Resumen de la tesis que presenta Jessica Sharlin Landeros Juárez como requisito parcial para la obtención
del grado de Doctora en Ciencias en Ciencias de la Vida
Estudio y caracterización del efecto del fucoidan como modulador de la remodelación ósea in vitro y en dos modelos in vivo de pérdida ósea
Resumen aprobado por:
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Dra. Patricia Juárez Camacho
Directora de tesis
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Resumen en español
El hueso es un tejido dinámico en constante remodelación, cuyo desequilibrio puede derivar en enfermedades de pérdida ósea como la osteoporosis o la metástasis ósea asociada al cáncer. Si bien existen terapias que mejoran la integridad del hueso, su uso prolongado provoca efectos secundarios. En este trabajo se exploró el efecto de los fucoidanos aislados de tres especies de algas pardas -Macrocystis pyrifera, Sargassum muticum y Undaria pinnatifida- sobre el proceso de remodelado óseo, así como en la pérdida ósea inducida por la deficiencia de estrógenos y la generada en un modelo de metástasis osteolítica del cáncer de mama. La caracterización química de los fucoidanos confirmó un contenido variable de fucosa (10-31.5 %), de sulfatos (26.5-41.5 %) y de ácidos urónicos (hasta 44 %). En el análisis estructural por espectroscopía infrarroja con transformada de Fourier (FT-IR, por sus siglas en inglés) se encontraron similitudes entre los fucoidanos extraídos y sus análogos comerciales. En los ensayos biológicos con células de médula ósea o de preosteoblastos de ratón, los fucoidanos en altas concentraciones (a partir de 100 µg mL-1) aumentaron significativamente los depósitos de calcio posterior a 21 días de cultivo. Por el contrario, en los ensayos de osteoclastogénesis, los fucoidanos, con concentraciones menores (5 µg mL-1), inhibieron significativamente la formación de los osteoclastos. Los ensayos de expresión de genes mostraron una disminución en la relación Rankl/Opg, lo que sugiere un efecto osteoprotector. Los experimentos ex vivo en calvarias de ratón neonato confirmaron un aumento en las áreas de formación ósea dependiente de la concentración y una modulación en diferentes genes de la remodelación ósea como Sost, Runx2, Ctsk, Rankl, y Opg. El efecto de los fucoidanos se evaluó en dos modelos de pérdida ósea in vivo: por ovariectomía (OVX) y por metástasis ósea. En el primer modelo, la administración de 10 y 100 mg kg-1 del fucoidan de U. pinnatifida generó una pérdida ósea significativa dependiente de la dosis. Por otro lado, en el modelo de metástasis ósea, el tratamiento intraperitoneal diario de los fucoidanos (10 mg kg-1) redujo significativamente las lesiones osteolíticas, disminuyó la carga tumoral y preservó la microarquitectura ósea. En conjunto, estos hallazgos muestran que los fucoidanos pueden tener un efecto diferente en función de la concentración y de la dosis, y esta versatilidad demuestra que tienen potencial como agentes terapéuticos contra las enfermedades óseas.
El hueso es un tejido dinámico en constante remodelación, cuyo desequilibrio puede derivar en enfermedades de pérdida ósea como la osteoporosis o la metástasis ósea asociada al cáncer. Si bien existen terapias que mejoran la integridad del hueso, su uso prolongado provoca efectos secundarios. En este trabajo se exploró el efecto de los fucoidanos aislados de tres especies de algas pardas -Macrocystis pyrifera, Sargassum muticum y Undaria pinnatifida- sobre el proceso de remodelado óseo, así como en la pérdida ósea inducida por la deficiencia de estrógenos y la generada en un modelo de metástasis osteolítica del cáncer de mama. La caracterización química de los fucoidanos confirmó un contenido variable de fucosa (10-31.5 %), de sulfatos (26.5-41.5 %) y de ácidos urónicos (hasta 44 %). En el análisis estructural por espectroscopía infrarroja con transformada de Fourier (FT-IR, por sus siglas en inglés) se encontraron similitudes entre los fucoidanos extraídos y sus análogos comerciales. En los ensayos biológicos con células de médula ósea o de preosteoblastos de ratón, los fucoidanos en altas concentraciones (a partir de 100 µg mL-1) aumentaron significativamente los depósitos de calcio posterior a 21 días de cultivo. Por el contrario, en los ensayos de osteoclastogénesis, los fucoidanos, con concentraciones menores (5 µg mL-1), inhibieron significativamente la formación de los osteoclastos. Los ensayos de expresión de genes mostraron una disminución en la relación Rankl/Opg, lo que sugiere un efecto osteoprotector. Los experimentos ex vivo en calvarias de ratón neonato confirmaron un aumento en las áreas de formación ósea dependiente de la concentración y una modulación en diferentes genes de la remodelación ósea como Sost, Runx2, Ctsk, Rankl, y Opg. El efecto de los fucoidanos se evaluó en dos modelos de pérdida ósea in vivo: por ovariectomía (OVX) y por metástasis ósea. En el primer modelo, la administración de 10 y 100 mg kg-1 del fucoidan de U. pinnatifida generó una pérdida ósea significativa dependiente de la dosis. Por otro lado, en el modelo de metástasis ósea, el tratamiento intraperitoneal diario de los fucoidanos (10 mg kg-1) redujo significativamente las lesiones osteolíticas, disminuyó la carga tumoral y preservó la microarquitectura ósea. En conjunto, estos hallazgos muestran que los fucoidanos pueden tener un efecto diferente en función de la concentración y de la dosis, y esta versatilidad demuestra que tienen potencial como agentes terapéuticos contra las enfermedades óseas.
Palabras clave: Agente anabólico, formación ósea, Macrocystis pyrifera, polisacárido sulfatado, reabsorción ósea, Sargassum muticum, Undaria pinnatifida
Resumen en inglés
Bone is a dynamic tissue that undergoes constant remodeling, whose imbalance can lead to bone loss diseases, such as osteoporosis or cancer-associated bone metastasis. Although therapies exist to maintain bone integrity, their long-term use can cause side effects. In this work, we explored the effect of fucoidans isolated from three brown macroalgae species -Macrocystis pyrifera, Sargassum muticum, and Undaria pinnatifida- on bone remodeling, bone loss induced by estrogen deficiency, and bone loss caused by a breast cancer-induced osteolytic bone metastasis model. The chemical characterization of fucoidans confirmed a variable content of fucose (10-31.5 %), sulfates (26.5-41.5 %), and uronic acids (up to 44 %). Structural analysis by Fourier-transform infrared spectroscopy (FT-IR) found similarities between the extracted fucoidans and their commercial analogs. In biological assays using bone marrow cells (BMCs) or preosteoblasts from mice, fucoidans significantly increased calcium deposits at higher concentrations (from 100 µg mL-1) after 21 days in culture. In contrast, in osteoclastogenesis assays, fucoidans significantly inhibited osteoclast formation at lower concentrations (5 µg mL-1). Gene expression assays showed a decrease in the Rankl/Opg ratio, suggesting an osteoprotective effect. Ex vivo experiments in neonatal mouse calvaria confirmed a concentration-dependent increase in bone formation and modulation of various bone remodeling genes, including Sost, Runx2, Ctsk, Rankl, and Opg. The effect of fucoidans was evaluated in two in vivo models of bone loss: by ovariectomy (OVX) and by bone metastasis. In the first model, the administration of 10 and 100 mg kg-1 produced a significant dose-dependent bone loss. On the other hand, in the bone metastasis model, daily intraperitoneal treatment with fucoidan (10 mg kg-1) significantly reduced osteolytic lesions, tumor burden, and preserved bone microarchitecture. Altogether, these findings indicate that fucoidans can have varying effects depending on the dose and concentration, demonstrating their potential as therapeutic agents against bone diseases.
Bone is a dynamic tissue that undergoes constant remodeling, whose imbalance can lead to bone loss diseases, such as osteoporosis or cancer-associated bone metastasis. Although therapies exist to maintain bone integrity, their long-term use can cause side effects. In this work, we explored the effect of fucoidans isolated from three brown macroalgae species -Macrocystis pyrifera, Sargassum muticum, and Undaria pinnatifida- on bone remodeling, bone loss induced by estrogen deficiency, and bone loss caused by a breast cancer-induced osteolytic bone metastasis model. The chemical characterization of fucoidans confirmed a variable content of fucose (10-31.5 %), sulfates (26.5-41.5 %), and uronic acids (up to 44 %). Structural analysis by Fourier-transform infrared spectroscopy (FT-IR) found similarities between the extracted fucoidans and their commercial analogs. In biological assays using bone marrow cells (BMCs) or preosteoblasts from mice, fucoidans significantly increased calcium deposits at higher concentrations (from 100 µg mL-1) after 21 days in culture. In contrast, in osteoclastogenesis assays, fucoidans significantly inhibited osteoclast formation at lower concentrations (5 µg mL-1). Gene expression assays showed a decrease in the Rankl/Opg ratio, suggesting an osteoprotective effect. Ex vivo experiments in neonatal mouse calvaria confirmed a concentration-dependent increase in bone formation and modulation of various bone remodeling genes, including Sost, Runx2, Ctsk, Rankl, and Opg. The effect of fucoidans was evaluated in two in vivo models of bone loss: by ovariectomy (OVX) and by bone metastasis. In the first model, the administration of 10 and 100 mg kg-1 produced a significant dose-dependent bone loss. On the other hand, in the bone metastasis model, daily intraperitoneal treatment with fucoidan (10 mg kg-1) significantly reduced osteolytic lesions, tumor burden, and preserved bone microarchitecture. Altogether, these findings indicate that fucoidans can have varying effects depending on the dose and concentration, demonstrating their potential as therapeutic agents against bone diseases.
Palabras clave: Anabolic agent, bone formation, bone resorption, Macrocystis pyrifera, Sargassum muticum, sulfated polysaccharide, Undaria pinnatifida