Investigating the role of tenomodulin in tendon healing using tenomodulin knockout model
Final Report Abstract
Sehnen, kraftübertragende Gewebe des Bewegungsapparates, sind anfällig für altersbedingte Degeneration und anschließende Ruptur. Dies stellt eine dominierende Belastung in den Abteilungen für Orthopädie und Unfallchirurgie dar, was aufgrund der schlechten Heilung von Sehnen weiter verstärkt wird. Es wurde gezeigt, dass Tenomodulin (Tnmd), ein neuartiger Proteintyp welcher überwiegend in Sehnen und Bändern exprimiert wird, als Regulator der Proliferation von Sehnenzellen sowie der Reifung von Kollagenfibrillen fungiert – Prozesse, die auch bei der Sehnenreparatur von grundlegender Bedeutung sind. Trotz der erwarteten Bedeutung ist unser Wissen über die Rolle von Tnmd in der Pathophysiologie und bei der Regeneration von Sehnen begrenzt. Daher bestand das Hauptziel dieses Antrags darin, mechanistische Einblicke über Rolle von Tnmd während der Regeneration von Sehnen zu gewinnen. Um dieses zu erreichen, wurden Tnmd-defiziente Mäuse in folgenden Experimenten untersucht: Ziel 1) chirurgisch induziertes Rupturmodell der Achillessehne; Ziel 2) makro- und nanobiomechanische Tests; Ziel 3) Mauslaufübungen und Ziel 4) in-vitro Analyse von murinen Wildtyp-(WT) und Tnmd-Knockout-(Tnmd-/-) Sehnenstamm-/Vorläuferzellen (TSPCs) sowie TSPCs isoliert aus menschlichen Achillessehnen. Während des von der DFG finanzierten Forschungszeitraums haben wir die folgenden wichtigen Entdeckungen gemacht: 1) In der frühen Regenerationsphase (Tag 8) nach einer chirurgisch induzierten Achillessehnenruptur zeigten Sehnennarben von Tnmd-/- Tieren erweiterte Narben, ein schlechteres Gesamterscheinungsbild sowie eine mindere histologische Bewertung, parallel dazu eine erhöhte Akkumulation von Adipozyten und Gefäßen. Darüber hinaus waren die Narben durch eine fehlerhafte Ablagerung der extrazellulären Matrix (ECM) und ein anormals Makrophagenprofil gekennzeichnet. Interessanterweise wiesen Tnmd-/- Sehnen im späten Reparaturstadium (Tag 100) eine signifikant erhöhte heterotope Ossifikation auf. Dies kann mit der abnormen ECM zusammenhängen, welche in der frühen Reparaturphase beobachtet wurde. 2) Um den Einfluss von Tnmd auf die Biomechanik der Achillessehne zu klären, wurden Force-Indentation Atomic Force Mikroskopie und klassische biomechanische Tests durchgeführt. Diese zeigten, dass der Verlust von Tnmd auf Nanolevel zu signifikant steiferen Kollagen-I-Fibrillen und auf dem Makrolevel bei nicht verletzten Tnmd-/- Sehnen zu einem signifikant höheren Elastizitätsmodul (steifer), verglichen mit WT- Sehnen, führt. 100 Tage nach der Ruptur wurde bei beiden Genotypen eine tiefgreifende Schwächung der biomechanischen Beanspruchbarkeit der Sehnen festgestellt. 3) Die biomechanischen Eigenschaften der Sehnen prädisponieren die funktionelle Leistung der Sehnen. Daher veranlassten wir unverletzte Tnmd-/- und WT-Tiere zum erzwungenen Ausdauersport (Mauslaufübungen), während 100 Tage nach der Operation beide Genotypen durch freiwilliges Laufen getestet wurden. In beiden experimentellen Konfigurationen liefen Tnmd/- Tiere signifikant weniger, was darauf hindeutet, dass Tnmd für eine optimale Sehnenleistungsfähigkeit erforderlich ist. 4) Basierend auf unseren in-vitro Untersuchungen mit TSPCs stellten wir fest, dass Tnmd ein mechanoreguliertes Gen und sein Protein zusammen mit Kollagen-I-Fibrillen lokalisiert ist. Tnmd-/- TSPCs hatten eine signifikant verringerte Adhäsion an Kollagen und waren, im Vergleich zu WT- Zellen, nicht in der Lage ein Kollagengele zu zu kontrahieren. Darüber hinaus zeigten Tnmd-/- TSPCs im Vergleich zu WT TSPCs eine signifikant erhöhte adipogene Differenzierung. Diese invitro Befunde stimmen mit unserer in-vivo Beobachtung überein (siehe 1). Zusammengenommen lieferten unsere komplementären experimentellen Ansätze ein besseres Verständnis über die Rolle von Tnmd im Sehnenreparaturprozess, der Sehnenfunktionsleistung und in den TSPCs. Daher wird Tnmd als realistischer Ausgangspunkt für die Entwicklung von seit langem benötigten sehnenspezifischen Therapeutika vorgeschlagen.
Publications
-
Tenomodulin is required for Tendon Endurance Running and Collagen I Fibril Adaptation to Mechanical Load. EBioMedicine 2017; 20:240–254
Dex S, Alberton P, Willkomm L, Söllradl T, Bago S, Milz S, Shakibaei M, Ignatius A, Bloch W, Clausen- Schaumann H, Shukunami C, Schieker M and Docheva D
-
Biologics for tendon repair. Adv Drug Deliv Rev. 2015;84:222-239
Docheva D, Müller SA, Majewski M, Evans CH
-
Loss of tenomodulin results in reduced self-renewal and augmented senescence of tendon stem/progenitor cells. Stem Cells Dev. 2015;24(5):597-609
Alberton P, Dex S, Popov C, Shukunami C, Schieker M, Docheva D
-
Tenogenic modulating insider factor: Systematic assessment on the functions of tenomodulin gene. Gene 2016; 587(1):1–17
Dex S, Lin D, Shukunami C and Docheva D
-
Tenomodulin is essential for prevention of adipocyte accumulation and fibrovascular scar formation during early tendon healing. Cell Death & Disease 2017; 8(10):e3116 2.595
Lin D, Alberton P, Delgado Caceres M, Volkmer E, Schieker M and Docheva D
-
The power of experimental models for understanding the genetic basis for superior endurance running. MOJ Sports Medicine 2017;1(2):3738
Delgado Caceres M and Docheva D
-
Rescue plan for Achilles: Therapeutics steering the fate and functions of stem cells in tendon wound healing. Adv Drug Deliv Rev. 2018 ;129:352-375
Schneider M, Angele P, Järvinen TAH, Docheva D
-
Understanding Tendons: Lessons from Transgenic Mouse Models. Stem cells and Development 2018; 27(17):1161–1174
Delgado Caceres M, Pfeifer CG and Docheva D
-
Tenomodulin regulates matrix remodeling of mouse tendon stem/progenitor cells in an ex vivo collagen I gel model. Biochemical and Biophysical Research Communications 2019; 512(4):691–697
Yin H, Delgado Caceres M, Yan Z, Schieker M, Nerlich M and Docheva D
-
Loss of tenomodulin expression is a risk factor for age-related intervertebral disc degeneration. Aging Cell 2020, e13091
Lin D, Alberton P, Delgado Caceres M, Prein C, Clausen-Schaumann H, Dong J, Aszodi A, Shukunami C, Iatridis JC and Docheva D
