Η αλληλεπίδραση μεταξύ των μηχανισμών της γήρανσης, της ρευματοειδούς αρθρίτιδας και των σχετιζομένων συννοσηροτήτων

Abstract

Patients with rheumatoid arthritis and spondyloarthritis show higher mortality rates, mainly caused by cardiac comorbidities and premature aging of their immune system. The TghuTNF (Tg197) arthritis model develops tumor necrosis factor (TNF)-driven and mesenchymal synovial fibroblast (SF)-dependent polyarthritis. Here, we investigate whether this model develops, similarly to human patients, comorbid heart pathology and we explore the cellular and molecular mechanisms linking arthritis to cardiac comorbidities. We also investigate whether these pathologies are affected by premature aging which is caused by accumulation of DNA damage in the synovium and in the heart valve.For these reasons, we used the TghuTNF (Tg197) arthritis model, which overexpresses huTNF and develops chronic polyarthritis, as well as systemic or tissue-specific Ercc1 KO mice, which lack Ercc1 protein and develop a premature aging phenotype. Furthermore, synovial fibroblasts (SFs) and Valve interstitial cells (VICs) were targeted by mice carrying the ColVI-Cre transgene. Clinical and histopathological evaluation of arthritis features were performed in the above animals and echocardiographic evaluation of cardiac function was performed in the Tg197 model. In vitro analysis of cultured SFs and VICs was also performed to investigate possible similarities of these two mesenchymal cellular populations. Tnfr1fl/fl and Tnfr1cneo/cneo mutant mice were used to explore the role of mesenchymal TNF signaling in the development of heart valve disease. Pathogenic VICs and SFs were further analysed by comparative RNA-sequencing analysis.The pathology of Tg197 was not affected by either systemic loss of Ercc1 or mesenchymal-specific ablation of the protein. Similarly, the arthritogenic phenotype of SFs derived from these mice was not affected by the premature aging phenotype. Interestingly, mesenchymal-specific Ercc1 deletion caused muscle atrophy leading to reduced body weight of ColVI-Cre Ercc1fl/- mice compared to their littermates. It also ameliorated induced arthritis.Furthermore, Tg197 mice were found to develop left-sided heart valve disease, characterised by valvular fibrosis with minimal signs of inflammation. Thickened valve areas consisted almost entirely of hyperproliferative ColVI-expressing mesenchymal VICs. Development of pathology resulted in valve stenosis and left ventricular dysfunction, accompanied by arrhythmic episodes and, occasionally, valvular insufficiency. TNF dependency of the pathology was indicated by disease modulation following pharmacological inhibition or mesenchymal-specific genetic ablation or activation of TNF/TNFR1 signaling. Tg197-derived VICs exhibited an activated phenotype ex vivo, reminiscent of the activated pathogenic phenotype of Tg197-derived SFs. Significant functional similarities between SFs and VICs were revealed by RNA-seq analysis, demonstrating common cellular mechanisms underlying TNF-mediated arthritides and cardiac comorbidities. Interestingly, heart-valve pathology of Tg197 mice was completely abolished by systemic Ercc1 ablation, but not by mesenchymal-specific Ercc1 deletion. This has to be due to additional mechanisms which are beyond the scope of this study.In conclusion, comorbid heart valve disease and chronic polyarthritis are efficiently modelled in the Tg197 arthritis model and share common TNF/TNFR1-mediated, mesenchymal cell-specific aetiopathogenic mechanisms. Chronic polyarthritis was not affected by premature aging phenotype, suggesting that the mechanisms driving the pathology of Tg197 act independently of the DNA damage caused by Ercc1 deletion.

Οι ασθενείς με ρευματοειδή αρθρίτιδα και σπονδυλοαρθρίτιδα παρουσιάζουν υψηλότερα ποσοστά θνησιμότητας, που προκαλούνται κυρίως από καρδιακές συννοσηρότητες και πρόωρη γήρανση του ανοσοποιητικού τους συστήματος. Το μοντέλο αρθρίτιδας TghuTNF (Tg197) αναπτύσσει πολυαρθρίτιδα εξαρτώμενη από τον παράγοντα νέκρωσης όγκου (TNF) και από τους μεσεγχυματικούς ινοβλάστες (SF). Στην παρούσα μελέτη, εξετάζεται εάν σε αυτό το μοντέλο αναπτύσσεται, όπως και στους ανθρώπους, συνυπάρχουσα καρδιακή νόσος και διερευνώνται κυτταρικοί και μοριακοί μηχανισμοί που συνδέουν την αρθρίτιδα με τις καρδιακές συννοσηρότητες. Εξετάζεται, επίσης, εάν αυτές οι παθήσεις επηρεάζονται από την πρόωρη γήρανση, λόγω συσσώρευσης βλαβών στο DNA του αρθρικού υμένα και της καρδιακής βαλβίδας. Για αυτούς τους σκοπούς χρησιμοποιήθηκε το ανθρωποποιημένο μοντέλο αρθρίτιδας TghuTNF (Tg197) ποντίκι, το οποίο υπερεκφράζει τον huTNF και αναπτύσσει χρόνια πολυαρθρίτιδα, όπως και ποντικοί με ολική ή ιστοειδική αποσιώπηση της πρωτεΐνης Ercc1, τα οποία αναπτύσσουν φαινότυπο πρόωρης γήρανσης. Για τη στόχευση των αρθρικών ινοβλαστών (SFs) και των κύτταρων της βαλβίδας (VICs) χρησιμοποιήθηκαν ποντικοί που έφεραν το ColVI-Cre διαγονίδιο. Τα παραπάνω ζώα αξιολογήθηκαν κλινικά και ιστοπαθολογικά ως προς τα χαρακτηριστικά της αρθρίτιδας, ενώ στο μοντέλο Tg197 ελέγχθηκε η καρδιακή λειτουργία μέσω ηχοκαρδιογραφικής αξιολόγησης. Επιπροσθέτως, διεξήχθη in vitro ανάλυση των κυττάρων SFs και VICs με σκοπό τη διερεύνηση πιθανών ομοιοτήτων των δύο αυτών μεσεγχυματικών κυτταρικών πληθυσμών. Οι διαγονιδιακοί ποντικοί Tnfr1fl/fl και Tnfr1cneo/cneo χρησιμοποιήθηκαν για να διερευνηθεί ο σηματοδοτικός ρόλος του μεσεγχυματικού TNF στην ανάπτυξη της καρδιακής βαλβιδοπάθειας. Τα παθογόνα κύτταρα VICs και SFs αναλύθηκαν περαιτέρω με ανάλυση αλληλουχίας RNA. Σύμφωνα με τα ευρήματα της μελέτης, η συστημική ή ιστοειδική (στα μεσεγχυματικά κύτταρα) απαλοιφή της πρωτεΐνης Ercc1, δεν επηρέασε την παθολογία των Tg197 ποντικών . Ομοίως, ο αρθριτογόνος φαινότυπος των SFs που προέρχονται από αυτά τα ποντίκια δεν επηρεάστηκε από το φαινότυπο της πρόωρης γήρανσης. Είναι ενδιαφέρον το γεγονός ότι η εξάλειψη της Ercc1 από τα μεσεγχυματικά κύτταρα βελτίωσε την επαγόμενη αρθρίτιδα, ενώ ταυτόχρονα προκάλεσε μυϊκή ατροφία οδηγώντας σε μειωμένο σωματικό βάρος των ποντικών ColVI-Cre Ercc1fl/- σε σύγκριση με τους ποντικούς μάρτυρες. Επιπλέον, οι ποντικοί Tg197 ανέπτυξαν ασθένεια καρδιακής βαλβίδας αριστερής πλευράς, που χαρακτηρίζεται από βαλβιδική ίνωση με ελάχιστα σημάδια φλεγμονής. Οι περιοχές των βαλβίδων που έχουν υποστεί βλάβη συνίστανται σχεδόν εξ’ ολοκλήρου από υπερ-πολλαπλασιαστικά μεσεγχυματικά VICs που εκφράζουν το διαγονίδιο ColVI-Cre. Η ανάπτυξη της παθολογίας έχει σαν αποτέλεσμα τη στένωση βαλβίδας και τη δυσλειτουργία της αριστερής κοιλίας, συνοδευόμενη από αρρυθμικά επεισόδια και, περιστασιακά, βαλβιδική ανεπάρκεια. Η φαρμακολογική αναστολή του TNF, όπως και η μεσεγχυματική γενετική απαλοιφή του σηματοδοτικού του μονοπατιού μέσω του υποδοχέα του, TNFR1, οδηγούν σε βελτίωση της νόσου, γεγονός που υποδεικνύει την άμεση σχέση της παθολογίας αυτής με τον TNF. Τα VICs που προέρχονται από τα Tg197 ποντίκια εμφάνισαν ενεργοποιημένο φαινότυπο ex νίνο, που θυμίζει τον ενεργοποιημένο παθογόνο φαινότυπο των SFs που προέρχονται από τα ίδια ποντίκια. Σημαντικές λειτουργικές ομοιότητες μεταξύ των SFs και των VICs προέκυψαν μετά από ανάλυση RNA-seq, αποδεικνύοντας κοινούς κυτταρικούς μηχανισμούς που ελέγχουν την αρθρίτιδα, όπως και τις καρδιακές συννοσηρότητες με τη μεσολάβηση του TNF.Ενδιαφέρον παρουσιάζει το γεγονός ότι η παθολογία των καρδιακών βαλβίδων των ποντικών Tg197 βελτιώθηκε πλήρως μέσω της συστημικής απαλοιφής της πρωτεΐνης Ercc1, αλλά δεν επηρεάστηκε από την ιστοειδική απαλοιφή της στα μεσεγχυματικά κύτταρα. Αυτό οφείλεται σε επιπρόσθετους μηχανισμούς που δεν εμπίπτουν στο πεδίο εφαρμογής της παρούσας μελέτης.Συμπερασματικά, προκύπτει ότι η συνυπάρχουσα ασθένεια της καρδιακής βαλβίδας και η χρόνια πολυαρθρίτιδα μοντελοποιούνται αποτελεσματικά στο μοντέλο αρθρίτιδας Tg197. Επίσης, μοιράζονται κοινούς αιτιοπαθογόνους μηχανισμούς που σχετίζονται με τους μεσεγχυματικούς κυτταρικούς πληθυσμούς των συγκεκριμένων οργάνων και τα μοριακά μονοπάτια που ενεργοποιούνται διαμέσου του TNF και του υποδοχέα του (TNFR1). Τέλος, η χρόνια πολυαρθρίτιδα δεν επηρεάστηκε από τον πρόωρο φαινότυπο γήρανσης, υποδηλώνοντας ότι η παθολογία του Tg197 δρα ανεξάρτητα από τις βλάβες του DNA που προκαλούνται από τη διαγραφή της πρωτεΐνης Ercc1.