title: L-arginine Supplementation Ameliorates Chronic Bone Loss in Rheumatoid Arthritis
title: L-Arginin-Supplementierung bessert chronischen Knochenverlust bei rheumatoider Arthritis
Creators: name: Cao, Shan
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2024
Subjects: subject: DDC Classification::6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften :: 61 Medizin und Gesundheit :: 610 Medizin und Gesundheit

description: Bone erosion is a clinical feature of rheumatoid arthritis related to disease severity and poor functional prognosis. Excessive osteoclast differentiation and insufficient osteoblast function are the main reasons for the erosive process in RA. Our previous investigation indicated that L-arginine supplementation not only diminished arthritic inflammation in the serum-induced arthritis (K/BxN) model but also decreased osteoclast numbers in inflammatory joints. In the present study, we aim to investigate the metabolic action of L-arginine supplementation in experimental arthritis models, especially on periarticular bone erosion and systemic bone loss. We plan to depict the metabolic features of TNFα induced inflammatory osteoclasts upon in vitro L-arginine supplementation. Two experimental arthritis models (K/BxN serum-induced arthritis model and collagen-induced arthritis model) were analyzed in this study. L-arginine was supplemented within the drinking water after establishment of the models. Bone parameters of axial skeleton (spine) and peripheral skeleton (tibia) from different treatment groups were quantified by μCT. H&amp;E and TRAP staining were performed to address the erosion area and osteoclast numbers in periarticular sites. In vitro osteoclast differentiation was conducted with or without L-arginine treatment, in the presence or not of TNFα stimulation. Seahorse and SCENITH analyses were adopted to delineate the metabolic features. JC-1 staining and transmission electron microscopy (TEM) were utilized to depict the mitochondrial metabolism. RNA-seq and mass spectrometry were performed to unveil the underlying molecular mechanism. Inflammation was diminished in both arthritis models after L-arginine supplementation with a significant reduction in arthritic score. Moreover, an amelioration of periarticular bone erosion, systemic bone loss, and decreased osteoclast numbers in periarticular sites were observed in arthritic mice upon L-arginine treatment. L-arginine also inhibited osteoclastogenesis in vitro, particularly after TNFα stimulation. RNA-seq results suggested the boost of oxidative phosphorylations (OXPHOS) after L-arginine treatment upon TNFα stimulation. Seahorse and SCENITH analyses showed that TNFα promoted glycolysis while blocked OXPHOS in pre-osteoclasts. However, L-arginine supplementation restored OXPHOS in inflammatory condition. Meanwhile, JC-1 staining also revealed that TNFα decreased mitochondria membrane potential, while L-arginine regained the membrane potential. What’s more, MS results indicated that purine metabolism was exclusively enriched in the inflammatory osteoclasts upon L-arginine supplementation, with a higher production of inosine and hypoxanthine. Further experiments demonstrated the inhibitory role of inosine and hypoxanthine on osteoclastogenesis. Adenosine deaminase inhibitor to block the production of inosine and hypoxanthine abrogated the inhibitory function of L-arginine both in vitro and in vivo. These data strongly demonstrated that L-arginine ameliorates bone erosion in RA through metabolic reprogramming and perturbation of purine metabolism in osteoclasts. L-arginine might therefore benefit RA therapy by reducing joint inflammation and also ameliorating bone destruction.
description: Knochenerosion ist ein klinisches Merkmal der rheumatoiden Arthritis, das mit der Schwere der Erkrankung und einer schlechten funktionellen Prognose zusammenhängt. Eine übermäßige Osteoklastendifferenzierung und eine unzureichende Osteoblastenfunktion sind die Hauptgründe für den erosiven Prozess bei RA. Unsere frühere Untersuchung zeigte, dass eine L-Arginin-Supplementierung nicht nur die arthritische Entzündung im Serum-induzierten Arthritis-Modell (K/BxN) verringerte, sondern auch die Anzahl der Osteoklasten in den entzündeten Gelenken. In der vorliegenden Studie wollen wir die metabolische Wirkung der L-Arginin-Supplementierung in experimentellen Arthritis-Modellen untersuchen, insbesondere auf die periartikuläre Knochenerosion und den systemischen Knochenverlust. Wir planen, die metabolischen Merkmale von TNFα-induzierten entzündlichen Osteoklasten nach einer L-Arginin-Supplementierung in vitro darzustellen. In dieser Studie wurden zwei experimentelle Arthritis-Modelle (K/BxN-Serum-induziertes Arthritis-Modell und Kollagen-induziertes Arthritis-Modell) analysiert. Nach der Etablierung der Modelle wurde L-Arginin über das Trinkwasser zugeführt. Die Knochenparameter des Achsenskeletts (Wirbelsäule) und des peripheren Skeletts (Tibia) der verschiedenen Behandlungsgruppen wurden mittels μCT quantifiziert. H&amp;E- und TRAP-Färbungen wurden durchgeführt, um die Erosionsfläche und die Anzahl der Osteoklasten an den periartikulären Stellen zu bestimmen. Die In-vitro-Osteoklastendifferenzierung wurde mit oder ohne L-Arginin-Behandlung und mit oder ohne TNFα-Stimulation durchgeführt. Zur Beschreibung der Stoffwechselmerkmale wurden Seahorse- und SCENITH-Analysen durchgeführt. JC-1-Färbung und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) wurden zur Darstellung des mitochondrialen Stoffwechsels verwendet. RNA-seq und Massenspektrometrie wurden durchgeführt, um den zugrunde liegenden molekularen Mechanismus aufzudecken. Die Entzündung wurde in beiden Arthritismodellen nach der L-Arginin-Supplementierung verringert, was zu einer signifikanten Verringerung des arthritischen Scores führte. Darüber hinaus wurde bei arthritischen Mäusen nach der Behandlung mit L-Arginin eine Verbesserung der periartikulären Knochenerosion, des systemischen Knochenverlusts und eine Verringerung der Osteoklastenanzahl in periartikulären Bereichen beobachtet. L-Arginin hemmte auch die Osteoklastogenese in vitro, insbesondere nach TNFα-Stimulation. Die RNA-seq-Ergebnisse deuten darauf hin, dass die oxidative Phosphorylierung (OXPHOS) nach einer L-Arginin-Behandlung bei TNFα-Stimulation verstärkt wird. Seahorse- und SCENITH-Analysen zeigten, dass TNFα die Glykolyse förderte und die OXPHOS in Prä-Osteoklasten blockierte. Eine L-Arginin-Supplementierung stellte jedoch die OXPHOS im entzündlichen Zustand wieder her. Gleichzeitig zeigte die JC-1-Färbung, dass TNFα das Membranpotenzial der Mitochondrien verringerte, während L-Arginin das Membranpotenzial wiederherstellte. Darüber hinaus zeigten die MS-Ergebnisse, dass der Purin-Stoffwechsel ausschließlich in den entzündlichen Osteoklasten nach der L-Arginin-Supplementierung angereichert wurde, mit einer höheren Produktion von Inosin und Hypoxanthin. Weitere Experimente zeigten die hemmende Wirkung von Inosin und Hypoxanthin auf die Osteoklastogenese. Ein Adenosindesaminase-Hemmer, der die Produktion von Inosin und Hypoxanthin blockiert, hob die hemmende Funktion von L-Arginin sowohl in vitro als auch in vivo auf. Diese Daten zeigen deutlich, dass L-Arginin die Knochenerosion bei RA durch metabolische Umprogrammierung und Störung des Purinstoffwechsels in den Osteoklasten verbessert. L-Arginin könnte daher der RA-Therapie zugute kommen, indem es die Gelenkentzündung reduziert und auch die Knochenzerstörung verbessert.