Pathogenic role of bone morphogenetic proteins in syndesmophytosis of ankylosing spondylitis

Abstract

[한글]

목적. 착부염과 신생골형성은 강직성 척추염의 주된 병리적 특징으로 특히, 척추의 신생골형성은 주된 장애의 원인이 된다. 골형태형성 단백은 염증 후 치유의 과정이나 비정상적 골형성에 관여하는 것으로 알려진 바, 골형태형성 단백이 강직성 척추염의 특징인 신생 골형성에 관여할 가능성이 있다. 본 연구에서는 강직성 척추염의 동물모델인 프로테오글라이칸-유도성 척추염 동물모델을 이용하여 골형태형성 단백이 강직성 척추염의 병인에 관여하는지 알아보고자 하였다.

방법. BALB/c 종의 생쥐에 100 μg의 인간 프로테오글라이칸을 접종한 후, 척추염의 발생을 확인하면서 골형태형성 단백의 길항제인 생쥐 노긴(noggin) 유전자 각각 30 μg 또는 300 μg 을 함유한 플라스미드를 투여한다. 이 후 척추염의 임상적 경과, 조직학적 변화를 조사하고 각각 21주와 35주에 안락사하여 골형태형성 단백-2, 6, 7과 이의 신호전달물질인 smad1/5의 발현여부를 조사한다.

결과. 강직성 척추염의 병기에 따라 차별적인 골형태형성 단백의 발현이 확인되었으며 초기의 염증상태에서는 골형태형성 단백-2가, 후기의 신생골형성 부위에서는 골형태형성 단백-7이 각각 발현되었다. 노긴 유전자를 투여한 군에서는 용량에 비례하여 관절염의 발생이 억제되었으며 천장관절의 조직학적 변화 역시 감소되었고 특히, 신생골형성의 억제가 천장관절에서 관찰되었다. 신호전달체계의 변화를 관찰한 결과, 유사하게 노긴 유전자를 투여한 군에서 smad1/5의 발현이 용량에 비례하여 억제되는 것이 관찰되었다.

결론. 본 연구의 결과, 골형태형성 단백이 강직성 척추염 동물모델에서 천장관절염 및 신생골형성의 병인에 관여하며 이의 차단이 신생골형성의 발생을 억제함을 확인한 바, 골형태형성 단백의 차단이 강직성 척추염 치료의 새로운 대안이 될 것으로 생각된다.

[영문]

Objective. Syndesmophytosis is a major cause of disability in patients with ankylosing spondylitis (AS) and bone morphogenetic protein (BMP) signaling, which plays a major part in ossification processes and the related growth and differentiation factors influence tendon and ligament formation, appears to be a key molecular pathway involved in this pathological cascade. This study was performed to investigate the role of BMPs in enthesial inflammation and syndesmophytosis of proteoglycan (PG)-induced arthritis mice.

Methods. Sacroiliitis was induced in BALB/c mice by immunization with 100 μg of human cartilage PG in complete Freund's adjuvant. Full-length mouse noggin cDNA, a BMP antagonist was cloned into pcDNA3.1+ vector. Along with sacroiliitis induction, either 30 or 300 μg of pcDNA3.1+ noggin or empty vector was injected into the tibialis anterior muscles at week 12, 15, 18, and 21. A group of mice were sacrificed at week 21 to see the findings of the early stages of the disease and the others were sacrificed at week 35 to see those of the late stages. Assessments for incidence and severity of sacroiliitis and peripheral arthritis were performed, and differential expressions of BMP-2, BMP-6, and BMP-7, and expression smad1/5, which are involved in BMP signaling, were investigated.

Results. On microscopic examination, inflamed synovium invading the sacroiliac joint surface was seen at the early stages and new bone formation was seen at the sacroiliac joints surface at the late stages. Different BMP expressions were detected in distinct stages of sacroiliitis of the mouse model. BMP-2 was found in fibroblast-like cells at early stages and BMP-7 was seen in round hypertrophic chondrocytes at later stages. BMP-6 was not detected in the joint tissues. Both noggin gene transferred groups (30 and 300 μg pcDNA3.1+ noggin) showed significant reductions in incidence and severity of sacroiliitis and peripheral arthritis. Noggin gene transfer reduced new bone formation and resulted in a significant reduction in phosphorylated-smad1/5 compared to those treated with empty pcDNA3.1+.

Conclusion. This study showed that BMP-2 and BMP-7 are differentially expressed in sacroiliitis of PG-induced arthritis mice and that noggin gene transfer reduced new bone formation by down-regulating the smad pathway. These data suggest that blocking BMP signaling might be used as an alternative therapeutic approach in AS.