Úloha růstových faktorů v regulaci osteogeneze

Mgr. Petra Celá, Ph.D.

Advanced ('rigorózní') thesis

Role of growth factors in regulation of osteogenesis

Abstract:

Růstové faktory jsou látky bílkovinné povahy, které se uplatňují jak během embryonálního vývoje, tak v dospělém organizmu při reparaci a regeneraci poškozených tkání. Tato práce se soustřeďuje na dvě významné rodiny růstových faktorů, a to na fibroblastové růstové faktory (FGF) a kostní morfogenetické proteiny (BMP). Našim cílem byla analýza vlivu stability FGF1 a FGF2 proteinů na vývoj skeletu u kuřecích embryí. Do končetinových základů byly implantovány kuličky nasáklé FGF proteiny, přičemž byla testována jak stabilizující (FGF1) i destabilizující (FGF2) mutace. Aplikace stabilizované formy FGF1 proteinu způsobila vážnější skeletální defekty než použití wt FGF1. V případě aplikace nestabilní formy FGF2 proteinu byl zaznamenán opačný efekt. Pozorované skeletální malformace zahrnovaly hypoplazii humeru a ulny doprovázené opožděnou osifikací. Ukázalo se, že stabilizující mutace FGF vede k zvýšení jeho aktivity ve tkáních, vnitřní stabilita FGF se tedy jeví jako klíčový element v regulaci FGF signalizace. Dále byl studován vliv inhibice FGF signalizace pomocí syntetických inhibitorů na chondrogenezi u kuřecích embryí. Bylo zjištěno, že aplikace inhibitoru PD173074 vedla k absenci vřetenní kosti nikoli kosti loketní, deformaci metakarpálních kostí a/nebo redukci článků prstů. Detekce buněčných změn podmiňující pozorovaný fenotyp odhalila změny na úrovni exprese PNA, což je raný marker chondrogeneze. Po aplikaci inhibitoru byla také pozorována snížená exprese adhezivní molekuly N-kadherinu, který je klíčový pro tvorbu buněčných kondenzací při iniciaci chondrogeneze. Tyto výsledky naznačují, že vývoj skeletálních elementů v končetině je narušen ještě dříve, než dojde k diferenciaci chondrocytů. Ukázalo se, že částečná inhibice FGF dráhy má rozdílný vliv na anteriorní a posteriorní skelet končetiny, což příspívá k regulaci modelování zeugopodia během embryonálního vývoje. Poslední část práce je věnována shrnutí poznatků týkajících se role růstových faktorů při reparaci kostních defektů u domácích a hospodářských zvířat. Většina dosud provedených experimentů je založena na aplikaci implantátů z různých materiálů v kombinaci s BMP do uměle vytvořené kostní léze. Tyto studie ukázaly, že ve většině případů došlo k urychlení procesu hojení a dřívější produkci kostní tkáně. Do budoucna je žádoucí nové možnosti terapie kostních defektů nadále rozvíjet, a to právě i s ohledem na možné přesahy do humánní medicíny. Předkládaná práce rozšiřuje spektrum znalostí v oblasti aktivity a funkce FGF a BMP, jak v průběhu vývojových procesů, tak během reparace tkání dospělého organizmu.

Abstract:

Growth factors are proteins involved both in embryonic development or processes of reparation and regeneration in adult tissues. This thesis is focused on two important growth factor families: the Fibroblast Growth Factors (FGFs), and Bone Morphogenetic Proteins (BMPs). Our aim was to analyze the influence of stability FGF1 and FGF2 protein on bone development in chicken embryos. Beads soaked in FGF proteins were implanted into limb buds, while a stabilizing (FGF1) and destabilizing (FGF2) mutations of recombinant proteins were tested. Application of stabilizing form of FGF1 protein caused more severe skeletal defects than control wt FGF1. In case of the application of FGF2 with destabilizing mutation, the opposite effect was detected. Skeletal malformations included hypoplasia of the humerus and ulna and they were accompanied by delayed ossification. We revealed that stabilizing mutations of the FGFs led to increase of their activity in the embryonic tissues and therefore the internal stability of FGF appears to be a key element in the regulation of FGF signaling. Further, the inhibition of FGF signaling was tested using synthetic inhibitors in chicken embryos. The application of PD173074 inhibitor resulted in the absence of radius, ulna, malphormations of metacarpal bones and/or reduction of the phalanges. Analysis of cellular mechanisms revealed changes in the level of PNA expression (early marker of chondrogenesis). Inhibitor application resulted in decreased expression of adhesion molecules, N-cadherin, which is crucial for the formation of cellular condensation during chondrogenesis initiation. Our results indicate that the development of skeletal elements in the limb was disrupted already at early stages before chondrocyte differentiation. Partial inhibition of FGF signaling causing different phenotype in the anterior and posterior area of limbs can contribute to zeugopod modelling during embryonic development. Next, we summarize the role of growth factors in bone repair in domestic and farm animals. Most of the experiments carried out to date was based on the application of grafts from various materials in combination with BMP into the artificial bone lesions. In most cases, acceleration of healing process was found with increased production of bone tissue. In the future, it will be necessary to develop new strategies for bone therapy because of possible overlaps into human medicine. This thesis extends the recent knowledge about the activity and function of FGF and BMP during embryonic development or tissue repair in adult organism.

Keywords

BMP, FGF, chondrogeneze, osteogeneze, chondrogenesis, osteogenesis

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 7. 10. 2016

Thesis defence

• Date of defence: 15. 12. 2016
• Reader: Mgr. Jiří Kohoutek, Ph.D., doc. MVDr. Miša Škorič, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Advanced ('rigorózní řízení') programme / field:
Experimental Biology / Special Biology