Intercellular communication between macrophages, myoblasts and fibroblasts in the context of rheumatoid arthritis-associated skeletal muscle wasting
Date
2022-04
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: Approximately 1% of the global population is afflicted with rheumatoid arthritis (RA),
of which over a third experience rheumatoid cachexia, a RA-specific form of skeletal
muscle wasting. Current patient research is focused on structural and functional
outcomes of rheumatoid cachexia, with limited research focusing on the mechanisms
causing this disease and their potential modulation. One of the most vital
components to address are the complex cellular interactions occurring within the
muscle, and how these interactions are affected by the chronic inflammatory
autoimmune disease that is RA.
To elucidate these mechanisms further, multiple models were used in this
dissertation. Firstly, a rodent collagen-induced arthritis (CIA) model was used to
represent RA. The aims of the first two rodent studies were as follows: (1) to
determine the extent of ultrastructural change occurring in multiple muscle types as a
result of the inflammatory condition; and (2) to assess different cell types, cytokines
and growth factors and their relationships to muscle fibre size and number.
Secondly, a novel triple cell (myoblast, fibroblast, macrophage) co-culture model was
developed from primary human cell isolates, to mimic rheumatoid cachexia with the
use of serum derived from RA and healthy participants. This study aimed to
elucidate cellular responses to patient serum, as well as determine the efficacy of
bone morphogenetic protein-7 (BMP-7) as a treatment strategy.
The CIA model was a physiologically relevant and accurate model with which to
investigate rheumatoid cachexia; several muscle types exhibited reductions in mass
and cross-sectional area, in line with clinical reports. Furthermore, increases in
fibrosis was reported in all muscle groups, independent of fibre type category.
Furthermore, this model allowed for better understanding into the mechanisms of
rheumatoid cachexia, with the persistent inflammation in the skeletal muscle
contributing to heightened activation – but dysregulation – of muscle regenerative
responses, resulting in inability to maintain the fibre size.
Using this cellular profile of arthritis, the triple co-culture model was designed to
allow for a human simulation of cellular signalling of co-cultured human primary cells
in response to exposure to serum collected from non-RA controls and RA patients.
iii
Firstly, confirming accurate representation of disease signalling in control and patient
serum, RA patient plasma indeed indicated dysregulated IL-6/IL-10 concentrations
and a relatively pro-inflammatory state when compared to controls. Assessment of
myoblast-, fibroblast- and macrophage-related parameters in the triple co-culture
model demonstrated both dysregulated muscle and extracellular matrix formation in
response to the treatment non-responding serum. These disease-associated
outcomes were corrected/limited in the presence of BMP-7, suggesting a potential
beneficial role for BMP-7 in management of rheumatoid cachexia.
In conclusion, this dissertation significantly contributes to our understanding of
rheumatoid cachexia by consistently illustrating, across in vitro and in vivo, rodent
and human models, the dysregulation occurring in skeletal muscle as a result of the
persistent inflammation that may contribute to the structural and functional outcomes
reported in rheumatoid cachexia, as well as how this dysregulation may potentially
be addressed via modulation by BMP-7.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Ongeveer 1% van die wêreldbevolking word geaffekteer deur rumatoïede artritis (RA). Meer as ‘n derde van hierdie groep lei ook aan rumatoïede kakeksie, ‘n RA- spesifieke vorm van skeletspierverlies. Huidige navorsing is gefokus op strukturele en funksionele uitkomste van rumatoïede kakeksie, met beperkte navorsing wat fokus op die meganismes wat hierdie toestand veroorsaak, of moontlike teenvoeters daarvan. Een van die belangrikste aspekte wat aangespreek behoort te word, is die komplekse sellulêre kommunikasie binne-in die spier en hoe hierdie interaksies beïnvloed word deur die kroniese inflammatoriese outo-immuunsiekte wat RA is. Om hierdie meganismes verder toe te lig, is verskeie modelle in hierdie tesis gebruik. Eerstens is ‘n knaagdier model van kollageen-geïndusserde artritis (CIA) gebruik om RA te verteenwoordig. Die mikpunte van die eerste twee knaagdierstudies was as volg: (1) om die omvang van artritis-geassosieerde ultrastrukturele skade in verskillende spiere te bepaal; en (2) om die verskillende seltipes, sitokiene en groeifaktore, asook hul verhoudings tot spierveselgrootte en –getal te kwantifiseer. Tweedens is ‘n nuwe drievoudige (mioblast, fibroblast en makrofaag) selkultuur uit primêre sel-isolate van menslike bloed ontwikkel, waarmee rumatoïede kakeksie nageboots kon word deur gebruik te maak van serum afkomstig van gesonde en RA skenkers. Hierdie studie het gemik om die sellulêre reaksie op RA serum toe te lig, as ook om die effek van been morfogenetiese proteïen-7 (BMP-7) as moontlike behandeling te evalueer. Die CIA model was ‘n fisiologies relevante en akkurate model vir ondersoeke na rumatoïede kakeksie; verskeie spiergroepe het dalings in massa en deursnit-area getoon, in lyn met kliniese verslae. Verder is verhoogde omvang van fibrose in alle spiere gemeet, wat onafhanklik van spierveseltipe kategorie was. Hierdie model het tot ‘n verbeterde begrip van die meganismes van rumatoïede kakeksie bygedra, en het getoon dat die voortdurende inflammasie in die skeletspier bygedra het tot ‘n verhoogde aktivering – maar ongekoördineerdheid – van spiervernuwings prosesse, wat tot ‘n onvermoë om spierveselgrootte te onderhou, gelei het. Deur gebruik te maak van hierdie selvlakprofiel van RA, is die drievoudige kultuur ontwerp om ‘n simulasie van menslike sellulêre seine in gekweekte normale menslike selle in reaksie op blootstelling aan serum van normale of RA skenkers, toe te laat. Eerstens is die akkurate verteenwoordiging van siekte seinoordrag in RA bevestig, met RA serum wat inderdaad ‘n wanregulering van IL-6/IL-10 konsentrasies en ‘n relatief pro-inflammatoriese toestand in vergelyking met gesonde serum getoon het. Assessering van mioblast-, fibroblast- en makrofaag-verwante parameters in die drievoudige kultuur het wanregulering van beide spier- en ekstrasellulêre matriksvorming getoon na blootstelling aan serum van RA pasiënte wat nie op behandeling reageer nie. Hierdie siekte-geassosieerde uitkomste is verder ook gekorrigeer/beperk in die teenwoordigheid van BMP-7, wat op ‘n potensieel voordelige rol van BMP-7 in die bestuur van rumatoïede kakeksie dui. Ten slotte, hierdie tesis maak ‘n beduidende bydrae tot ons begrip van rumatoïede kakeksie deur herhaaldelik, in in vitro en in vivo modelle, in mense en in knaagdiere, die wanregulering in skeletspier aan te dui, wat volg op die onopgeloste inflammasie in RA en wat bydra tot die strukturele en funksionele uitkomste van skeletspier in RA. Verder dui tesisdata daarop dat hierdie wanregulering potensieel aangespreek kan word deur behandeling met BMP-7.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Ongeveer 1% van die wêreldbevolking word geaffekteer deur rumatoïede artritis (RA). Meer as ‘n derde van hierdie groep lei ook aan rumatoïede kakeksie, ‘n RA- spesifieke vorm van skeletspierverlies. Huidige navorsing is gefokus op strukturele en funksionele uitkomste van rumatoïede kakeksie, met beperkte navorsing wat fokus op die meganismes wat hierdie toestand veroorsaak, of moontlike teenvoeters daarvan. Een van die belangrikste aspekte wat aangespreek behoort te word, is die komplekse sellulêre kommunikasie binne-in die spier en hoe hierdie interaksies beïnvloed word deur die kroniese inflammatoriese outo-immuunsiekte wat RA is. Om hierdie meganismes verder toe te lig, is verskeie modelle in hierdie tesis gebruik. Eerstens is ‘n knaagdier model van kollageen-geïndusserde artritis (CIA) gebruik om RA te verteenwoordig. Die mikpunte van die eerste twee knaagdierstudies was as volg: (1) om die omvang van artritis-geassosieerde ultrastrukturele skade in verskillende spiere te bepaal; en (2) om die verskillende seltipes, sitokiene en groeifaktore, asook hul verhoudings tot spierveselgrootte en –getal te kwantifiseer. Tweedens is ‘n nuwe drievoudige (mioblast, fibroblast en makrofaag) selkultuur uit primêre sel-isolate van menslike bloed ontwikkel, waarmee rumatoïede kakeksie nageboots kon word deur gebruik te maak van serum afkomstig van gesonde en RA skenkers. Hierdie studie het gemik om die sellulêre reaksie op RA serum toe te lig, as ook om die effek van been morfogenetiese proteïen-7 (BMP-7) as moontlike behandeling te evalueer. Die CIA model was ‘n fisiologies relevante en akkurate model vir ondersoeke na rumatoïede kakeksie; verskeie spiergroepe het dalings in massa en deursnit-area getoon, in lyn met kliniese verslae. Verder is verhoogde omvang van fibrose in alle spiere gemeet, wat onafhanklik van spierveseltipe kategorie was. Hierdie model het tot ‘n verbeterde begrip van die meganismes van rumatoïede kakeksie bygedra, en het getoon dat die voortdurende inflammasie in die skeletspier bygedra het tot ‘n verhoogde aktivering – maar ongekoördineerdheid – van spiervernuwings prosesse, wat tot ‘n onvermoë om spierveselgrootte te onderhou, gelei het. Deur gebruik te maak van hierdie selvlakprofiel van RA, is die drievoudige kultuur ontwerp om ‘n simulasie van menslike sellulêre seine in gekweekte normale menslike selle in reaksie op blootstelling aan serum van normale of RA skenkers, toe te laat. Eerstens is die akkurate verteenwoordiging van siekte seinoordrag in RA bevestig, met RA serum wat inderdaad ‘n wanregulering van IL-6/IL-10 konsentrasies en ‘n relatief pro-inflammatoriese toestand in vergelyking met gesonde serum getoon het. Assessering van mioblast-, fibroblast- en makrofaag-verwante parameters in die drievoudige kultuur het wanregulering van beide spier- en ekstrasellulêre matriksvorming getoon na blootstelling aan serum van RA pasiënte wat nie op behandeling reageer nie. Hierdie siekte-geassosieerde uitkomste is verder ook gekorrigeer/beperk in die teenwoordigheid van BMP-7, wat op ‘n potensieel voordelige rol van BMP-7 in die bestuur van rumatoïede kakeksie dui. Ten slotte, hierdie tesis maak ‘n beduidende bydrae tot ons begrip van rumatoïede kakeksie deur herhaaldelik, in in vitro en in vivo modelle, in mense en in knaagdiere, die wanregulering in skeletspier aan te dui, wat volg op die onopgeloste inflammasie in RA en wat bydra tot die strukturele en funksionele uitkomste van skeletspier in RA. Verder dui tesisdata daarop dat hierdie wanregulering potensieel aangespreek kan word deur behandeling met BMP-7.
Description
Thesis (PhD)--Stellenbosch University, 2022.
Keywords
Rheumatoid arthritis -- Diseases -- Treatment, Skeletal muscle wasting, Bone morphogenetic proteins-7, Cell interaction, Inflammation -- Mediators, UCTD