Valutazione del ruolo dell'espressione di IRS-1 nel differenziamento osteoblastico di cellule di osteosarcoma ed MSCs

L’osteosarcoma (OS) è il tumore primitivo dell’osso più comune in età pediatrica e adolescenziale. L’OS è stato recentemente riconsiderato come una patologia da de-differenziamento, legata all’interruzione del processo cui vanno incontro i precursori osteoblastici, quali le cellule staminali mesenchimali (MSCs), per trasformarsi in osteoblasti maturi. Il sistema IGF è coinvolto nella regolazione della proliferazione e del differenziamento di cellule di OS. IRS-1 è un mediatore critico di tale via di segnalazione e il suo livello di espressione modula il differenziamento di cellule ematopoietiche. Lo scopo di questa tesi è stato quello di definire il ruolo di IRS-1 nel differenziamento osteoblastico di MSCs e cellule di OS. Il potenziale differenziativo di cellule di OS umano e murino e di MSCs derivate da midollo osseo è stato valutato tramite Alizarin Red staining e Real Time-PCR. Dai dati ottenuti è emerso come i livelli di espressione di IRS-1 diminuiscano durante il differenziamento osteoblastico. Conseguentemente, i livelli di espressione di IRS-1 sono stati manipolati utilizzando shRNA per down-regolare l’espressione della proteina o un plasmide per sovra-esprimerla. Sia la down-regolazione sia la sovra-espressione di IRS-1 hanno inibito il differenziamento osteoblastico delle linee cellulari considerate. Allo scopo di valutare il contributo di IRS-1 nella via di segnalazione di IGF-1R è stato utilizzato l’inibitore di tale recettore, αIR-3. Anche in questo caso è stata osservata una riduzione della capacità differenziativa. L’inibitore del proteasoma MG-132 ha portato ad un aumento dei livelli di IRS-1, portando nuovamente all’inibizione del differenziamento osteoblastico e suggerendo che l’ubiquitinazione di questa proteina potrebbe avere un ruolo importante nel mantenimento di appropriati livelli di espressione di IRS-1. I risultati ottenuti indicano la criticità dei livelli di espressione di IRS-1 nella determinazione della capacità differenziativa sia di cellule di OS umano e murino, sia delle MSCs.

Study of Bone Biomineralization in 2D and 3D Cultures of a Human Osteosarcoma Cell Line As Osteoblast-like Model

This PhD project focuses on the study of the early stages of bone biomineralization in 2D and 3D cultures of osteoblast-like SaOS-2 osteosarcoma cells, exposed to an osteogenic cocktail. The efficacy of osteogenic treatment was assessed on 2D cell cultures after 7 days. A large calcium minerals production, an overexpression of osteogenic markers and of alkaline phosphatase activity occurred in treated samples. TEM microscopy and cryo-XANES micro-spectroscopy were performed for localizing and characterizing Ca-depositions. These techniques revealed a different localization and chemical composition of Ca-minerals over time and after treatment. Nevertheless, the Mito stress test showed in treated samples a significant increase in maximal respiration levels associated to an upregulation of mitochondrial biogenesis indicative of an ongoing differentiation process. The 3D cell cultures were realized using two different hydrogels: a commercial collagen type I and a mixture of agarose and lactose-modified chitosan (CTL). Both biomaterials showed good biocompatibility with SaOS-2 cells. The gene expression analysis of SaOS-2 cells on collagen scaffolds indicated an osteogenic commitment after treatment. and Alizarin red staining highlighted the presence of Ca-spots in the differentiated samples. In addition, the intracellular magnesium quantification, and the X-ray microscopy on mineral depositions, suggested the incorporation of Mg during the early stages of bone formation process., SaOS-2 cells treated with osteogenic cocktail produced Ca mineral deposits also on CTL/agarose scaffolds, as confirmed by alizarin red staining. Further studies are underway to evaluate the differentiation also at the genetic level. Thanks to the combination of conventional laboratory methods and synchrotron-based techniques, it has been demonstrated that SaOS-2 is a suitable model for the study of biomineralization in vitro. These results have contributed to a deeper knowledge of biomineralization process in osteosarcoma cells and could provide new evidences about a therapeutic strategy acting on the reversibility of tumorigenicity by osteogenic induction.