvis associerad med m.3243A>G-mutationsbördan, dvs nivån av heteroplasmi (procentandel av m.3243A>G/vildtyp m.DNA). I studiegruppen ingår även bärare av mutationer i den nukleära kodade POLG (MIM: 174763) och TWNK (MIM: 606075).
Hypotes: Nedsatt mitokondriell funktion påverkar mänskliga benceller -differentiering, -metabolism och -aktivitet som leder till försämrad benbildning och benskörhet.
Syfte: Att avgöra om bärare av ärftliga mitokondriella mutationer, dvs mitokondriell dysfunktion, ATP-utarmning och sekundär ökning av ROS leder till förändring i:
- In vitro OB-differentieringshastighet, OB-aktivitet och benbildning.
- In vitro OC-differentiering-, OC-aktivitet och högre total benresorption.
- In vivo förändringar i vävnadsnivåns dynamik för benbildning och - resorption som undersökts i höftbensbiopsier.
Design, deltagare och metoder: Tvärsnittsfall-kontrollstudie inklusive försökspersoner (>18 år) som bär på en av följande mutationer:
- MT-TL1 m.3243A>G
- POLG mutation
- TWNK
N=10 fall med varje patogen genetisk variant och lika antal kontroller (n=30) matchade på kön, ålder och BMI.
Studietyp
Inskrivning (Förväntat)
Fas
- Inte tillämpbar
Kontakter och platser
Studiekontakt
- Namn: Anja L Frederiksen, MD
- Telefonnummer: +4597664999
- E-post: Anja.Lisbeth.Frederiksen@rn.dk
Studieorter
-
-
-
Aalborg, Danmark
- Rekrytering
- Dept. of Clinical Genetics
-
Kontakt:
- Anja L Frederiksen, MD
- Telefonnummer: +4597664999
- E-post: Anja.Lisbeth.Frederiksen@rn.dk
-
-
Deltagandekriterier
Urvalskriterier
Åldrar som är berättigade till studier
Tar emot friska volontärer
Kön som är behöriga för studier
Beskrivning
Inklusionskriterier - fall:
- Genetisk diagnos med: MT-TL1 m.3243A>G, eller POLG-variant, het eller TWNK-variant, het, > 18 år
- Undertecknat informerat samtycke
Inklusionskriterier - kontroller:
- Friska försökspersoner matchade på ålder och kön > 18 år
- Undertecknat informerat samtycke
Exklusions kriterier:
- Renal (kreatinin > 90 µmol/l)
- Leverdysfunktion (AST > 3 gånger den övre gränsen)
- Medicinsk behandling som påverkar benmetabolismen (oral kortikosteroid <12 veckor, behandling mot osteoporos, könssteroider, antikonvulsiva medel)
- Graviditet
- Överdriven konsumtion av alkohol
- Behandling med antikoagulantia
- Redan existerande koagulopati
- Allergi mot lidokain, morfin eller diazepam.
Studieplan
Hur är studien utformad?
Designdetaljer
- Primärt syfte: Grundläggande vetenskap
- Tilldelning: N/A
- Interventionsmodell: Enskild gruppuppgift
- Maskning: Ingen (Open Label)
Vapen och interventioner
Deltagargrupp / Arm |
Intervention / Behandling |
|---|---|
|
Övrig: Fall och kontroller
Klinisk bedömning, blodprover, dubbelenergiröntgenabsorptiometri (DXA) skanning och bedömning av benmärg och tetracyklinmärkt benbiopsi
|
Bedömning av blodprov, benmärg och benbiopsi
|
Vad mäter studien?
Primära resultatmått
Resultatmått |
Åtgärdsbeskrivning |
Tidsram |
|---|---|---|
|
Extracellulär försurningshastighet (ECAR) (mpH/min)
Tidsram: Upp till 12 veckor
|
Mätning av ECAR i mänskliga benmärgsskelett (mesenkymala) stamceller (hBM-MSCs), osteoblaster (OB) och osteoklaster (OC)
|
Upp till 12 veckor
|
|
Syreförbrukningshastighet (OCR) (mpMol/min)
Tidsram: Upp till 12 veckor
|
Mätning av OCR i hBM-MSCs, OBs och OCs
|
Upp till 12 veckor
|
|
Tillväxthastighet (antal celler)
Tidsram: Upp till 12 veckor
|
Tillväxthastighet av obs och OC
|
Upp till 12 veckor
|
Sekundära resultatmått
Resultatmått |
Åtgärdsbeskrivning |
Tidsram |
|---|---|---|
|
Bentillväxthastighet (µm/dag)
Tidsram: Upp till 4 veckor
|
Histomofometriska mätningar av bentillväxt i tetracyklinmärkt benbiopsi
|
Upp till 4 veckor
|
|
Histomorfometrisk
Tidsram: Upp till 4 veckor
|
Histomofometriska studier av benbiopsier
|
Upp till 4 veckor
|
Samarbetspartners och utredare
Sponsor
Utredare
- Huvudutredare: Anja L Frederiksen, MD, Aalborg University Hospital
Publikationer och användbara länkar
Allmänna publikationer
- 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.
Studieavstämningsdatum
Studera stora datum
Studiestart (Faktisk)
Primärt slutförande (Förväntat)
Avslutad studie (Förväntat)
Studieregistreringsdatum
Först inskickad
Först inskickad som uppfyllde QC-kriterierna
Första postat (Faktisk)
Uppdateringar av studier
Senaste uppdatering publicerad (Faktisk)
Senaste inskickade uppdateringen som uppfyllde QC-kriterierna
Senast verifierad
Mer information
Termer relaterade till denna studie
Nyckelord
Ytterligare relevanta MeSH-villkor
Andra studie-ID-nummer
- S-20180170
Plan för individuella deltagardata (IPD)
Planerar du att dela individuella deltagardata (IPD)?
Läkemedels- och apparatinformation, studiedokument
Studerar en amerikansk FDA-reglerad läkemedelsprodukt
Studerar en amerikansk FDA-reglerad produktprodukt
Denna information hämtades direkt från webbplatsen clinicaltrials.gov utan några ändringar. Om du har några önskemål om att ändra, ta bort eller uppdatera dina studieuppgifter, vänligen kontakta register@clinicaltrials.gov. Så snart en ändring har implementerats på clinicaltrials.gov, kommer denna att uppdateras automatiskt även på vår webbplats .