Contribution of matrix vesicles and alkaline phosphatase to ectopic bone formation

Endochondral calcification involves the participation of matrix vesicles (MVs), but it remains unclear whether calcification ectopically induced by implants of demineralized bone matrix also proceeds via MVs. Ectopic bone formation was induced by implanting rat demineralized diaphyseal bone matrix into the dorsal subcutaneous tissue of Wistar rats and was examined histologically and biochemically. Budding of MVs from chondrocytes was observed to serve as nucleation sites for mineralization during induced ectopic osteogenesis, presenting a diameter with Gaussian distribution with a median of 306 ± 103 nm. While the role of tissue-nonspecific alkaline phosphatase (TNAP) during mineralization involves hydrolysis of inorganic pyrophosphate (PPi), it is unclear how the microenvironment of MV may affect the ability of TNAP to hydrolyze the variety of substrates present at sites of mineralization. We show that the implants contain high levels of TNAP capable of hydrolyzing p-nitrophenylphosphate (pNPP), ATP and PPi. The catalytic properties of glycosyl phosphatidylinositol-anchored, polidocanol-solubilized and phosphatidylinositol-specific phospholipase C-released TNAP were compared using pNPP, ATP and PPi as substrates. While the enzymatic efficiency (k cat/Km) remained comparable between polidocanol-solubilized and membrane-bound TNAP for all three substrates, the k cat/Km for the phosphatidylinositol-specific phospholipase C-solubilized enzyme increased approximately 108-, 56-, and 556-fold for pNPP, ATP and PPi, respectively, compared to the membrane-bound enzyme. Our data are consistent with the involvement of MVs during ectopic calcification and also suggest that the location of TNAP on the membrane of MVs may play a role in determining substrate selectivity in this micro-compartment.

Experimental model of heterotopic ossification in Wistar rats

Heterotopic ossification (HO) is a metaplastic biological process in which there is newly formed bone in soft tissues adjacent to large joints, resulting in joint mobility deficit. In order to determine which treatment techniques are more appropriate for such condition, experimental models of induced heterotopic bone formation have been proposed using heterologous demineralized bone matrix implants and bone morphogenetic protein and other tissues. The objective of the present experimental study was to identify a reliable protocol to induce HO in Wistar rats, based on autologous bone marrow (BM) implantation, comparing 3 different BM volumes and based on literature evidence of this HO induction model in larger laboratory animals. Twelve male Wistar albino rats weighing 350/390 g were used. The animals were anesthetized for blood sampling before HO induction in order to quantify serum alkaline phosphatase (ALP). HO was induced by BM implantation in both quadriceps muscles of these animals, experimental group (EG). Thirty-five days after the induction, another blood sample was collected for ALP determination. The results showed a weight gain in the EG and no significant difference in ALP levels when comparing the periods before and after induction. Qualitative histological analysis confirmed the occurrence of heterotopic ossification in all 12 EG rats. In conclusion, the HO induction model was effective when 0.35 mL autologous BM was applied to the quadriceps of Wistar rats.

Influence of transcutaneous electrical stimulation on heterotopic ossification: an experimental study in Wistar rats

Heterotopic ossification (HO) is a metaplastic biological process in which there is newly formed bone in soft tissues, resulting in joint mobility deficit and pain. Different treatment modalities have been tried to prevent HO development, but there is no consensus on a therapeutic approach. Since electrical stimulation is a widely used resource in physiotherapy practice to stimulate joint mobility, with analgesic and anti-inflammatory effects, its usefulness for HO treatment was investigated. We aimed to identify the influence of electrical stimulation on induced HO in Wistar rats. Thirty-six male rats (350-390 g) were used, and all animals were anesthetized for blood sampling before HO induction, to quantify the serum alkaline phosphatase. HO induction was performed by bone marrow implantation in both quadriceps of the animals, which were then divided into 3 groups: control (CG), transcutaneous electrical nerve stimulation (TENS) group (TG), and functional electrical stimulation (FES) group (FG) with 12 rats each. All animals were anesthetized and electrically stimulated twice per week, for 35 days from induction day. After this period, another blood sample was collected and quadriceps muscles were bilaterally removed for histological and calcium analysis and the rats were killed. Calcium levels in muscles showed significantly lower results when comparing TG and FG (P<0.001) and between TG and CG (P<0.001). Qualitative histological analyses confirmed 100% HO in FG and CG, while in TG the HO was detected in 54.5% of the animals. The effects of the muscle contractions caused by FES increased HO, while anti-inflammatory effects of TENS reduced HO.

Analyse fonctionnelle du gène BMP-2 lors de la régénération du membre chez l’axolotl

Les amphibiens urodèles (e.g. les axolotls) possèdent la remarquable capacité de régénérer plusieurs parties de leur corps. Ils peuvent, entre autres, régénérer parfaitement un membre amputé par épimorphose, un processus biphasique comprenant une phase de préparation, spécifique à la régénération, et une phase de redéveloppement, commune à l’épimorphose et au développement embryonnaire. Durant la phase de préparation, les cellules du moignon se dédifférencient en cellules pseudo-embryonnaires, prolifèrent et migrent distalement au plan d’amputation pour former un blastème de régénération. Parmi les vertébrés, la dédifférenciation est unique aux urodèles. Afin de mieux comprendre le contrôle moléculaire de la régénération chez les urodèles, nous avons choisi d’étudier BMP-2, un facteur de croissance, en raison de son implication dans la régénération des phalanges distales chez les mammifères. Le facteur de transcription MSX-1 a également été sélectionné en raison de sa capacité à induire la dédifférenciation cellulaire in vitro et de son interaction potentielle avec la signalisation des BMPs. Les résultats présentés dans cette thèse démontrent que BMP-2 et MSX-1 sont exprimés lors des phases de préparation et de redéveloppement de l’épimorphose, et que leur profil d'expression spatio-temporel est très semblable, ce qui suggère une interaction de leurs signaux. En outre, chez les tétrapodes amniotes, l’expression de Shh est restreinte au mésenchyme postérieur des membres en développement et chevauche l’expression de BMP-2. Toutefois, l’expression de BMP-2 n’est pas restreinte à la région postérieure mais forme un gradient postéro-antérieur. Shh est le principal régulateur de la formation du patron de développement antéro-postérieur du ii membre. Étant donné les domaines d’expression chevauchants de BMP-2 et Shh et la restriction postérieure d’expression de Shh, on croit que Shh régule la formation du patron de développement de postérieur à antérieur par l’activation de l’expression de BMP-2. Fait intéressant, l’axolotl exprime également Shh dans la région postérieure, mais le développement des pattes se fait de la région antérieure à la région postérieure au lieu de postérieur à antérieur comme chez les autres tétrapodes, et ceci durant le développement et la régénération. Nous avons utilisé cette caractéristique de l’axolotl pour démontrer que la signalisation Shh ne structure pas l’autopode via BMP-2. En effet, l’expression de BMP-2 n'est pas régulée par l'inhibition de la signalisation Shh, et son expression est du côté opposé à celle de Shh durant le développement et la régénération des pattes de l’axolotl. Il a été observé durant le développement du membre chez la souris que MSX-1 est régulé par la signalisation Shh. Nos résultats ont démontrés que chez l’axolotl, MSX-1 ne semble pas régulé par l'inhibition de la signalisation Shh au cours de la régénération du membre. De plus, nous avons démontré que contrairement à l’expression de Shh, l’expression de BMP-2 est corrélée avec l’ordre de formation des phalanges, est impliquée dans la condensation cellulaire et dans l'apoptose précédant la chondrogenèse. L’ensemble de ces résultats suggère un rôle de BMP-2 dans l’initiation de l’ossification endochondrale. Enfin, nous avons démontré que la signalisation BMP est indispensable pour l’épimorphose du membre durant la phase de redéveloppement.

Homéostasie phosphocalcique et vitamine D : effets sur le cartilage de croissance par la mesure des paramètres physiques, biochimiques et géniques liés à la croissance osseuse

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Étude de la régulation transcriptionnelle du gène Indian Hedgehog et de son rôle dans l'ostéoarthrose

L’Ostéoarthrose (OA) est une maladie articulaire entrainant une dégénérescence du cartilage et une ossification de l’os sous-chondral. Elle touche un Canadien sur 10 et pourtant l’origine de cette pathologie est encore inconnue. Dans le cadre de ce projet, la contribution de deux facteurs de transcription, NFAT1 et PITX1, dans la régulation transcriptionnelle du promoteur d’IHH a été examiné compte tenu de l’implication potentielle de la voie hedgehog (Hh) et de ces facteurs dans la pathogenèse de l’OA. La voie de signalisation Hh régule la croissance et la différenciation des chondrocytes. Indian hedgehog (IHH), l’un des trois membres de la famille Hh, contrôle leur prolifération et leur différenciation.

Rôle du facteur de transcription PITX1 dans la pathogenèse de l'arthrose.

L'arthrose ou ostéoarthrite (OA) est la plus commune des maladies chroniques associées au vieillissement. La multiplicité des loci et des polymorphismes associés à l'OA suggère l'implication de nombreuses voies de signalisation. La plupart des voies empruntées partagent des points en commun avec le processus d'ossification endochondrale. Dans l'arthrose, la réinitiation de ce processus pourrait être responsable de la dégradation du cartilage et de la présence d'ostéophytes. Un des gènes ayant fait surface autant dans l'OA que dans le développement musculosquelettique est PITX1. Contrairement à ce que son nom l'indique, PITX1 n'est pas seulement exprimé dans la glande pituitaire mais également dans l'os, le cartilage, les muscles et les fibroblastes. Pitx1 joue un rôle clé dans l'identité des membres inférieurs et son inactivation complète chez la souris mène à un phénotype ressemblant aux membres supérieurs. Moins sévère, son inactivation partielle provoque des symptômes apparentés à l'arthrose précoce chez la souris vieillissante. Chez l'humain, une perte d'expression de PITX1 est observée dans le cartilage OA de concert avec une augmentation des protéines EXTL3, REG1 et PARP1. Ces dernières pourraient favoriser la phase initiale de régénération associée à l'arthrose. Pour induire la prolifération des chondrocytes, de bas niveaux de PITX1 sont nécessaires. À l'inverse, de hauts niveaux de PITX1 pourraient prévenir la prolifération et être responsables du statut différencié des chondrocytes articulaires normaux. L'étude des mécanismes de régulation du gène PITX1 a mené à l'identification d'un co-répresseur, nommé prohibitine (PHB1), lié sur une région promotrice distale. PHB1 est normalement retrouvé au niveau des mitochondries mais son accumulation nucléaire semble corréler avec la perte de PITX1 et l'initiation de l'OA. Cette découverte pourrait avoir un impact sur le diagnostic et d'éventuels traitements visant à prévenir l'apparition de l'arthrose.

Description du développement épiphysaire du tarse et du grasset équin à l’IRM et au CT : un pas vers la compréhension de l’OCD

L’ostéochondrite disséquante (OCD) est un défaut focal du processus d’ossification endochondrale en des sites spécifiques au niveau épiphysaire. Elle est caractérisée par la présence de fragments ostéochondraux pouvant se détacher de la surface articulaire. Cette maladie a un impact majeur sur les performances athlétiques des chevaux. Les deux hypothèses principales présentement véhiculées quant à sa pathogénie sont une nécrose ischémique du cartilage de croissance et une altération du métabolisme de la matrice de collagène de type II au sein du cartilage de croissance. Malgré de nombreuses années de recherche sur le sujet, plusieurs aspects de cette maladie demeurent inconnus. L’objectif de cette étude était de décrire le développement épiphysaire équin au niveau du membre pelvien à l’aide de l’imagerie médicale afin de déterminer si des variations du processus de maturation à certains sites pouvaient être un facteur prédisposant au développement de lésions d’OCD. Des membres pelviens de fœtus et de jeunes poulains ont été étudiés post-mortem. L’épiphyse du fémur distal, tibia distal et du talus ont été examinées par tomodensitométrie (CT) et résonnance magnétique 1.5 Tesla (IRM) dans le but de documenter le degré et le patron d’ossification, la régularité du front d’ossification, de même que le pourcentage du diamètre épiphysaire demeurant occupé par le complexe de cartilage articulaire-épiphysaire, et ce au niveau de certains sites prédéterminés. Les centres secondaires d’ossification (SOCs) ont été détectés pour la première fois à 7 mois de gestation (MOG) au niveau de l’épiphyse fémorale distale et à 8 MOG au niveau de l’épiphyse tibiale distale et du talus. À 8-9 MOG la lèvre latérale de la trochlée fémorale, la malléole médiale du tibia (MM) et la partie crâniale de la crête intermédiaire du tibia distal (DIRT(Cr)), tous des sites prédisposés à la maladie, avaient le plus haut pourcentage de cartilage de tous les sites évalués. Post-partum, le pourcentage de cartilage de la MM et de la DIRT(Cr) sont demeurés importants. Le CT et l’IRM ont su illustrer le développement épiphysaire équin et soutenir d’avantage le fait qu’un cartilage plus épais à certains sites articulaires pourrait avoir un rôle dans le développement de lésions d’OCD.

Deiodinase-mediated thyroid hormone inactivation minimizes thyroid hormone signaling in the early development of fetal skeleton

Thyroid hormone (TH) plays a key role on post-natal bone development and metabolism, while its relevance during fetal bone development is uncertain. To Study this, pregnant once were made hypothyroid and fetuses harvested at embryonic days (E) 12.5, 14.5, 16.5 and 18.5. Despite a marked reduction in fetal tissue concentration of both T4 and T3, bone development, as assessed at the distal epiphyseal growth plate of the femur and vertebra, was largely preserved Lip to E16.5. Only at E18.5, the hypothyroid fetuses exhibited a reduction in femoral type I and type X collagen and osteocalcin mRNA levels, in the length and area of the proliferative and hypertrophic zones, in the number of chondrocytes per proliferative column, and in the number of hypertrophic chondrocyres, in addition to a slight delay in endochondral and intramembranous ossification. This Suggests that LIP to E 16.5, thyroid hormone signaling in bone is kept to a minimum. In fact, measuring the expression level of the activating and inactivating iodothyronine deiodinases (D2 and D3) helped understand how this is achieved. D3 mRNA was readily detected as early as E14.5 and its expression decreased markedly (similar to 10-fold) at E18.5, and even more at 14 days after birth (P14). In contrast. D2 mRNA expression increased significantly by E18.5 and markedly (similar to 2.5-fold) by P14. The reciprocal expression levels of D2 and D3 genes during early bone development along with the absence of a hypothyroidism-induced bone phenotype at this time Suggest that coordinated reciprocal deiodinase expression keeps thyroid hormone signaling in bone to very low levels at this early stage of bone development. (c) 2008 Elsevier Inc. All rights reserved.

Osteocondrite dissecante da cabeça do úmero em cães: Estudo retrospectivo de 36 casos (1991-1996)

A osteocondrite dissecante da cabeça do úmero (OCD) é uma condição patológica da cartilagem articular, decorrente de distúrbio da ossificação endocondral. Foram analisados 36 casos de OCD em cães com idades compreendidas entre 5 e 24 meses, observando-se maior representação entre machos comparados com fêmeas (3,5:1). A maioria destes animais (80,6%) tinha recebido suplementação alimentar. Oito cães foram tratados conservativamente através de repouso e restrição alimentar, enquanto os demais foram submetidos a intervenção cirúrgica por meio de artrotomia e remoção do retalho de superfície articular da cabeça do úmero. Concluiu-se que a predisposição de algumas raças, associada ao desequilíbrio nutricional durante os primeiros meses de vida, são as causas determinantes da OCD, e que a cirurgia é a melhor terapia a ser empregada.

Breeder age and bone development in broiler chicken embryos

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Discondroplasia tibial: mecanismos de lesão e controle

A discondroplasia tibial (DT) é atribuída a uma assincronia no processo de diferenciação dos condrócitos, levando à formação de uma camada de condrócitos pré-hipertróficos e de uma cartilagem na tíbia proximal que não é calcificada, mas é resistente à invasão vascular. Além disso, tem sido proposto que, na discondroplasia tíbial, a etapa final do processo de calcificação não ocorre devido ao fato de que os efetores de alguns genes, relacionados com o mecanismo de calcificação do disco de crescimento podem apresentar algumas de suas propriedades químicas ou biológicas alteradas e/ou não serem expressos. Nesse sentido, a compreensão do mecanismo de ação e o papel das biomoléculas e dos minerais relacionados com a discondroplasia tibial poderão contribuir para o conhecimento de doenças do tecido ósseo e estabelecer estratégias de prevenção e tratamento.

Allosteric modulation of pyrophosphatase activity of rat osseous plate alkaline phosphatase by magnesium ions

Pyrophosphatase activity of rat osseous plate alkaline phosphatase was studied at different concentrations of calcium and magnesium ions. with the aim of characterizing the modulation of enzyme activity by these metals. In the absence of metal ions, the enzyme hydrolysed pyrophosphate following Michaelian kinetics with a specific activity of 36.7 U/mg and K-0.5 = 88 mu M. In the presence of low concentrations (0.1 mM) of magnesium (or calcium) ions, the enzyme also exhibited Michaclian kinetics for the hydrolysis of pyrophosphate, but a significant increase in specific activity (123 U/mg) was observed. K-m values remained almost unchanged. Quite different behavior occurred in the presence of 2 mM magnesium (or calcium) ions. In addition to low-affinity sites (K-0.5 = 40 and 90 mu M, for magnesium and calcium, respectively), high-affinity sites were also observed with K-0.5 values 100-fold lower. The high-affinity sites observed in the presence of calcium ions represented about 10% of those observed for magnesium ions. This was correlated with the fact that only magnesium ions triggered conformational changes yielding a fully active enzyme. These results suggested that the enzyme could hydrolyse pyrophosphate, even at physiological concentrations (4 mu M), since magnesium concentrations are high enough to trigger conformational changes increasing the enzyme activity. A model, suggesting the involvement of magnesium ions in the hydrolysis of pyrophosphate by rat osseous plate alkaline phosphatase is proposed. (C) 1998 Published by Elsevier B.V. Ltd. All rights reserved.

Construction of an alkaline phosphatase-liposome system: a tool for biomineralization study

Alkaline phosphatase is required for the mineralization of bone and cartilage. This enzyme is localized in the matrix vesicle, which plays a role key in calcifying cartilage. In this paper. we standardize a method for construction an alkaline phosphatase liposome system to mimic matrix vesicles and examine a some kinetic behavior of the incorporated enzyme. Polidocanol-solubilized alkaline phosphatase, free of detergent, was incorporated into liposomes constituted from dimyristoylphosphatidylcholine (DMPC), dilaurilphosphatidylcholine (DLPC) or dipalmitoylphosphatidylcholine (DPPC). This process was time-dependent and >95% of the enzyme was incorporated into the liposome after 4 h of incubation at 25 degreesC. Although, incorporation was more rapid when vesicles constituted from DPPC were used, the incorporation was more efficient using vesicles constituted from DMPC. The 395 nm diameter of the alkaline phosphatase-liposome system was relatively homogeneous and more stable when stored at 4 degreesC.Alkaline phosphatase was completely released from liposome system only using purified phosphatidylinositol-specific phospholipase C (PIPLC). These experiments confirm that the interaction between alkaline phosphatase and lipid bilayer of liposome is via GPI anchor of the enzyme, alone. An important point shown is that an enzyme bound to liposome does not lose the ability to hydrolyze ATP, pyrophosphate and p-nitrophenyl phosphate (PNPP), but a liposome environment affects its kinetic properties, specifically for pyrophosphate.The standardization of such system allows the study of the effect of phospholipids and the enzyme in in vitro and in vivo mineralization, since it reproduces many essential features of the matrix vesicle. (C) 2002 Elsevier B.V. Ltd. All rights reserved.