The dual role of αCGRP in experimental arthritis

Abstract

Introduction: Rheumatoid arthritis (RA), a chronic progressive joint disorder, is the most common autoimmune disease, affecting 1 % of the world population. Patients with RA suffer from cartilage degradation, bone erosions and inflammatory synovitis. Despite new targeted treatment options for RA including monoclonal antibody therapies, less than 50 % of patients show clinical remission under current treatments. Calcitonin gene-related peptide alpha (αCGRP) is a vasodilative neuropeptide with pro-inflammatory properties. It was shown to mediate neurogenic inflammation and pain perception. Patients with RA show elevated levels of CGRP in synovial fluid. Furthermore, monoclonal antibodies against αCGRP are already in clinical use for the prevention and treatment of migraine. To investigate the role of αCGRP in murine inflammatory arthritis, we exposed αCGRP-deficient mice to collagen antibody-induced arthritis (CAIA). Materials and methods: To induce arthritis, αCGRP-deficient mice (αCGRP-/-) and wild type (WT) C57BL/6J mice received ArthritoMab™, a reformulated cocktail of 4 arthritogenic monoclonal antibodies to collagen type II. Control (CTRL) animals of both genotypes received phosphate buffered saline (PBS). All animals were monitored daily over a period of 10 or 48 days to evaluate acute and long-term arthritis effects separately. Daily assessments included body weight, grip strength, clinical semi-quantitative arthritis score and ankle size measurements. Histological, immunohistochemical, micro-computed tomography (µ-CT) and gene expression analysis were performed at the endpoints of day 10 and day 48. Results: αCGRP was intraarticularly increased in WT animals suffering from CAIA. WT mice additionally reached significantly higher arthritis scores and histological cartilage degradation scores than αCGRP-/- mice during the acute phase of arthritis. Furthermore, increased levels of the inflammatory markers Tnfa, Cd80, Il1b, Ccl2 and Mmp13 were present in the joints of WT CAIA but not αCGRP-/- CAIA mice. While enhanced bone resorption indicated by increased levels of Trap/Acp5 and Ctsk was present in WT CAIA mice during the acute inflammation phase, significant bone loss was present in αCGRP-/- CAIA but not in WT CAIA after 48 days. Conclusion: This study provides the first evidence for a dual pro-inflammatory and bone-protective role of αCGRP in experimental arthritis. CGRP inhibition could be a potential target for anti-inflammatory RA therapy, yet the bone-altering effects may compromise skeletal integrity during arthritis resolution. With an increased use of CGRP antagonists in migraine therapy, careful consideration should be warranted in patients suffering from inflammatory bone diseases.

Einleitung: Die Rheumatoide Arthritis (RA) ist eine progressive Gelenkerkrankung und die häufigste Autoimmunerkrankung weltweit mit einer Prävalenz von etwa 1 %. Betroffene Gelenke zeigen Knorpelschäden, Knochenerosionen und Gelenkentzündung. Trotz neuer zielgerichteter Medikamente zeigen unter derzeitigen Therapieregimen weniger als 50 % der Patienten eine klinische Besserung. Calcitonin gene-related peptide alpha (αCGRP) ist ein vasodilatierendes Neuropeptid mit proinflammatorischen Eigenschaften. αCGRP konnte eine Vermittlerrolle in neurogener Entzündung nachgewiesen werden und Patienten mit entzündlicher Arthritis zeigen erhöhte Konzentrationen von CGRP in der Synovialflüssigkeit. Monoklonale Antikörper gegen αCGRP sind bereits zur Therapie und Prävention der Migräne im klinischen Einsatz. Um die Rolle von αCGRP in muriner Gelenkentzündung zu untersuchen, haben wir ein Antikörper-induziertes Arthritismodell in αCGRP-defizienten Mäusen etabliert und diese mit Wildtyptieren verglichen. Material und Methoden: αCGRP-defizienten Mäusen (αCGRP-/-) und Wildtypmäusen (WT) der Gattung C57BL/6J wurde ArthritoMab™, ein Cocktail aus 4 arthritogenen monoklonalen Antikörpern gegen Kollagen Typ II, der eine Gelenkentzündung auslöst, bzw. phosphate buffered saline (PBS) als Negativkontrolle injiziert. Alle Tiere wurden über einen Zeitraum von 10 oder 48 Tagen täglich überwacht, um sowohl Daten über Kurzzeit- als auch Langzeitauswirkungen zu gewinnen. Die täglichen Messungen beinhalteten Gewicht, Griffkraft, einen semi-quantitativen Arthritis Score sowie den Knöchelumfang. Post mortem wurden an den Endpunkten Tag 10 und Tag 48 eine histologische Auswertung, immunhistochemische Darstellungen der CGRP-Reaktivität in den Sprunggelenken, radiologische Messungen mittels micro-Computertomographie (µCT) sowie eine Analyse der Genexpression vorgenommen. Ergebnisse: WT CAIA Tiere zeigten eine erhöhte intraartikuläre Expression von αCGRP. WT CAIA Tiere wiesen in der akuten Phase der Arthritis darüber hinaus sowohl höhere Arthritis-Scores als auch eine stärkere Knorpelschädigung als αCGRP-/- CAIA Mäuse auf, was zu den erhöhten Entzündungsmarkern Tnfa, Cd80, Il1b, Ccl2 und Mmp13, die in αCGRP-/- CAIA Tieren nicht erhöht waren, passt. Während in der akuten Phase WT CAIA Mäuse die erhöhten Knochenresorptionsmarker Trap und Ctsk aufwiesen, zeigte die Erholungsphase nach 48 Tagen einen signifikanten Knochensubstanzverlust bei αCGRP-/- CAIA aber nicht bei WT CAIA Tieren. Schlussfolgerung: Diese Studie zeigt erstmalig eine duale sowohl entzündungsfördernde als auch knochenprotektive Rolle von αCGRP in experimenteller Arthritis. Die medikamentöse CGRP-Blockade könnte zukünftig einen potentiellen Ansatz für anti-entzündliche Therapien in der RA darstellen, gleichzeitig aber langfristig die Knochenqualität beeinträchtigen. Darüber hinaus sollte der zunehmende Gebrauch von CGRP-blockierenden Medikamenten in der Migränetherapie bei Patienten im Rahmen der Pharmakovigilanz kritisch beobachtet werden.