Resumen de la tesis que presenta Brenda Ivette Iduarte Frias como requisito parcial para la obtención
del grado de Doctora en Ciencias en Ciencias de la Vida con orientación en Biotecnología Marina
Estudio del efecto de conotoxinas en la remodelación ósea
Resumen aprobado por:
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Dra. Patricia Juárez Camacho
Directora de tesis
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Resumen en español
El sistema óseo es un tejido dinámico que a lo largo de nuestra vida sufre ciclos de destrucción y formación, denominados en conjunto como remodelación ósea. Las células óseas son las responsables de llevar a cabo este proceso: los osteoclastos son las células que resorben el tejido óseo, mientras que los osteoblastos son las células encargadas de producir los componentes de la matriz ósea y mineralizarla. La remodelación ósea es un proceso continuo y en equilibrio entre la resorción del hueso viejo y la formación de hueso nuevo que permite al esqueleto mantener su integridad estructural y contribuir al equilibrio de calcio y fósforo en el cuerpo. Cuando existe un desbalance en este proceso el esqueleto es susceptible al desarrollo de diversas enfermedades. Las estrategias terapéuticas para el tratamiento de enfermedades óseas son limitadas por lo que existe la necesidad del desarrollo de nuevos fármacos. En este trabajo se estudió el efecto de fracciones derivadas del veneno de C. ximenes y de conotoxinas sintéticas (Xm1b, Vc1.1, ImIb, Cal142b), con afinidad por receptores nicotínicos de acetilcolina (nAChR), con el fin de identificar nuevos moduladores de la actividad de las células óseas. De las 13 fracciones obtenidas del veneno total, se identificaron componentes moduladores de osteoblastogénesis: algunos de ellos promovieron la mineralización en osteoblastos, y otros disminuyeron la actividad de los osteoblastos. Interesantemente, todas las fracciones evaluadas promovieron la osteoclastogénesis. Por otro lado, las cuatro conotoxinas sintéticas evaluadas, promovieron la osteoclastogénesis en presencia de RANKL, incrementando la actividad resortiva de los osteoclastos. En osteoblastos, las conotoxinas disminuyeron la capacidad de mineralización, acompañada de una regulación negativa de los genes osteoblásticos como Runx2, Alpl, Col1a1 y Blgap. En tejido enriquecido en osteocitos, se observó un aumento en la expresión de Dmp1, Mepe, Tnfsf11 y Sost. El análisis transcriptómico reveló que Xm1b y Vc1.1 modulan vías clave relacionadas con la mineralización y osteogénesis, incluyendo la regulación de miembros de la familia Wnt y BMP. Finalmente, la evaluación ex vivo de calvarias de ratón tratadas con las conotoxinas XmIb y Vc1.1 mostró un incremento el número de osteoclastos, y una reducción significativa del área ósea total. El análisis de expresión de genes reveló un incremento de Tnfsf11, Ctsk, Sost y disminución de Runx2 y Tnfrsf11b. Estos resultados sugieren que las conotoxinas inducen un microambiente óseo que favorece la diferenciación y actividad de los osteoclastos. En conjunto, este trabajo demuestra que tanto los componentes de las fracciones del veneno de C. ximenes como las conotoxinas sintéticas evaluadas tienen el potencial de modular la actividad de las células óseas, lo que los convierte en moléculas con alto potencial para la modular la remodelación ósea y el desarrollo de posibles agentes terapéuticos en patologías óseas.
El sistema óseo es un tejido dinámico que a lo largo de nuestra vida sufre ciclos de destrucción y formación, denominados en conjunto como remodelación ósea. Las células óseas son las responsables de llevar a cabo este proceso: los osteoclastos son las células que resorben el tejido óseo, mientras que los osteoblastos son las células encargadas de producir los componentes de la matriz ósea y mineralizarla. La remodelación ósea es un proceso continuo y en equilibrio entre la resorción del hueso viejo y la formación de hueso nuevo que permite al esqueleto mantener su integridad estructural y contribuir al equilibrio de calcio y fósforo en el cuerpo. Cuando existe un desbalance en este proceso el esqueleto es susceptible al desarrollo de diversas enfermedades. Las estrategias terapéuticas para el tratamiento de enfermedades óseas son limitadas por lo que existe la necesidad del desarrollo de nuevos fármacos. En este trabajo se estudió el efecto de fracciones derivadas del veneno de C. ximenes y de conotoxinas sintéticas (Xm1b, Vc1.1, ImIb, Cal142b), con afinidad por receptores nicotínicos de acetilcolina (nAChR), con el fin de identificar nuevos moduladores de la actividad de las células óseas. De las 13 fracciones obtenidas del veneno total, se identificaron componentes moduladores de osteoblastogénesis: algunos de ellos promovieron la mineralización en osteoblastos, y otros disminuyeron la actividad de los osteoblastos. Interesantemente, todas las fracciones evaluadas promovieron la osteoclastogénesis. Por otro lado, las cuatro conotoxinas sintéticas evaluadas, promovieron la osteoclastogénesis en presencia de RANKL, incrementando la actividad resortiva de los osteoclastos. En osteoblastos, las conotoxinas disminuyeron la capacidad de mineralización, acompañada de una regulación negativa de los genes osteoblásticos como Runx2, Alpl, Col1a1 y Blgap. En tejido enriquecido en osteocitos, se observó un aumento en la expresión de Dmp1, Mepe, Tnfsf11 y Sost. El análisis transcriptómico reveló que Xm1b y Vc1.1 modulan vías clave relacionadas con la mineralización y osteogénesis, incluyendo la regulación de miembros de la familia Wnt y BMP. Finalmente, la evaluación ex vivo de calvarias de ratón tratadas con las conotoxinas XmIb y Vc1.1 mostró un incremento el número de osteoclastos, y una reducción significativa del área ósea total. El análisis de expresión de genes reveló un incremento de Tnfsf11, Ctsk, Sost y disminución de Runx2 y Tnfrsf11b. Estos resultados sugieren que las conotoxinas inducen un microambiente óseo que favorece la diferenciación y actividad de los osteoclastos. En conjunto, este trabajo demuestra que tanto los componentes de las fracciones del veneno de C. ximenes como las conotoxinas sintéticas evaluadas tienen el potencial de modular la actividad de las células óseas, lo que los convierte en moléculas con alto potencial para la modular la remodelación ósea y el desarrollo de posibles agentes terapéuticos en patologías óseas.
Palabras clave: remodelación ósea, osteoblastos, osteoclastos, Conus, conotoxinas, nAChR
Resumen en inglés
The skeletal system is a dynamic tissue that undergoes continuous cycles of destruction and formation throughout our lives. This process is collectively referred to as bone remodeling. Bone cells are responsible for carrying out this process: osteoclasts resorb bone tissue, while osteoblasts are the cells responsible for producing the components of the bone matrix and mineralizing it. However, like other organs, the skeleton is susceptible to the development of various diseases, for which the development of new drugs is necessary. In this study, we explored the effect of fractions derived from the venom of C. ximenes and synthetic conotoxins (Xm1b, Vc1.1, ImIb, Cal142b), which have affinity for nicotinic acetylcholine receptors (nAChRs), in order to identify new tools with the potential to modulate bone cell activity. Of the 13 fractions obtained from the total venom, we identified that some promoted osteoblast mineralization, while others decreased osteoblast activity. All the tested fractions in osteoclastogenesis promoted osteoclast differentiation. The four synthetic conotoxins evaluated promoted osteoclastogenesis in the presence of RANKL, increasing the resorptive activity of osteoclasts. In osteoblasts, conotoxins reduced mineralization capacity, accompanied by a downregulation of osteoblastic genes such as Runx2, Alpl, Col1a1 and Blgap. In osteocyte-enriched tissue, after treatment with conotoxins an increase in the expression of Dmp1, Mepe, Tnfsf11 and Sost was observed. Transcriptomic analysis revealed that Xm1b and Vc1.1 modulate key pathways related to mineralization and osteogenesis, including the regulation of Wnt and BMP family members. Finally, ex vivo evaluation of mouse calvaries treated with the conotoxins XmIb and Vc1.1 showed an increase in the number of osteoclasts and a significant reduction in total bone area. Gene expression analysis in calvaria tissue revealed an up-regulation of Tnfsf11, Ctsk, and Sost, alongside a down-regulation of Runx2 and Tnfrsf11b genes, showing that conotoxins induce a bone microenvironment that favors osteoclast differentiation and activity. This study demonstrates that both compounds derived from C. ximenes venom and synthetic conotoxins have the potential to modulate bone cell activity, supporting their use as experimental tools in bone biology and highlighting their potential as therapeutic agents in bone pathologies characterized by excessive bone formation or impaired bone remodeling.
The skeletal system is a dynamic tissue that undergoes continuous cycles of destruction and formation throughout our lives. This process is collectively referred to as bone remodeling. Bone cells are responsible for carrying out this process: osteoclasts resorb bone tissue, while osteoblasts are the cells responsible for producing the components of the bone matrix and mineralizing it. However, like other organs, the skeleton is susceptible to the development of various diseases, for which the development of new drugs is necessary. In this study, we explored the effect of fractions derived from the venom of C. ximenes and synthetic conotoxins (Xm1b, Vc1.1, ImIb, Cal142b), which have affinity for nicotinic acetylcholine receptors (nAChRs), in order to identify new tools with the potential to modulate bone cell activity. Of the 13 fractions obtained from the total venom, we identified that some promoted osteoblast mineralization, while others decreased osteoblast activity. All the tested fractions in osteoclastogenesis promoted osteoclast differentiation. The four synthetic conotoxins evaluated promoted osteoclastogenesis in the presence of RANKL, increasing the resorptive activity of osteoclasts. In osteoblasts, conotoxins reduced mineralization capacity, accompanied by a downregulation of osteoblastic genes such as Runx2, Alpl, Col1a1 and Blgap. In osteocyte-enriched tissue, after treatment with conotoxins an increase in the expression of Dmp1, Mepe, Tnfsf11 and Sost was observed. Transcriptomic analysis revealed that Xm1b and Vc1.1 modulate key pathways related to mineralization and osteogenesis, including the regulation of Wnt and BMP family members. Finally, ex vivo evaluation of mouse calvaries treated with the conotoxins XmIb and Vc1.1 showed an increase in the number of osteoclasts and a significant reduction in total bone area. Gene expression analysis in calvaria tissue revealed an up-regulation of Tnfsf11, Ctsk, and Sost, alongside a down-regulation of Runx2 and Tnfrsf11b genes, showing that conotoxins induce a bone microenvironment that favors osteoclast differentiation and activity. This study demonstrates that both compounds derived from C. ximenes venom and synthetic conotoxins have the potential to modulate bone cell activity, supporting their use as experimental tools in bone biology and highlighting their potential as therapeutic agents in bone pathologies characterized by excessive bone formation or impaired bone remodeling.
Palabras clave: bone remodeling, osteoclast, osteoblast, Conus, conotoxins, nAChR