Features of bone remodeling and osteoreparation processes in modeling femoral fracture in genetically modified mice with impaired enzymatic regulation of steroid hormone metabolism

Михаил В. Корокин; Олег С. Гудырев; Петр Р. Лебедев; Алим А. Кочкаров; Татьяна Г. Покровская; Людмила М. Даниленко; Нина И. Жернакова; Татьяна В. Автина; Сергей А. Прибылов; Алина В. Паршина; Елена В. Кузубова; Александра И. Радченко; Иван С. Коклин; Эдуард И. Таран

doi:10.18413/rrpharmacology.9.10062

Авторы

Михаил В. Корокин Белгородский государственный национальный исследовательский университет https://orcid.org/0000-0001-5402-0697
Олег С. Гудырев Белгородский государственный национальный исследовательский университет https://orcid.org/0000-0003-0097-000X
Петр Р. Лебедев Белгородский государственный национальный исследовательский университет https://orcid.org/0000-0001-9102-3360
Алим А. Кочкаров Белгородский государственный национальный исследовательский университет https://orcid.org/0000-0003-4972-7262
Татьяна Г. Покровская Белгородский государственный национальный исследовательский университет https://orcid.org/0000-0001-6802-5368
Людмила М. Даниленко Белгородский государственный национальный исследовательский университет https://orcid.org/0000-0001-6101-8712
Нина И. Жернакова Белгородский государственный национальный исследовательский университет https://orcid.org/0000-0001-7648-0774
Татьяна В. Автина Белгородский государственный национальный исследовательский университет https://orcid.org/0000-0003-0509-5996
Сергей А. Прибылов Белгородская областная клиническая больница Святого Иоасафа https://orcid.org/0000-0002-2913-493X
Алина В. Паршина Белгородский государственный национальный исследовательский университет https://orcid.org/0009-0001-6688-2312
Елена В. Кузубова Белгородский государственный национальный исследовательский университет https://orcid.org/0000-0003-2425-5027
Александра И. Радченко Белгородский государственный национальный исследовательский университет https://orcid.org/0000-0002-4554-2116
Иван С. Коклин Белгородский государственный национальный исследовательский университет https://orcid.org/0000-0002-1560-4195
Эдуард И. Таран Белгородский государственный национальный исследовательский университет https://orcid.org/0000-0001-7880-6686

DOI:

https://doi.org/10.18413/rrpharmacology.9.10062

Аннотация

Введение: Целью настоящего исследования стала оценка процессов костного ремоделирования и остеорепарации при моделировании перелома бедренной кости у мышей у которых отсутствовала экспрессия 11β-HSD2 (11β-HSD2^-/-) или у которых отсутствовала экспрессия 11β-HSD2 и аполипопротеина Е (11β-HSD2^-/- APOe ^-/-).

Материалы и методы: Экспериментальное исследование проводилось на 60 самцах мышей массой 24-30 г. В исследовании использовали мышей-самцов, у которых отсутствовала экспрессия 11β-HSD2 (нокаутные мыши с генотипом Hsd2^-/-), и мышей-самцов, у которых отсутствовала экспрессия 11β-HSD2 и аполипопротеина Е (двойные нокаутные мыши с генотипом Hsd2^-/-/Apoe^-/-). В группу контроля включены животные дикого типа C57bl/6. Моделирование перелома проксимального метафиза бедренной кости производили у животных в возрасте 6 месяцев по закрытой методике. Оценку сращения переломов и процессов костного ремоделирования и остеорепарации проводили через 6 недель после моделирования перелома.

Результаты: Показано, что нарушение регуляции обмена стероидных гормонов в группах животных с генотипами Hsd2^-/-и Hsd2^-/-/ ApoE^-/-приводит к увеличению количества несросшихся переломов в 3 и 3,5 раза соответственно в сравнении с животными дикого типа. Установлено, что уровень микроциркуляции проксимального метафиза левой бедренной кости в области сформировавшейся костной мозоли в группе животных с генотипом 11β-HSD2^-/- достоверно снизился с 92,075±4,33 перфузионных единиц (ПЭ) в группе животных дикого типа до 82,67±3,54 ПЭ (р=0,0002) в группе группе животных с генотипом HSD2^-/- и до 75,85±5,64 (р<0,0001) в группе мышей с генотипом Hsd2^-/-/Apoe^-/-. При расчете коэффициента эндотелиальной дисфункции обнаружено увеличение коэффициента эндотелиальной дисфункции с 1,297±0,19 у интактных животных до 2,115±0,45 (р<0,00001) в группе мышей с генотипом Hsd2^-/- и до 2,41±0,04 (р<0,00001) в группе мышей с генотипом Hsd2^-/-/Apoe^-/-. У животных с нарушением обмена кортизола отмечалось замедление формирования костной ткани в области перелома костные трабекулы имели меньшую ширину в просвете между костными отломками наблюдались большие количества фиброзной и соединительной ткани, отмечено увеличение межтрабекулярных пространств

Заключение: Подтвержденная в данном исследовании тесная связь между метаболизмом 11β-HSD2 и NO может рассматриваться как перспективная фармакотерапевтическая мишень. Очевидно, что подходы к изменению активности 11β-HSD имеют значительный терапевтический потенциал в лечении остеопороза, нарушений костного ремоделирования и остеорепарации при переломах на фоне сформировавшихся остеопоротических изменений при нарушении обмена стероидных гормонов.

Графическая аннотация

Ключевые слова:

остеопороз, плотность костной ткани, метаболизм стероидных гормонов, трансгенные животные, 11β-HSD2, ApoE, Hsd2-/-, Hsd2-/-/Apoe-/-

Библиографические ссылки

Ballane G, Cauley JA, Luckey MM, Fuleihan Gel-H (2014) Secular trends in hip fractures worldwide: Opposing trends East versus West. Journal of Bone and Mineral Research 29(8): 1745–1755. https://doi.org/10.1002/jbmr.2218 [PubMed]

Camacho PM, Petak SM, Binkley N, Diab DL, Eldeiry LS, Farooki A, Harris ST, Hurley DL, Kelly J, Lewiecki EM, Pessah-Pollack R, McClung M, Wimalawansa SJ, Watts NB (2020) American Association of Clinical Endocrinologists / American College of Endocrinology clinical practice guidelines for the diagnosis and treatment of postmenopausal osteoporosis – 2020 update executive summary. Endocrine Practice 26(5): 564–570. https://doi.org/10.4158/GL-2020-0524 [PubMed]

de Souza MP (2010) Osteoporosis diagnosis and treatment. Revista Brasileira de Ortopedia 45(3): 220–229. [PubMed] [PMC]

Deuchar GA, McLean D, Hadoke PWF, Brownstein DG, Webb DJ, Mullins JJ, Chapman K, Seckl JR, Kotelevtsev YV (2011) 11β-hydroxysteroid dehydrogenase type 2 deficiency accelerates atherogenesis and causes proinflammatory changes in the endothelium in apoe-/- mice. Endocrinology 152(1): 236–246. https://doi.org/10.1210/en.2010-0925 [PubMed] [PMC]

Dube S, Norby BJ, Pattan V, Carter RE, Basu A, Basu R (2015) 11β-hydroxysteroid dehydrogenase types 1 and 2 activity in subcutaneous adipose tissue in humans: Implications in obesity and diabetes. The Journal of Clinical Endocrinology and Metabolism 100(1): E70–E76. https://doi.org/10.1210/jc.2014-3017 [PubMed] [PMC]

Engström A, Michaëlsson K, Vahter M, Julin B, Wolk A, Åkesson A (2019) Associations between dietary cadmium exposure and bone mineral density and risk of osteoporosis and fractures among women. Bone 50(6): 1372–1378. https://doi.org/10.1016/j.bone.2012.03.018 [PubMed]

Korokin MV, Gudyrev OS, Lebedev PR, Kuzubova EV, Radchenko AI, Koklin IS, Taran EI, Kochkarov AA (2022a) Characteristics of the state of bone tissue in genetically modified mice with impaired enzymatic regulation of steroid hormone metabolism. Research Results in Pharmacology 8(4): 157–166. https://doi.org/10.3897/rrpharmacology.8.98779

Korokin MV, Soldatov VO, Gudyrev OS (2022b) The role of cortisol metabolism in the realization of pathogenetic links in the development of osteoporosis – the rationale for the search for new pharmacotherapeutic targets (review). Research Results in Biomedicine. 8(4): 457–473. [in Russian]

Lou S, Lv H, Yin P, Li Z, Tang P, Wang Y (2019) Combination therapy with parathyroid hormone analogs and antiresorptive agents for osteoporosis: A systematic review and meta-analysis of randomized controlled trials. Osteoporosis International 30(1): 59–70. https://doi.org/10.1007/s00198-018-4790-4 [PubMed]

Nogués X, Carbonell MC, Canals L, Lizán L, Palacios S (2022) Current situation of shared decision making in osteoporosis: A comprehensive literature review of patient decision aids and decision drivers. Health Science Reports 5(6): e849. https://doi.org/10.1002/hsr2.849 [PubMed] [PMC]

Rozenberg S, Bruyère O, Bergmann P, Cavalier E, Gielen E, Goemaere S, Kaufman JM, Lapauw B, Laurent MR, De Schepper J, Body JJ (2020) How to manage osteoporosis before the age of 50. Maturitas 138: 14–25. https://doi.org/10.1016/j.maturitas.2020.05.004 [PubMed]

Tabatabaei-Malazy O, Salari P, Khashayar P, Larijani B (2017) New horizons in treatment of osteoporosis. Daru 25(1): 2. https://doi.org/10.1186/s40199-017-0167-z [PubMed] [PMC]

Vidal M, Thibodaux RJ, Neira LFV, Messina OD (2019) Osteoporosis: A clinical and pharmacological update. Clinical Rheumatology 38(2): 385–395. https://doi.org/10.1007/s10067-018-4370-1 [PubMed]

Weaver CM, Gordon CM, Janz KF, Kalkwarf HJ, Lappe JM, Lewis R, O'Karma M, Wallace TC, Zemel BS (2016) The national osteoporosis foundation’s position statement on peak bone mass development and lifestyle factors: A systematic review and implementation recommendations. Osteoporosis International (2016) 27: 1281–1386. https://doi.org/10.1007/s00198-015-3440-3 [PubMed] [PMC]

Weinstein RS, Wan C, Liu Q, Wang Y, Almeida M, O'Brien CA, Thostenson J, Roberson PK, Boskey AL, Clemens TL, Manolagas SC (2010) Endogenous glucocorticoids decrease skeletal angiogenesis, vascularity, hydration, and strength in aged mice. Aging Cell 9(2): 147–161. https://doi.org/10.1111/j.1474-9726.2009.00545.x [PubMed] [PMC]

Zhang H, Zhou F, Pan Z, Bu X, Wang Y, Chen F (2017) 11β-hydroxysteroid dehydrogenases-2 decreases the apoptosis of MC3T3/MLO-Y4 cells induced by glucocorticoids. Biochemical and Biophysical Research Communications 490(4): 1399–1406. https://doi.org/10.1016/j.bbrc.2017.07.046 [PubMed]

Zhao B, Xing G, Wang A (2019) The BMP signaling pathway enhances the osteoblastic differentiation of bone marrow mesenchymal stem cells in rats with osteoporosis. Journal of Orthopaedic Surgery and Research 14(1): 462. https://doi.org/10.1186/s13018-019-1512-3 [PubMed] [PMC]

Вклад авторов

Михаил В. Корокин, Белгородский государственный национальный исследовательский университет

Mikhail V. Korokin, Doct. Sci. (Medicine), Professor at the Department of Pharmacology and Clinical Pharmacology, Belgorod State National Research University, Belgorod, Russia; e-mail: mkorokin@mail.ru; ORCID ID https://orcid.org/0000-0001-5402-0697. Writing an article, developing a research design, and processing the results obtained.

Олег С. Гудырев, Белгородский государственный национальный исследовательский университет

Oleg S. Gudyrev, Cand. Sci. (Medicine), Associate Professor at the Department of Pharmacology and Clinical Pharmacology, Belgorod State National Research University, Belgorod, Russia; e-mail: gudyrev@mail.ru; ORCID ID https://orcid.org/0000-0003-0097-000X. Writing an article, developing a research design, and processing the results obtained.

Петр Р. Лебедев, Белгородский государственный национальный исследовательский университет

Petr R. Lebedev, Junior Researcher at the Laboratory of Genetic Technologies and Gene Editing for Biomedicine and Veterinary Science, Belgorod State National Research University, Belgorod, Russia; e-mail: artkelt98@yandex.ru; ORCID ID https://orcid.org/0000-0001-9102-3360. Study of bone density and formation of experimental cohorts.

Алим А. Кочкаров, Белгородский государственный национальный исследовательский университет

Alim A. Kochkarov, Researcher at the Research Institute of Pharmacology of Living Systems, Belgorod State National Research University, Belgorod, Russia; e-mail: kochkarova@bsu.edu.ru; ORCID ID https://orcid.org/0000-0003-4972-7262. Study of bone density, formation of experimental cohorts, and biochemical blood testing.

Татьяна Г. Покровская, Белгородский государственный национальный исследовательский университет

Tatiana G. Pokrovskaya, Doctor Habil. of Medical Sciences, Professor, Department of Pharmacology and Clinical Pharmacology, e-mail: pokrovskaia-tg@mail.ru; ORCID ID https://orcid.org/0000-0001-6802-5368. Writing an article, developing a research design, and processing the results obtained.

Людмила М. Даниленко, Белгородский государственный национальный исследовательский университет

Lyudmila M. Danilenko, PhD in Pharmaceutical Sciences, Associate Professor of the Department of Pharmacology, Belgorod State National Research University, Belgorod, Russia; e-mail: Danilenko_L@mail.ru; ORCID ID https://orcid.org/0000-0001-6101-8712. The author was engaged in collection, analysis and interpretation of the data for the paper.

Нина И. Жернакова, Белгородский государственный национальный исследовательский университет

Doctor of Medicine, Professor, Deputy Director of the Medical Institute for Research, Belgorod State National Research University, Russia, Belgorod; e-mail: zhernakova@bsu.edu.ru; ORCID ID https://orcid.org/0000-0001-7648-0774. The author made an analysis of the current issues of pharmacological correction of pulmonary hypertension and took part in the syste-matization and generalization of the material for the article.

Татьяна В. Автина, Белгородский государственный национальный исследовательский университет

Tatyana V. Avtina, PhD in Pharmaceutical Sciences, Associate Professor of the Department of Pharmacology and Clinical Pharmacology, Belgorod State National Research University, Belgorod, Russia; e-mail: tatyanavtina@yandex.ru; ORCID ID https://orcid.org/0000-0003-0509-5996. The author made a contribution to collection, analysis and interpretation of the data for the paper.

Сергей А. Прибылов, Белгородская областная клиническая больница Святого Иоасафа

Sergey A. Pribylov, Doct. Sci. (Medicine), Professor, deputy chief physician for medical affairs of Belgorod Regional Clinical Hospital Saint Joasaph, Belgorod, Russia; e-mail: s_a_pribylov@mai.ru; ORCID ID https://orcid.org/0000-0002-2913-493X. Processing the results obtained.

Алина В. Паршина, Белгородский государственный национальный исследовательский университет

6th-year student at the Medical Institute, Belgorod State National Research University, Belgorod, Russia; e-mail: alin.parshina@yandex.ru, ORCID ID https://orcid.org/0009-0001-6688-2312. Processing the results obtained. Study of bone density, formation of experimental cohorts, and biochemical blood testing.

Елена В. Кузубова, Белгородский государственный национальный исследовательский университет

Elеna V. Kuzubova, Junior Researcher at the Laboratory of Genetic Technologies and Gene Editing for Biomedicine and Veterinary Science, Belgorod State National Research University, Belgorod, Russia; e-mail: 1015artek1015@mail.ru; ORCID ID https://orcid.org/0000-0003-2425-5027. Histological examination, PCR, and animal genotyping.

Александра И. Радченко, Белгородский государственный национальный исследовательский университет

Alexandra I. Radchenko, Junior Researcher at the Laboratory of Genetic Technologies and Gene Editing for Biomedicine and Veterinary Science, Belgorod State National Research University, Belgorod, Russia; e-mail: sandrinkaradchenko@gmail.com; ORCID ID https://orcid.org/0000-0002-4554-2116. Histological examination, PCR, and animal genotyping.

Иван С. Коклин, Белгородский государственный национальный исследовательский университет

Ivan S. Koklin, Cand. Sci. (Medicine), Researcher at the Research Institute of Pharmacology of Living Systems, Belgorod State National Research University, Belgorod, Russia; e-mail: ikoklin@mail.ru; ORCID ID https://orcid.org/0000-0002-1560-4195. Formation of experimental cohorts and Biochemical blood testing.

Эдуард И. Таран, Белгородский государственный национальный исследовательский университет

Eduard I. Taran, Researcher at the Research Institute of Pharmacology of Living Systems, Belgorod State National Research University, Belgorod, Russia; e-mail: mdtaraneduard@gmail.com; ORCID ID https://orcid.org/0000-0001-7880-6686. Study of bone density and formation of experimental cohorts.