Thesis (doctoral)--Katholieke Universiteit te Nijmegen.

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Thesis--University of Nymegen. / Includes reprints of author's articles. T. p. and vita in Dutch. Vita. Includes bibliographies.

Thesis--University of Nymegen. / Includes reprints of author's articles. T. p. and vita in Dutch. Vita. Includes bibliographies.

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Thesis (doctoral)--Katholieke Universiteit te Nijmegen.

O crânio é composto de estruturas que interagem entre si formando um sistema complexo, como os ossos da caixa craniana unidos por tecido fibroso (sutura), o qual exerce função importante durante o desenvolvimento do indivíduo até a idade adulta. Ao fenômeno de fusão prematura das suturas dá-se o nome de craniossinostose que, em 32% dos casos com diagnóstico molecular, são causados por mutações no gene FGFR2. A via de sinalização por FGF já foi implicada tanto em processos biológicos mitogênicos, regulatórios, morfológicos quanto em processos endócrinos. A síndrome de Apert representa 4% de todos os casos de craniossinostose e as duas mutações mais frequentes encontradas nestes pacientes, S252W (64%) e P253R (26%), aumentam a afinidade de ligação dos receptores das isoformas epiteliais e mesenquimais do receptor por quase todos os FGFs e levam à perda de especificidade aos ligantes. Entretanto, a literatura acerca das características celulares aberrantes causadas por mutações desta síndrome é controversa. Atualmente, muitos estudos têm apontado a importância do periósteo, tecido fibroso rico em células que recobre os ossos, na regeneração óssea, não só através de sinalização parácrina, mas também como fonte de células osteoprogenitoras. Neste contexto, há poucos trabalhos na literatura. Nossa hipótese principal é verificar se o periósteo contribui para a fusão, prematura e pós-cirúrgica, das suturas coronais na Síndrome de Apert. Neste caso, a nossa expectativa é as células que compõem este tecido, como por exemplo, fibroblastos e células-tronco mesenquimais, tenham funções celulares como proliferação, migração e diferenciação anômalas em resposta a vias de sinalização intracelulares alteradas. Assim sendo, nossos objetivos foram verificar se a mutação S252W tem um efeito funcional/celular semelhante em duas diferentes potenciais células osteoprogenitoras: fibroblasto e células-tronco mesenquimais; e verificar se diferentes ligantes a FGFR2, os FGFs, atuam diferentemente nas funções destas mesmas células com mutação S252W. De forma geral, nossos resultados revelaram as diferenças funcionais entre fibroblastos e células-tronco mesenquimais (MSCs) provenientes de pacientes com síndrome de Apert, sendo que as funções dos fibroblastos mutados estão mais comprometidas do que as funções das MSCs. Além disso, os fibroblastos S252W têm efeito positivo sobre as MSCs, selvagem ou mutadas, enquanto que o oposto não ocorre. A inibição da fosforilação da JNK anula o efeito da mutação no processo de diferenciação osteogênica atípica de fibroblastos. Também mostramos que FGF2, FGF10 e FGF19 têm diferentes influências sobre o fenótipo de células com a mutação, que também difere entre os tipos celulares. O FGF19 é o fator que mais interfere no processo de ossificação nas células S252W. Nossa análise de perfil de expressão gênica mostrou que os FGFs modulam diferentes vias de sinalização em fibroblastos de pacientes com síndrome de Apert: o FGF2 está ligado a genes do sistema nervoso central, corroborado pelo estudo no modelo animal; o FGF10, a resposta imune e o FGF19 à ossificação. O estudo de células com mutação atípica mostra que a expressão ectópica da isoforma epitelial de FGFR2 está associada ao fenótipo clínico da Síndrome de Apert e parece ser também responsável pelo fenótipo atípico associado à transição epitélio-mesenquimal. Estes resultados nos possibilitaram inferir que o periósteo contribui para o processo de reossificação das suturas na Síndrome de Apert, e que tanto fibroblastos como células-tronco mesenquimais podem estar envolvidos neste processo. / The skull is composed of structures that interact with each other forming a complex system, sucha as the bones of the skull that are united by fibrous tissue (suture), which plays important role during the development of the individual until adulthood. The phenomenon of premature fusion of sutures is named as craniosynostosis, which are caused by mutations in the FGFR2 gene in 32% of the cases with molecular diagnosis. The FGF signaling pathway has been implicated in both mitogenic biological processes, regulatory, morphological and endocrine processes. Apert syndrome accounts for 4% of all cases of craniosynostosis and the two most frequent mutations found in these patients, S252W (64%) and P253R (26%), increase the binding affinity in mesenchymal and epithelial isoforms of the receptor for nearly all FGFs and lead to loss of ligand specificity. However, literature concerning the aberrant cellular characteristics caused by Apert syndrome mutations is controversial. Currently, many studies have highlighted the importance of the periosteum (a fibrous tissue rich in cells that covers the bones) in bone regeneration, not only through paracrine signaling, but also as a source of osteoprogenitor cells. In this regard, there are few studies in literature. Our main hypothesis is to verify whether the periosteum contributes to premature and post-surgical fusion of the coronal sutures in Apert syndrome. In this case, we expect that the cells that compose this tissue, such as fibroblasts and mesenchymal stem have abnormal cell functions such as proliferation, migration and differentiation in response to altered intracellular signaling pathways. Our objectives were to verify if the S252W mutation has a similar functional/cellular effect in two different potential osteoprogenitor cells: fibroblasts and mesenchymal stem cells; and to verify whether different ligands to FGFR2, the FGFs, act differently in these cells with S252W mutation. Overall, our results reveal functional differences between fibroblasts and mesenchymal stem cells (MSCs) from patients with Apert syndrome, and that these functions are more impaired in the mutant fibroblasts. Moreover, the S252W fibroblasts have positive effect on the osteogenic differentiation of MSCs (wild-type and mutant) whereas the opposite does not occur. Inhibition of JNK phosphorylation nullifies the effect of atypical osteogenic differentiation of mutant fibroblasts. We also show that FGF2, FGF10 and FGF19 have different influences on the phenotype of mutant cells, which also differs between cell types. The FGF19 is the main factor that interferes with the process of ossification of S252W cells. Our analysis of gene expression profile showed that FGFs modulate different signaling pathways in fibroblasts from Apert syndrome patients: while FGF2 gene is linked to the central nervous system, supported by studies in animal model, FGF10 is associated to immune response and FGF19, to ossification. The study of cells with atypical mutation shows that the ectopic expression of the epithelial isoform of FGFR2 generates the clinical phenotype of Apert syndrome, but also leads to an atypical phenotype associated with epithelial-mesenchymal transition. These results enabled us to infer that the periosteum contributes to the process of suture reossification in Apert syndrome, and that both fibroblast and mesenchymal stem cells may be involved in this process.

Mutações do tipo ganho de função em FGFR2 causam a síndrome de Apert, uma doença rara caracterizada por craniossinostose e defeitos ósseos nos membros devidos a anormalidades na diferenciação e remodelamento ósseos. Apesar do periósteo ser uma importante fonte de células durante o remodelamento ósseo, seu papel nas craniossinostoses ainda é pouco conhecido. A S. de Apert é causada por mutações (p.S252W ou p.P253R) que levam a perda de especificidade de FGFR2 por seus ligantes e causam a ativação exacerbada do mesmo. Sabe-se que FGFR2 ativa vias de sinalização intracelulares como MEK/ERK, PI3-K e PLC. Nossa hipótese é que as células tronco mesenquimais (MSCs) e fibroblastos de pacientes com S. de Apert tem fenótipos celulares e vias de sinalização alterados que contribuem para o fechamento recorrente das suturas coronais. MSCs e fibroblastos foram obtidos do periósteo de pacientes portadores da S. de Apert (S252W) e indivíduos controles (WT). Nós analisamos a proliferação, migração e diferenciação osteogênica dessas células. A mutação S252W teve efeitos opostos em tipos celulares diferentes: MSCs S252W proliferaram menos que as S252W controle, enquanto fibroblastos S252W proliferaram mais que fibroblastos controle, além de terem aumento da migração. A presença da mutação S252W aumentou a diferenciação osteogênica in vitro e in vivo em ambos os tipos celulares estudados. Esse aumento de diferenciação osteogênica foi revertido pela inibição de JNK. Nós demonstramos que fibroblastos S252W podem induzir a diferenciação osteogênica em MSCs de periósteo, porém não em MSCs de outras fontes. Trabalhos anteriores mostraram que o gene da fosfatase DUSP2 está mais expresso em fibroblastos do periósteo de pacientes portadores da S. de Apert do que em controles. DUSP2 é capaz de desfosforilar membros das MAPKs, dentre estes p-JNK. Nesse trabalho mostramos que a ativação de FGFR2 regula os níveis proteicos de DUSP2 tanto em pacientes quanto em controles, porém por vias diferentes em cada caso, e que DUSP2 está regulando negativamente a fosforilação de JNK.Nós propomos que células do periósteo tem um papel mais importante no fechamento precoce das suturas cranianas do que se imaginava anteriormente e que moléculas da via JNK são fortes candidatas para o tratamento de pacientes da S. de Apert. / Apert Syndrome is cause by gain of Function mutations in FGFR2, a rare condition characterized by craniosynostosis and bone limb defects due to abnormalities in osteogenic differentiation and cone remodeling. Even though the periosteum acts as an important cell source during bone remodeling, its role in craniosynostosis is yet unknown. Apert syndrome is caused by one of two mutations (p.S252W or p.P253R) leading to loss of specificity of FGFR2 by its ligands leading to increased activation of the receptor. It is known that FGFR2 activates the MEK/ERK, PI3-K and PLC signaling pathways. Our hypothesis is that Apert syndrome patients\'\' Mesenchimal Stem Cells (MSCs) and fibroblasts have altered cellular phenotye and signaling pathways which may contribute to the premature closure of the coronal sutures. MSCs and fibroblasts were obtained from the periosteum of Apert syndrome patients bearing the p.S252W mutation and from wild-type (WT) individuals. The p.S252W mutation had opposite effects on different cell types: MSCs p.S252W proliferated less than WT, while p.S252W fibroblasts showed increased proliferation and migration when compared to WT fibroblasts. The presence of the p.S252W mutation increased the osteogenical differentiation in vitro and in vivo in both cell types. We also demonstrated that p.S252W fibroblasts can increase the osteogenic differentiation of MSCs from the periosteum, but not from other sources. is negatively controlling the phosphorylation of JNK. We propose that cells from the periosteum have a more significant role in the premature closure of the cranial sutures than previously thought and that molecules of the JNK pathway are strong candidates for the treatment of Apert syndrome. Previous works have shown that the DUSP2 gene had increased expression in periosteum derived fibroblasts of Apert syndrome patients then in WT. DUSP2 is a phosphatase capable of dephosphorylate members of the MAPK family, including p-JNK. In this work we have shown that FGFR2 activation regulates the proteic levels of DUSP2 in both patients and control derived fibroblasts, however this control is exercised by different pathways in each case. We also demonstrated that DUSP2

Thesis (Ph. D.)--University of Washington, 2004. / Vita. Includes bibliographical references (leaves 205-223).

Periosteum and bone marrow (BM) contain cells that, after isolation and culture-expansion, exhibit properties of mesenchymal stromal/stem cells (MSCs). However, these cells have not been identified and characterised in situ due to the lack of specific markers. This study aimed to identify and phenotypically characterise long-term label-retaining cells (LT-LRCs), thought to include stem cells (SCs), in mouse periosteum and BM. Two mouse models were used: nucleoside-analogue labelling, and doxycycline (Dox)-inducible expression of histone 2B–green fluorescent fusion protein (H2B-GFP). LRCs were identified and phenotypically characterised by immunostaining, and microscopy or by flow cytometry (FCM). LRCs were detected throughout the periosteum with no apparent focal concentration, and subsets of cells displayed a phenotype compatible with MSCs but not pericytes. Osteoblasts were also labelled, but osteocalcin-expressing osteoblasts were distinct from Low-affinity nerve growth factor receptor (LNGFR)/P75-expressing MSCs. Similarly, BM contained LRCs expressing MSC markers that were distinct from pericytes. For FCM analyses, two cell isolation methods were compared, which revealed that crushing and collagenase digestion of long bones yielded a higher percentage of LRCs compared with flushing. BM analysed 40 days after the end of nucleoside administration showed that LRCs both within the CD45- and CD45low population were enriched for cells expressing Platelet-derived growth factor receptor α (PDGFRα) together with Stem cell antigen-1 (Sca-1) as well as cells expressing LNGFR/P75+. Furthermore, the CD45-PDGFRα+Sca-1+ population showed an increase in the percentage of LRCs with an increasing washout period, suggesting PDGFRα together with Sca-1 is most suitable to identify stromal LRCs in mouse BM. Comparison of the nucleoside label-retaining model with the H2B-GFP-label-retaining transgenic model showed a good correlation between nucleoside and H2B-GFP-label retention, suggesting the suitability of the H2B-GFP model for identification of stromal LRCs in BM. Future studies characterising the MSC niche in-vivo could reveal novel therapeutic targets for promoting bone regeneration/repair.