The role of transcription factor Nrf2 in osteoarthritis

Abstract

Introduction: L'arthrose est caractérisée par une destruction progressive du cartilage, une inflammation synoviale, et un remodelage de l’os sous-chondral avec une production excessive des médiateurs inflammatoires et cataboliques. Nous avons démontré que le niveau du 4-hydroxynonénal (4-HNE), un produit de la peroxydation lipidique, est augmenté dans le cartilage humain arthrosique sans qu’on sache le mécanisme exacte impliqué dans l’augmentation de cette molécule. Des données de la littérature indiquent que l’accumulation du HNE est contrôlée par l’action de la glutathione S-transférase A4-4 (GSTA4-4), une enzyme impliquée dans la détoxification du HNE. Au niveau transcriptionel, l’expression de cette enzyme est régulée par la transactivation du facteur de transcription Nrf2. Objectif: L’objectif de cette étude vise à démontrer que l’augmentation du HNE dans le cartilage arthrosique est attribuée, en partie, à l’altération de l’expression de la GSTA4-4 et de Nrf2. Méthode: Le niveau d’expression de la GSTA4-4 et de Nrf2 a été mesurée par Western blot et par PCR en temps réel dans le cartilage humain arthrosique et dans le cartilage provenant des souris atteintes d’arthrose. Pour démontrer le rôle du Nrf2 dans l’arthrose, les chondrocytes humains arthrosiques ont été traités par l’interleukine 1beta (IL-1β) ou par le H2O2 en présence ou en absence des activateurs du Nrf2 tels que le Protandim®, AI, et du 6-Gingérol. Par ailleurs, les chondrocytes ont été transfectés par un vecteur d’expression de Nrf2 puis traités par l’IL-β. En utilisant le modèle d’arthrose chez la souris, les animaux ont été traités par voie orale de 10 mg/kg/jour de Protandim® pendant 8 semaines. Résultats: Nous avons observé une diminution significative de l’expression de la GSTA4-4 et de Nrf2 dans le cartilage humain et murin arthrosique. L'activation de Nrf2 bloque la stimulation de la métalloprotéinase-13 (MMP-13), la prostaglandine E2 (PGE2) et de l'oxyde nitrique (NO) par l’IL-1β. En outre, nous avons montré que l'activation Nrf2 protège les cellules contre la mort cellulaire induite par H2O2. Fait intéressant, l'administration orale de Protandim® réduit la production du HNE par l'intermédiaire de l’activation de la GSTA4. Nous avons démontré que le niveau d’expression de la GSTA4-4 et de Nrf2 diminue dans le cartilage provenant des patients et des souris atteints d’arthrose. De plus, la surexpression de ce facteur nucléaire Nrf2 empêche la production du HNE et la MMP-13 et l’inactivation de la GSTA4-4. Dans notre modèle expérimental d’arthrose induite par déstabilisation du ménisque médial chez la souris, nous avons trouvé que l'administration orale de Protandim® à 10 mg / kg / jour réduit les lésions du cartilage. Conclusion: Cette étude est de la première pour démontrer le rôle physiopathologique du Nrf2 in vitro et in vivo. Nos résultats démontrent que l’activation du Nrf2 est essentielle afin de maintenir l’expression de la GSTA4-4 et de réduire le niveau du HNE. Le fait que les activateurs du Nrf2 abolissent la production de la HNE et aussi un certain nombre de facteurs connus pour être impliqués dans la pathogenèse de l’arthrose les rend des agents cliniquement utiles pour la prévention de la maladie.

Background: Osteoarthritis (OA) is characterized by progressive cartilage destruction, synovial inflammation, and subchondral bone remodelling with increased inflammatory and catabolic responses. Elevated levels of oxidative stress lead to the accumulation of reactive oxygen species and subsequently the production of lipid-peroxidation products (LPO). The toxic aldehyde 4-hydroxynonenal (HNE) is a LPO product that was found, at pathological concentrations, strongly related to the release of different catabolic and inflammatory mediators in OA. Transcription factor nuclear factor erythroid 2-related factor 2 (Nrf2) acts as a key modulator for the expression of multiple cellular stress-response genes such as glutathione S-transferase A4-4 (GSTA4-4), an important HNE detoxifying enzyme. Protandim®, a commercial product composed of a mixture of natural antioxidant products is reported to activate and increase the levels of Nrf2 in different tissues. Objective: In this study we are evaluating the biological effects of Nrf2 activators such as, Protandim®, A-I, and 6-Gingerol. Results: The activation of Nrf2 can lead to indirect blockage of inflammatory and catabolic responses as well as oxidative stress. Using human OA chondrocytes, we demonstrated that Nrf2 activation by Protandim®, A-I, and 6-Gingerol abolished interleukin-1beta (IL-1β)-induced metalloproteinase-13 (MMP-13), prostaglandin E2 (PGE2), and nitric oxide (NO). Furthermore, we showed that Nrf2 activation protects cells against H2O2-induced cell death. Interestingly, the oral administration of Protandim® reduces HNE production via GSTA4-4 activation. We found that Nrf2 protein and mRNA levels decrease in OA cartilage from human and mice and match GSTA4-4 changes. Moreover, the overexpression of this nuclear factor abrogates IL-1β-induced GSTA4-4 inhibition as well as HNE and MMP-13 production. In our experimental mouse model of OA induced by surgical destabilization of the medial meniscus (DMM), we found that oral administration of Protandim® at 10 mg/kg/day reduces cartilage damage. Conclusion: This is the first in vitro and in vivo study to demonstrate the pathophysiological role of HNE in OA. In addition, this study indicates that Nrf2 activators abolish HNE production and number of factors known to be involved in OA pathogenesis. These findings render such activators clinically-valuable agents in the prevention of OA.