Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10316/26252
Title: Glucose Sensing and Modulation of Human Chondrocyte Functions by Hyperglycemia: Relevance as Pharmacological Targets for Diabetes – Associated OA
Authors: Rufino, Ana Teresa Oliveira 
Orientador: Mendes, Alexandrina Ferreira
Cavaleiro, Carlos
Keywords: Osteoartrite; Hiperglicémia
Issue Date: 23-Jan-2015
Citation: RUFINO, Ana Teresa Oliveira - Glucose sensing and modulation of human chondrocyte functions by hyperglycemia : relevance as pharmacological targets for diabetes – associated OA. Coimbra : [s.n.], 2015. Tese de doutoramento. Disponível na WWW: http://hdl.handle.net/10316/26252
Abstract: A Osteoartrite (OA) e a Diabetes Mellitus (DM), especialmente tipo 2, são doenças relacionadas com o envelhecimento e, por isso, cada vez mais prevalentes. Estudos epidemiológicos e experimentais suportam a forte relação entre a DM e o desenvolvimento e progressão da OA, conduzindo ao aparecimento do conceito de OA associada à diabetes. A compreensão dos mecanismos subjacentes é essencial para o desenvolvimento de estratégias preventivas e terapêuticas específicas que são urgentemente necessárias para travar a crescente incidência da OA e os seus enormes custos socioeconómicos. A hiperglicémia, como característica fundamental da DM, é por hipótese um importante promotor da degradação da articulação, neste conceito de OA associada à diabetes. Neste contexto, o principal objectivo deste trabalho foi contribuir para o esclarecimento dos mecanismos pelos quais os níveis extracelulares de glucose são detectados pelos condrócitos, em particular a clarificação do papel dos canais de potássio dependentes de ATP [K(ATP)] neste processo e compreender os mecanismos através dos quais a hiperglicemia induz dano nos condrócitos. Compreender estes processos é essencial para evidenciar possíveis mecanismos patológicos e potenciais alvos farmacológicos para a OA associada à DM. Adicionalmente procurou-se identificar compostos com propriedades anti-inflamatórias e anti-catabólicas que justifiquem a sua exploração para o desenvolvimento de novos fármacos anti-osteoartríticos. Como fontes dos compostos a estudar, utilizaram-se extractos de plantas, a maioria constituintes da flora endémica da Península Ibérica, de modo a contribuir também para a valorização do nosso património biológico. Em geral, os resultados obtidos mostram que: • Condrócitos humanos de todos os graus de OA apresentam canais de potássio ATP dependentes [K(ATP)] heterogéneos, com múltiplas combinações de subunidades possíveis, mas parecendo a Kir6.2 e a SUR2B as subunidades mais expressas. • A actividade dos canais K(ATP) influencia a abundância dos principais transportadores de glucose, GLUT-1 e -3, nos condrócitos normais, mas não afecta o transporte de glucose. Isto sugere que estes canais participam num mecanismo sensor de glucose que regula os níveis dos GLUT, mas a modulação da sua actividade isoladamente não é suficiente para ajustar a capacidade de transporte de glucose em condrócitos. • Os condrócitos de graus de OA mais elevados, isto é, em que a degradação da cartilagem é progressivamente mais extensa, respondem menos eficazmente ou não respondem a alterações na actividade dos canais K(ATP). • A exposição dos condrócitos a concentrações elevadas de glucose induz a expressão de mediadores pro-inflamatórios, nomeadamente a IL-1β, o TNF-α e a iNOS, acompanhada pelo aumento da produção de NO, através de um mecanismo, pelo menos parcialmente, mediado pelo NF-κB. • A insulina não só não previne os efeitos pro-inflamatórios da hiperglicemia nos condrócitos humanos mas ainda, em concentrações supra-fisiológicas, induz por si só a activação do NF-κB. • Os óleos essenciais de Lavandula luisieri e Eryngium duriaei subsp. juresianum apresentam importantes actividades anti-inflamatórias, nomeadamente a inibição significativa da expressão da iNOS, da produção de NO e da activação do NF-κB induzidos pela IL-1β. Assim, estes óleos podem ser de grande valor no desenvolvimento de novas terapias ou como fonte de compostos activos para o tratamento da OA • O (+)-α-pinene apresenta o maior potencial condroprotector e anti-inflamatório de entre os seus isómeros, enantiomeros e outros compostos naturais de núcleo pinano por inibir significativamente a activação de vias de sinalização inflamatórias e catabólicas induzidas pela IL-1β, nomeadamente a activação do NF-κB e da JNK e a expressão de genes inflamatórios (iNOS) e catabólicos (MMP-1 e -13). • O mirceno e o limoneno, compostos naturais encontrados nos óleos essenciais de Eryngium duriaei subsp. juresianum e Lavandula luisieri, mostraram interessantes propriedades anti-inflamatórias e anti-catabólicas, nomeadamente a inibição da expressão de mediadores pro-inflamatórios e catabólicos como o NO, iNOS, MMP-1 e -13 e da activação de vias de sinalização como a do NF-κB e a da p38MAPK. • Adicionalmente, o mirceno ainda inibe a fosforilação das MAPK, JNK e ERK1/2, o que possivelmente contribui para a inibição da expressão de genes pro-inflamatórios, pro-catabólicos e de desdiferenciação do condrócito, nomeadamente o colagénio I, e atenua a inibição da expressão dos genes anti-catabólicos TIMP-1 e -3 causadas pela IL-1β. Em resumo, uma visão geral dos resultados sugere por um lado, que a alteração dos mecanismos de sensibilidade à glucose e a exposição a concentrações de glucose elevada conduzem a um aumento da expressão de mediadores e vias de sinalização inflamatórias nos condrócitos, estabelecendo uma nova ligação entre a OA e a DM e suportando a existência de um fenótipo específico de OA induzida pela DM. Por outro lado, estes mediadores e vias de sinalização inflamatórios e catabólicos são alvos importantes para o desenvolvimento de novos fármacos com capacidade de modificar o curso da doença. O mirceno aparece como um composto lead interessante a ser explorado para o desenvolvimento de novas terapêuticas para a OA.
Osteoarthritis (OA) and Diabetes Mellitus (DM), especially type 2, are age-related diseases with increasing prevalence. Several epidemiological and experimental data support a strong relation between DM and the development and progression of OA which leads to the concept of Diabetes–associated OA. Understanding the underlying mechanisms is essential for developing prevention strategies and targeted therapies that are urgently needed to stop the growing incidence of OA and its huge socio-economic costs. Hyperglycemia, as a hallmark of DM, is by hypothesis a major trigger of joint degradation in this concept of DM-associated OA. In this context, this work aimed to contribute to elucidate how extracellular glucose levels are sensed by human chondrocytes, in particular by determining the role of potassium channels in this process, and to further understand the mechanisms by which hyperglycemia induces cartilage damage, unraveling possible pathological mechanisms and potential pharmacological targets of DM-associated OA. Moreover, molecules, of plant origin, were studied to assess their anti-inflammatory and chondroprotective activities that can be explored for development of new drugs with disease-modifying osteoarthritis properties. In general, the results obtained show that: • Human chondrocytes of any OA grade present heterogeneous K(ATP) channels, with Kir6.2 and SUR2B being the major subunits expressed. • The activity of K(ATP) channels influences the abundance of the major glucose transporters, GLUT-1 and GLUT-3, in normal chondrocytes, but did not affected glucose transport, suggesting that these channels participate in a glucose-sensing apparatus that regulates GLUT levels which, by themselves, are not sufficient to adjust glucose transport capacity. • Chondrocytes of increasing OA grade are less responsive to changes in K(ATP) channel activity. • Exposure of human chondrocytes to high, hyperglycemia-like glucose concentrations induces the expression of pro-inflammatory mediators, namely IL-1β, TNF-α and iNOS, accompanied by increased NO production, in a mechanism, at least partially, mediated by NF-κB. • Insulin, not only does not prevent the pro-inflammatory effects of hyperglycemia in human chondrocytes, as, in supraphysiologic concentrations, can induce NF-κB activation by itself. • The essential oils of Lavandula luisieri and Eryngium duriae subsp. juresianum display important anti-inflammatory properties, namely, significant inhibition of IL-1β-induced iNOS expression, NO production and NF-κB activation in human chondrocytes. Likewise, these essential oils may be of great value in the development of new therapies or as sources of active compounds for the treatment of chronic inflammatory diseases, like OA. • (+)-α-pinene, showed the most potent chondroprotective and anti-inflammatory activities among its isomers, enantiomers and other naturally occurring compounds derived from the pinane nucleus, by significantly inhibiting IL-1β-induced inflammatory and catabolic pathways, namely, NF-κB and JNK activation and the expression of inflammatory (iNOS) and catabolic (MMP-1 and -13) genes. • Limonene and myrcene, natural compounds found in the essential oils of Eryngium duriae subsp. juresianum and Lavandula luisieri, showed interesting anti-inflammatory and anti-catabolic properties, namely inhibition of IL-1β-induced NF-κB and p38 MAPK activation and expression of pro-inflammatory and catabolic mediators, namely NO, iNOS and MMP-1 and -13. • Myrcene further inhibits the phosphorylation of JNK and ERK1/2 MAPKs, which possibly contributes to the inhibition of pro-inflammatory, pro-catabolic and chondrocyte dedifferentiation genes, namely collagen type I, as well as to relieve the inhibition of TIMP-1 and 3 expression caused by IL-1β. In summary, a comprehensive view of the results suggests that if, on one hand, altered glucose sensing mechanisms and high glucose exposure lead to an increased expression of inflammatory mediators and pathways in chondrocytes, establishing a new link between DM and OA and supporting the existence of a DM-induced OA phenotype, on the other hand, those inflammatory and catabolic mediators and signalling pathways are major targets for the development of new drugs with disease-modifying OA properties. Myrcene is an interesting lead compound for the treatment of this disease.
Description: Tese de doutoramento em Farmácia, na especialidade de Farmacologia e Farmacoterapia, apresentada à Faculdade de Farmácia da Universidade de Coimbra
URI: http://hdl.handle.net/10316/26252
Rights: openAccess
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