Impaired osteoblasts homeostasis and matrix quality in Osteogenesis Imperfecta are rescued by 4-phenylbutyrate

Extracellular matrix (ECM) is impaired inthe dominant forms of Osteogcncsis Imperfecta (OI) characterized by mutations in type I collagen genes. These mutations cause in patients fibroblasts a delay in collagen folding, its partial retention in the endoplasmic reticulum and the synthesis of abnormal collagen molecules, which perturb cell homeostasis and impair the quality of the matrix. Here, we extend our Investigation to osteoblasts, the bone forming cells, and to bone matrix. To this aim we used primary osteoblasts from two murine models of moderately severe OI, Brtl and Amish. We deeply studied the effect on cell homeostasis of mutant collagen synthesis and the consequence of the administration of the chemical chaperone 4-phcnylbutyrate (4-PBA) on collagen’s secrctory path, matrix production and mineralization. 4-PBA not only reduced stress genes and proteins expression, but prevented harmful collagen production and secretion and increased general protein secretion, thus reducing protein aggregates within the mutant cells. The drug restored OI osteoblasts homeostasis, relieving cellular stress and normalizing cell morphology. In addition, it proved to have a bcncficial effect on ECM, in particular on collagen I fibers maturation and on osteoblasts mineralization by increasing early mineralization genes expression and stimulating alkaline phosphatase activity. Targeting osteoblasts stress, an amelioration of extracellular matrix was achieved, making 4-PBA an appealing drug to complement current therapy for OI management.

La matrice extracellulare (ECM) e alterata nelle forme dominanti di Osteogenesi Imperfetta (OI), caratterizzate da mutazioni nei geni che codificano il collagene di tipo I. Tali mutazioni provocano nei fibroblasti di pazienti un ritardo nel ripiegamento del collagene, la sua parziale ritenzione nel reticolo endoplasmatlCO (ER) e la sintesi di molecole di collagene anormali. Ciò porta alla perturbazione dell’omeostasi cellulare e compromette la qualità della matrice ossea. In questo progetto abbiamo esteso la nostra ricerca agli osteoblasti, ossia le cellule che producono osso, e alla matrice ossea. A tale scopo abbiamo utilizzato osteoblasti primari da due modelli murini di OI moderatamente severa, Brtl e Amish. Abbiamo studiato in dettaglio l’effetto della sintesi di collagene mutato sull’omeostasi cellulare e le conseguenze della somministrazione dello chaperone chimico 4-fenilbutirrato (4-PBA) sul pathway secretorio del collagene, sulla produzione di matrice e sulla mineralizzazione. Il 4-PBA non solo ha ridotto l’espressione di geni e proteine coinvolti nella risposta allo stress, ma ha anche ostacolato la produzione e la secrezione di collagene dannoso e stimolato la secrezione proteica, riducendo così gli aggregati proteici all’interno delle cellule mutate. Il farmaco ha dunque ristabilito l’omeostasi negli OBs e normalizzato la morfologia cellulare. Ha inoltre dimostrato di avere un effetto positivo su11’ECM, in particolare sulla maturazione di fibre di collagene, e ha promosso la mineralizzazione aumentando l’espressione dei geni coinvolti negli stadi precoci di mineralizzazione e stimolando l’attività della fosfatasi alcalina. Agendo sullo stress negli osteoblasti abbiamo ottenuto un miglioramento nella matrice, il che rende il 4-PBA un farmaco promettente per complementare la terapia attualmente in uso per la cura dell’OI.