Cellular and molecular analysis of fracture healing in a neurofibromatosis type 1 conditional knockout mice model
Creators: name: El-Khassawna, Thaqif
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I
Year: 2013
Subjects: subject: Neurofibromatose typ 1
subject: Bone healing
subject: konditionale knockout mice
subject: MEK-Inhibitoren
subject: Neurofibromatosis type 1
subject: conditional knockout mouse
subject: MEK-inhibitor
subject: 570 Biowissenschaften, Biologie
subject: 32 Biologie
subject: XH 8604

description: NF1 ist eine autosomal dominante Erbkrankheit, die durch inaktivierende Mutationen im Neurofibromin-Gen verursacht wird. NF1 manifestiert sich durch eine erhöhte Tumor-Inzidenz des neuralen Gewebes in der Haut (Neurofibroma). Neben diesen häufigeren klinischen Manifestationen haben rund 50% der NF1-Patienten Skelett-Anomalien. Häufiger sind Röhrenknochen betroffen, die klinischen Symptome reichen von Tibia-Krümmung über Spontanfrakturen bis hin zu Nonunions. Diese Studie analysiert den Heilungsverlauf von Femurfrakturen in Nf1Prx1- Mäusen. Der Frakturkallus von Mäusen wurde an den Tagen 7, 10, 14 und 21 durch µCT, Histologie und molekulare Analysen evaluiert. µCT und histologische Analysen haben eine beeinträchtigte Knochenheilung in Nf1Prx1-Mäusen gezeigt. Eine erhöhte periostale Knochenbildung in den frühen Stadien der Heilung war zu beobachten, sowie eine reduzierte, aber anhaltende Knorpelbildung und Bindegewebs-Akkumulation innerhalb der Fraktur. Wir konnten zeigen, dass der normalen Heilungsprozess durch dieses Bindegewebe behindert wird, welches durch alpha smooth muscle actin-positive Myofibroblasten gebildet wird, die ihrerseits aus einer bisher noch nicht identifizierten Muskelfaszie abgeleitet sind. Dieser Zusammenhang wird durch eine Microarray-Analyse der Kallus-Gewebe bestätigt, die ergab, dass durch den Knock-Out Gene reguliert wurden, die in Physiologie, Proliferation und Differenzierung von Muskelzellen involviert sind. Darüber hinaus waren extrazelluläre-Matrix-Gene in den Mutanten hoch regeuliert. Zusammenfassend konnten wir zeigen, dass eine Ähnlichkeit des Heilungsverlauf zwischen dem Nf1Prx1-Mausmodell und NF1-Patienten besteht. Folglich kann an diesem Mausmodell untersucht werden, durch welche Mechanismen die Mutationen im NF1 zu Knochenheilungsstörungen führen. Außerdem konnte in einer Pilotstudie der Effekt des Neurofibromin-Mangels auf die Knochenheilung durch Behandlung mit MEK-Inhibitoren in vitro und in vivo weitestgehend behoben werden
description: Neurofibromatosis type 1 (NF1) is an autosomal dominant genetic disease resulting from inactivating mutations in the gene encoding the protein neurofibromin. NF1 patients – around 50% – have abnormalities of the skeleton. Long bones are often affected, and the clinical signs range from tibial bowing to spontaneous fractures and even non-unions. Moreover, NF1 mice models could provide the understanding of the cell types involved in the resulting non-union and their behavior. This study analyzed the healing progress of femur fractures in a model of NF1 long bone dysplasia. Fracture callus was assessed at days 7, 10, 14, and 21 by µCT, histology, biomechanics, and molecular analyses. Bone healing was impaired in Nf1Prx1 mice femoral fracture. Results revealed increased periosteal bone deposition at the early stages of healing, decreased but persistent cartilage formation concomitant with fibrous tissue accumulation within the fracture site, decreased torsional stiffness, decreased bone mineral density, and increased fibrous tissue infiltration in the callus of mutant mice. This fibrous tissue accumulation hindered bone fracture healing, and was deposited by alpha smooth muscle actin-positive myofibroblasts, which were derived from a yet unidentified muscle fascia. This is further supported by the microarray analysis of callus tissues showing that genes crucial to muscle cells physiology, proliferation and differentiation were affected. In addition, extracellular matrix related genes were up-regulated in the mutants. In summary, this study shows a resemblance in the healing progression to the Nf1Prx1 mice model and NF1 patients, thereby, confirming the suitability of this mice model to explore the mechanism by which mutations in NF1 lead to non-unions. Moreover, in vitro and in vivo pilot assessments of MEK inhibitor treatment demonstrated a potential remedy for the lack of neurofibromin in bone healing.