Effetto del 4-PBA nel modello murino Brtl di Osteogenesi imperfetta

Most cases of dominantly inherited osteogenesis imperfecta (OI) are caused by glycine substitutions in type I collagen α chains, which delay collagen folding and cause the synthesis of collagen molecules with abnormal structure and post-translational modifications. A variable extent of mutant collagen retention in the endoplasmic reticulum (ER) and other secondary mutation effects perturb osteoblast homeostasis and impair bone matrix quality. The chemical chaperone 4-phenylbutyrate (4-PBA) was proved to ameliorate in vitro both OI osteoblast homeostasis and the extracellular matrix (ECM) they deposit. Here we evaluated the effect of 4-PBA treatment in vivo in a murine model of moderate severe OI, the Brtl mouse. Mice were treated with 4-PBA from weaning (P21) till day 49 (short-term treatment) and, to potentiate the effect, from birth (day 0) to day 49 (long-term treatment). Both female and male mice were included. The female Brtl mouse treated with 4-PBA from birth grew more than the untreated counterpart, showing a higher weight and tibia length, while the male and female treated from P21 were not affected. At the end of the long-term treatment, the analyses of the serum markers of bone formation (PINP) and bone resorption (CTXI) indicated an enhanced bone remodelling in females. MicroCT (μCT) analysis showed no changes in trabecular bone in females after short-term treatment, but negative effects in males. In the cortical bone, 4-PBA improved bone surface and tissue volume in females, with no effect in males. Long-term treatment in females led to significant improvements in cortical bone surface, volume, and thickness in OI mice. Bone strength tests showed no change in yield load, maximum load, and fracture load after either short- or long-term treatment. However, bone stiffness significantly improved, indicating a reduced brittleness. Bone histological analyses with picro-sirius red staining demonstrated increased production of mature collagen and better extracellular matrix organization following 4-PBA treatment. Overall, 4-PBA treatment from birth to adulthood enhanced bone remodelling, mass, and strength in osteogenesis imperfecta female mice.

La maggior parte dei casi di osteogenesi imperfetta (OI) a trasmissione dominante è causata da sostituzioni di glicina nelle catene α del collagene di tipo I, che ritardano il ripiegamento del collagene, portando alla sintesi di molecole di collagene con una struttura anomala e modifiche post-traduzionali alterate. Una variabile quantità di collagene mutante si accumula nel reticolo endoplasmatico (ER) e altri effetti secondari delle mutazioni alterano l'omeostasi degli osteoblasti e compromettono la qualità della matrice ossea. Il chaperon chimico 4-fenilbutirrato (4-PBA) ha dimostrato di migliorare in vitro l'omeostasi degli osteoblasti e la matrice extracellulare (ECM) che essi depositano. In questo studio, abbiamo valutato l'effetto del trattamento con 4-PBA in vivo in un modello murino di osteogenesi imperfetta moderata-grave, il topo Brtl. I topi sono stati trattati con 4-PBA dallo svezzamento (P21) fino al giorno 49 (trattamento a breve termine) e, per potenziare l'effetto, dalla nascita (giorno 0) fino al giorno 49 (trattamento a lungo termine). Sono stati inclusi sia topi maschi che femmine. Le femmine di topo Brtl trattate con 4-PBA dalla nascita hanno mostrato una crescita maggiore rispetto a quelle non trattate, con un aumento di peso e una maggiore lunghezza della tibia, mentre i maschi e le femmine trattati solo da P21 non hanno mostrato effetti significativi. Al termine del trattamento a lungo termine, le analisi dei marker sierici della formazione ossea (PINP) e del riassorbimento osseo (CTXI) hanno indicato un miglioramento del rimodellamento osseo nelle femmine. L'analisi microCT (μCT) non ha mostrato modifiche nel tessuto osseo trabecolare nelle femmine dopo il trattamento a breve termine, ma ha evidenziato effetti negativi nei maschi. Nel tessuto osseo corticale, il 4-PBA ha migliorato la superficie ossea e il volume del tessuto nelle femmine, senza alcun effetto nei maschi. Il trattamento a lungo termine nelle femmine ha portato a miglioramenti significativi nella superficie corticale, nel volume e nello spessore dell'osso. I test di resistenza ossea non hanno mostrato variazioni nel carico di snervamento, carico massimo e carico di frattura dopo i trattamenti a breve e lungo termine. Tuttavia, la rigidità ossea è migliorata significativamente, indicando una riduzione della fragilità. Le analisi istologiche ossee con colorazione picro-sirius red hanno mostrato un aumento della produzione di collagene maturo e una migliore organizzazione della matrice extracellulare dopo il trattamento con 4-PBA. In generale, il trattamento con 4-PBA dalla nascita all'età adulta ha migliorato il rimodellamento osseo, la massa e la resistenza nelle femmine di topo con osteogenesi imperfetta