Vitamin D influence on human articular chondrocyte function
Prosjekt
- Prosjektnummer
- SFP1327-16
- Ansvarlig person
- Yngve Figenschau
- Institusjon
- Universitetssykehuset Nord-Norge HF
- Prosjektkategori
- Korttidsstipend for fullføring av ph.d.
- Helsekategori
- Inflammatory and immune system, Musculoskeletal, Disputed aetiology and other
- Forskningsaktivitet
- 5. Treatment Development
Rapporter
Published : BMC Musculoskelet Disord. 2017 Nov 6;18(1):432. Co-expression of 1α-hydroxylase and vitamin D receptor in human articular chondrocytes.
BACKGROUND:
The aim was to investigate whether resident chondrocytes in human articular cartilage and in subculture express vitamin D receptor (VDR) and the enzyme that hydroxylates the prohormone 25(OH)D3 to the active hormone 1α,25(OH)2D3, namely 1α-hydroxylase (CYP27B1). Any putative effects of vitamin D on chondrocytes were also explored.
METHODS:
Cartilage from human osteoarthritic knee joints, cultured chondrocytes and cells grown in 3D spheroids were examined for the expression of VDR and 1α-hydroxylase by PCR, Western blots and immunolabelling. Receptor engagement was judged by visualizing nuclear translocation. The effects of 25(OH)D3 and 1α,25(OH)2D3 on chondrocyte functions were assessed in proliferation-, chondrogenesis- and cartilage signature-gene expression assays. The capability of chondrocytes to hydroxylate 25(OH)D3 was determined by measuring the concentration of metabolites. Finally, a putative regulation of receptor and enzyme expression by 1α,25(OH)2D3 or interleukin (IL)-1β, was investigated by Western blot.
RESULTS:
Gene expression was positive for VDR in freshly isolated cells from native cartilage, cells subcultured in monolayers and in spheroids, whereas protein expression, otherwise judged low, was apparent in monolayers. Nuclear translocation of VDR occurred upon 1α,25(OH)2D3 treatment. Transcripts for 1α-hydroxylase were detected in freshly isolated cells, cultured cells and spheroids. Western blots and immunolabelling detected 1α-hydroxylase protein in all materials, while staining of tissue appeared confined to cells at the superficial layer. A dose-dependent 1α,25(OH)2D3 production was measured when the enzyme substrate was supplied to cell cultures. Western blots revealed that the VDR, but not 1α-hydroxylase, was induced by IL-1β treatment in adherent cells. Proliferation in monolayers was enhanced by both 25(OH)D3 and 1α,25(OH)2D3, and both compounds had negative effects on chondrogenesis and cartilage-matrix genes.
CONCLUSION:
VDR expression in resident cartilage chondrocytes, generally considered differentiated cells, is elusive. A similar pattern applies for redifferentiated chondrocytes in spheroid cultures, whereas dedifferentiated cells, established in monolayers, stably express VDR. Both 25(OH)D3 and 1α,25(OH)2D3 are able to potentiate cell proliferation but have a negative impact in proteoglycan synthesis. Chondrocytes express 1α-hydroxylase and may contribute to the production of 1α,25(OH)2D3 into the joint environment. Effects of vitamin D could be unfavourable in the context of cartilage matrix synthesis.
Vi kunne ikke finne en klar biologisk funksjon av hormonet i det humane ledd, men fant at hormonet ble produsert av bruskceller i leddet og at bruskceller har reseptor for hormonet noe som tilsier at hormonet må ha en biologisk funksjon her, det vil kreve ytterligere studier for å finne ut av dette.
Vi ville vite hvorvidt brusk-celler uttrykker reseptor (VDR) for calsitriol, det aktive hormon som vitamin D omgjøres til i kroppen. Både vitamin D og calsitriol ble påvist i leddvæske, likeledes VDR i brusk-celler, samt enzymet ansvarlig for omdannelsen til hormon, og dets produksjon i celler. Biologisk betydning av disse funn ble studert videre.Vitamin D er forgjengeren til calsitriol som er et steroid-liknende hormon. Det kan dannes i kroppen fra kolesterol, da trengs sollys, eller det kan tilføres via kosten. Det er velkjent at Vitamin D er nødvendig for normal bein-helse fordi det omdannes til det aktive hormonet calsitriol som regulerer kalsium nivået i kroppen og sørger for at nok kalsium bygges inn i ben. Det er vist at vitaminet også kan ha betydning for en rekke sykdommer i flere organsystemer, og at celler i mange vev uttrykker reseptor for calsitriol (VDR) hvilket indikerer at hormonet kan påvirke prosesser inne i disse celler, annet enn de som gjelder kalsium balanse. Humant kne-bruskvev viste seg å uttrykke VDR og siden vi også påviste både vitamin D og calsitriol i leddvæke undersøkte vi om enzymet (1-alfa-hydroxylase) som omgjør vitamin D til hormonet calsitriol kunne påvises i brusk-celler, hvilket det gjorde. Vi påviste også at dyrkede celler som fikk vitamin D produserte hormonet. Videre viste vi at når cellene ble stimulert med calsitriol vandret komplekset VDR+calsitriol til cellens kjerne, noe som er typisk for reseptorer som VDR, s.k. nukleære reseptorer. Dette illustrerer en aktiv reseptor. Vi studerte effekten av calsitriol på celler ved å simulere betennelse uten overbevisende funn av en økt eller dempet effekt. Derimot hadde calsitriol en stimulerende effekt på bruskcelle vekst. Forsøkene ble gjort parallelt med vitamin D3 og D2 for å se om disse hadde ulik effekt, hvilket er mye diskutert, vitamin D3 kommer fra dyreriket, mens D2 kommer fra planteriket, men her så vi ingen forskjell.
Vitamin D er inngående studert av forskningsgrupper verden over, mye har vært gjort på populasjonsbasis ved eksempelvis å gi vitamin D tabletter og så spore endringer blant deltakerne mht ulike sykdommer. Men funnene er så langt ikke entydige. Her studerte vi den direkte effekt på cellene etter først å ha dokumentert VDR-uttrykk og en til nå ukjent mekanisme, nemlig den at bruskceller selv produserer hormonet calsitriol, og at VDR-uttrykket varierer der dyrkede celler har et større reseptoruttrykk enn celler i vev/3D-dyrkede.
Nest etter kreft og hjerte-kar sykdommer er muskel-skjelett lidelser globalt den 3dje største sykdomsgruppe, deriblant er slitasjegikt (artrose) som ødelegger brusken, den største. Våre foreløpige funn tyder på at vitamin D har effekt på brusk, en slik effekt kan være at ved bruskskade omdannes vitamin D til calsitriol av bruskcellene selv, denne binder VDR som uttrykkes ekstra mye ved skade, og celletallet øker ytterligere. Det siste kan bidra til at bruskceller produserer mer bruskvev og således dempes en sykdomsprosess som vanligvis ender med total destruksjon av brusken med invalidiserende smerter, tapt ledd-funksjon og proteseoperasjon. Resultatene blir publisert i løpet av 2017 og inngår som siste arbeid i dr.graden til lege Ann Kristin Hansen, Ortopedisk avd., UNN.
Vitenskapelige artikler
Hansen AK, Figenschau Y, Zubiaurre-Martinez I
Co-expression of 1α-hydroxylase and vitamin D receptor in human articular chondrocytes.
BMC Musculoskelet Disord 2017 Nov 06;18(1):432. Epub 2017 nov 6
PMID: 29110708
Doktorgrader
Hansen, Ann Kristin
Biology of signalling receptors in human articular chondrocytes
- Disputert:
- desember 2017
- Hovedveileder:
- Zubiaurre-Martinez I.
Deltagere
- Ann Kristin Hansen Doktorgradsstipendiat
- Inigo Zubiavrre Martinez Forskningsgruppeleder
- Yngve Anton Figenschau Prosjektleder
eRapport er utarbeidet av Sølvi Lerfald og Reidar Thorstensen, Regionalt kompetansesenter for klinisk forskning, Helse Vest RHF, og videreutvikles av de fire RHF-ene i fellesskap, med støtte fra Helse Vest IKT
Alle henvendelser rettes til eRapport, Helse Nord