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Galunisertib downregulates mutant type I collagen expression and promotes MSCs osteogenesis in pediatric osteogenesis imperfecta - 29/05/24

Doi : 10.1016/j.biopha.2024.116725 
Arantza Infante a, 1, Natividad Alcorta-Sevillano a, l, 1, Iratxe Macías a, Leire Cabodevilla a, Dalia Medhat b, Brittany Lafaver c, Tara K. Crawford c, Charlotte L. Phillips c, Ana M. Bueno d, Belén Sagastizabal e, Maitane Arroyo f, Ainara Campino g, Daniela Gerovska h, Marcos Araúzo-Bravo h, i, j, Blanca Gener a, k, Clara I. Rodríguez a,
a Stem Cells and Advanced Therapies Group, Biobizkaia Health Research Institute, Barakaldo, Spain 
b Medical Biochemistry Department, National Research Centre, Dokki, Giza, Egypt 
c Department of Biochemistry, University of Missouri, Columbia, USA 
d Department of Orthopedic Surgery, Getafe University Hospital, Madrid, Spain 
e Department of Endocrinology, Getafe University Hospital, Madrid, Spain 
f Department of Traumatology, Basurto Hospital, Bilbao, Spain 
g Service of Pharmacy, Cruces University Hospital, Barakaldo, Spain 
h Computational Biology and Systems Biomedicine Research Group, Biogipuzkoa Health Research Institute, Donostia, Spain 
i IKERBASQUE, Basque Foundation for Science, Bilbao 48009, Spain 
j Department of Cell Biology and Histology, Faculty of Medicine and Nursing, University of Basque Country (UPV/EHU), Spain 
k Service of Genetics, Cruces University Hospital, Barakaldo, Spain 
l Department of Cell Biology and Histology, University of Basque Country UPV/EHU, Leioa, Spain 

Correspondence to: Stem Cells and Advanced Therapies Group, Biobizkaia Health Research Institute, Cruces University Hospital, Plaza de Cruces s/n, Barakaldo, Bizkaia 48903, Spain.Stem Cells and Advanced Therapies Group, Biobizkaia Health Research Institute, Cruces University HospitalPlaza de Cruces s/nBarakaldoBizkaia48903Spain

Abstract

Qualitative alterations in type I collagen due to pathogenic variants in the COL1A1 or COL1A2 genes, result in moderate and severe Osteogenesis Imperfecta (OI), a rare disease characterized by bone fragility. The TGF-β signaling pathway is overactive in OI patients and certain OI mouse models, and inhibition of TGF-β through anti-TGF-β monoclonal antibody therapy in phase I clinical trials in OI adults is rendering encouraging results. However, the impact of TGF-β inhibition on osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells from OI patients (OI-MSCs) is unknown. The following study demonstrates that pediatric skeletal OI-MSCs have imbalanced osteogenesis favoring the osteogenic commitment. Galunisertib, a small molecule inhibitor (SMI) that targets the TGF-β receptor I (TβRI), favored the final osteogenic maturation of OI-MSCs. Mechanistically, galunisertib downregulated type I collagen expression in OI-MSCs, with greater impact on mutant type I collagen, and concomitantly, modulated the expression of unfolded protein response (UPR) and autophagy markers. In vivo, galunisertib improved trabecular bone parameters only in female oim/oim mice. These results further suggest that type I collagen is a tunable target within the bone ECM that deserves investigation and that the SMI, galunisertib, is a promising new candidate for the anti-TGF-β targeting for the treatment of OI.

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Graphical Abstract




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Highlights

Pediatric skeletal OI-MSCs show a premature commitment to the osteogenic lineage.
Impaired ECM synthesis and organization is a feature of pediatric skeletal OI-MSCs.
TGF-β pathway activation is present in a subset of pediatric skeletal OI-MSCs.
Galunisertib decreases mutant COL1 expression and promotes osteogenesis in OI-MSCs.
Galunisertib improves trabecular bone microstructure in female oim/oim mice.

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Keywords : Osteogenesis Imperfecta, Mesenchymal stem cells, Osteogenesis, Type I collagen, Galunisertib


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