Therapeutic effects of the collagen-binding motif of osteopontin in an animal model of cerebral palsy with bone loss

Abstract

Cerebral palsy (CP) is a static encephalopathy that occurs in the immature brains of fetuses or infants, resulting in lifelong motor impairment. Although the primary consequences of the condition are associated with brain insults, patients with severe CP suffer from bone loss and atypical fractures due to accumulative weight bearing limitations. Despite serious complications, a standard therapy is not established for bone loss in patients with CP. To develop a new pharmacological agent and new therapeutic strategies, a series of studies was performed. First, significant clinical factors affecting bone health were identified in patients with CP, and transcriptome analysis was carried out to identify unbalanced gene expression in patients with CP compared to normal adults. Second, an animal model of CP with bone loss was developed using modified neonatal hypoxic-ischemic brain-injured mice based on the preceding clinical discoveries. Finally, based on the transcriptome analyses, a novel medication using the synthesized collagen-binding motif (CBM) of osteopontin was administered to treat a mouse model of CP with bone loss and therapeutic mechanisms were derived. Based on the clinical discovery that insufficient mechanical loading from non-ambulatory function and low body weight mainly affects bone loss in adults with CP, this translational study first attempted to develop an animal model of CP with bone loss. In line with the established clinical outcomes, regression analyses revealed that the most influential factors affecting bone loss in the animal model of CP were injury severity and body weight. Based on the transcriptome analysis, in which SPP1 gene (secreted phosphoprotein; osteopontin) expression was significantly downregulated in adults with CP who showed significantly lower bone density than normal, a synthesized CBM oligopeptide was administered to an osteoporotic mouse model of CP for two months according to established inclusion and exclusion criteria. Bone anabolic effects were identified after long-term CBM treatment in an animal model of CP with bone loss. Trabecular thickness and total collagen were significantly increased in the CBM treatment group compared with the saline control group. Bone turnover activity was enhanced, with increased markers of bone formation and bone resorption in the CBM treatment group compared with the saline control group. Immunohistochemical analyses revealed increased immunoreactivity of runt-related transcription factor 2 and osteocalcin, pointing to the role played by CBM on osteoblast differentiation. This study aimed to provide a scientific basis for a promising translational approach to treat CP patients who suffer from secondary osteopenia and osteoporosis. This study’s results can serve as a foundation for future research on developing CBM medications for patients with CP.

뇌성마비는 태아 및 영아의 미성숙한 뇌 손상으로 인해 발생하여 영구적 운동 손상을 일으키는 질환이다. 뇌 병변은 손상 후 진행되지 않으나 근골격계 문제가 이차적으로 발생하여 그 증상이 악화될 수 있다. 심한 뇌성마비 환자는 누적된 신체 활동 및 체중 부하 제한으로 인해 골 감소 및 비정형적 골절을 경험할 수 있다. 심각한 합병증에도 불구하고 현재 뇌성마비 환자의 골 감소에 대한 치료 약제 및 치료 방법이 표준화되어 있지 않은 실정이다. 이에 뇌성마비 환자의 골 감소 치료 약제 및 치료 전략을 제시하고자 세 단계의 중개 연구를 수행하였다. 첫째, 성인 뇌성마비 환자의 골 감소에 영향을 미치는 임상적 요인을 찾고자 하였으며, 전사체(transcriptome) 분석을 시도함으로써, 정상인에 비해 뇌성마비 환자에서 비정상적으로 발현되는 골 관련 유전자를 찾고자 하였다. 둘째, 임상 회귀분석 결과에서 발견된 골 감소 영향인자를 기반으로 뇌성마비 골 감소 동물모델을 개발하였다. 셋째, 선정 및 제외 기준에 의해 선정된 동물모델에 오스테오폰틴 콜라겐 부착부(collagen-binding motif)를 처치하여 골 형성 효과 및 치료 기전을 규명하고자 하였다. 임상 연구(clinical study)에서 보행기능과 체중이 성인 뇌성마비 환자의 골밀도에 유의한 영향을 미치는 것을 회귀분석을 통해 발견하였으며, 주산기 허혈성-저산소성 뇌 손상 동물모델에서도 손상 정도와 체중이 성체기 동물 골밀도에 영향을 미치는 것을 입증하여 뇌성마비 골 감소 동물 모델을 개발하였다. 전사체 분석 결과, 뇌성마비 환자의 혈구세포에서 SPP1 (secreted phosphoprotein 1; osteopontin) 유전자가 정상 성인에 비해 70.09배 감소하게 발현된 것을 확인하였다. 오스테오폰틴이 골 형성 및 골 흡수에 대한 이중적 기능이 있는 것을 감안하여, 시퀀스 중 골 형성에 기여하는 콜라겐 부착부를 합성 단백질 제제로 제작하여 뇌성마비 골 감소 동물모델에 처치할 수 있도록 준비하였다. 뇌성마비 골 감소 동물에서 오스테오폰틴 콜라겐 부착부 처치 시 생리 식염수 처치 동물에 비해 해면골 두께 및 콜라겐 양이 유의하게 증가된 것을 확인하였다. 혈청 내 생화학적 골 형성 및 골 흡수 마커가 모두 증가함으로써 전반적인 골 전환율이 상승된 것을 확인하였다. 또한 조골세포 분화 전사인자(RUNX2) 및 성숙 유도인자(OCN)의 증가가 골 형성에 영향을 미친 것을 확인하였다. 본 연구는 뇌성마비 환자의 골감소증 및 골다공증 치료 약제 개발을 위한 중개 연구로 향후 전임상 및 임상연구 확장에 기여할 것으로 전망한다.