Cyclo-oxygenase-2, MAP kinase Pathways and Aurothiomalate. Induction of MAP kinase phosphatase-1 as a novel mechanism of action of anti-rheumatic drug aurothiomalate

Abstract

Nivelrikko ja nivelreuma ovat yleisiä nivelsairauksia. Niiden yhteinen piirre on nivelrustovaurio, joka liittyy nivelen kipuun, jäykkyyteen ja toiminnan rajoitukseen. Väitöskirjatutkimuksessaan proviisori Riina Nieminen tutki nivelrustovaurioon johtavia solutason mekanismeja. Tutkimuksessa löydettiin pitkään reumalääkkeenä käytetylle pistoskullalle täysin uusi solutason vaikutusmekanismi.

Väitöskirjatyön tarkoituksena oli tutkia solunsisäisen MAP-kinaasien välittämän viestinsiirtojärjestelmän merkitystä nivelrustovaurion synnyssä, erityisesti COX-2 ja MMP -entsyymien sekä prostaglandiinien ja IL-6:n tuoton säätelyssä. Lisäksi tutkittiin reumalääkkeiden vaikutusta näihin välittäjäainereitteihin. Reumalääkkeistä tehokkaimmaksi osoittautui aurotiomalaatti ( pistoskulta ), jonka solutason vaikutusmekanismia tutkittiin tarkemmin. Aurotiomalaattia on käytetty nivelreuman hoidossa yli 80 vuotta, mutta sen vaikutusmekanismi tunnetaan huonosti. Aurotiomalaatti lievittää tehokkaasti niveltulehdusta ja hidastaa nivelrustovaurioiden kehittymistä, mutta haittavaikutukset rajoittavat sen käyttöä. Väitöskirjatutkimuksessa löydettiin aurotiomalaatille uusi vaikutusmekanismi. Sen havaittiin vähentävän MAP-kinaasien aktiivisuutta ja lisäävän MAP-kinaaseja inaktivoivan MKP-1 fosfataasin ilmentymistä rustossa. Käyttäen moderneja molekyylibiologisia menetelmiä todettiin, että lisääntynyt MKP-1:n tuotto vaimensi tulehdusta ja rustotuhoa välittäviä mekanismeja.

Tutkimuksessa löydettiin pitkään käytössä olleelle tehokkaalle reumalääkkeelle, aurotiomalaatille, täysin uusi solutason vaikutusmekanismi. Tämä voi selittää aurotiomalaatin tulehdusta ja niveltuhoa lievittäviä vaikutuksia. Tietoa voidaan käyttää hyväksi kehitettäessä uusia tehokkaita lääkkeitä reuman ja nivelrikon hoitoon.

Väitöskirja on tehty osana Tampereen yliopiston lääketieteellisen tiedekunnan farmakologian yksikön laajempaa uusien tulehduslääkkeiden kehitysprojektia jota johtaa professori Eeva Moilanen.

Prostaglandins (PGs) are ubiquitously produced and regulate various physiological and pathophysiological responses in the human body. In inflammatory joint diseases including rheumatoid arthritis (RA) and osteoarthritis (OA) prostaglandins have regulatory and proinflammatory effects and mediate inflammatory pain. Prostaglandins are formed from arachidonic acid in a reaction catalyzed by cyclooxygenase (COX) enzymes. Two forms of COX enzyme have been identified: constitutive isoform COX-1 and inducible isoform COX-2. COX-2 is induced in response to proinflammatory cytokines and bacterial products like endotoxins and is mainly responsible for the production of inflammatory prostaglandins (especially PGE2). In inflammatory arthritis, COX-2 expression is highly enhanced in chondrocytes and in the synovial tissue. In the joints, prostanoids produced by COX-2 pathway can exert catabolic or anabolic effects in the cartilage depending on the microenvironment, and modulate inflammation and inflammatory pain.

The aim of the present study was to investigate the role of mitogen-activated protein kinases (MAPKs) in the regulation of COX-2 expression and PGE2 production in chondrocytes and in intact cartilage as potential targets for drug development. Another major aim was to investigate the effects of disease modifying anti-rheumatic drugs (DMARDs) on COX-2 expression and further to study the mechanisms of action of aurothiomalate.

Inhibitors of p38 and JNK MAPK pathways were found to regulate COX-2 expression and PGE2 production by facilitating COX-2 mRNA degradation. Interestingly, also a DMARD aurothiomalate inhibited COX-2 expression and PGE2 production in chondrocytes and in human cartilage by destabilizing COX-2 mRNA. In addition, aurothiomalate also reduced levels of phosphorylated (i.e. active) p38 MAPK and increased MAPK phosphatase (MKP)-1 expression. MKP-1 is an endogenous regulator of MAPK pathways, and it is known to inactivate p38 MAPK by dephosphorylation. In addition to COX-2 expression and PGE2 production, aurothiomalate inhibited also the production of inflammatory cytokine interleukin (IL)-6 and matrix metalloproteinase (MMP)-3 which is an enzyme involved in the degradation of cartilage matrix. Silencing of MKP-1 by short interfering RNA significantly impaired the ability of aurothiomalate to inhibit the phosphorylation of p38 MAPK and the expression of COX-2, MMP-3 and IL-6. Similarly, aurothiomalate reduced COX-2, MMP-3 and IL-6 expression in human RA cartilage and in articular cartilage from wild type mice but not in cartilage from MKP-1 deficient mice.

The findings provide a novel mechanism of action for aurothiomalate through increased MKP-1 expression, reduced p38 MAPK activation and suppressed expression of COX-2, MMP-3 and IL-6 that may at least in part explain the anti-inflammatory and anti-erosive action of aurothiomalate. MKP-1 may therefore be a promising novel target for the development of disease modifying drugs for inflammatory joint diseases.