Expressão de MMP-13 e ativação de vias de sinalização intracelular em dois modelos de doença periodontal induzida experimentalmente em ratos / MMP-13 expression and signaling pathways activated in two models of experimentally-induced periodontal disease in rats

RESUMO

A progressão da doença periodontal é marcada pela excessiva produção de citocinas que, por sua vez, promove o aumento de outros mediadores inflamatórios, entre os quais, de metaloproteinases de matriz (MMPs). MMP-13 é uma colagenase de regulação complexa que tem sido relacionada à degradação da matriz extracelular (ECM) e à reabsorção óssea em diversas condições inflamatórias, incluindo doença periodontal e artrite reumatóide. A regulação da expressão gênica requer a ativação de várias vias de sinalização através da interação de receptores celulares específicos a estímulos externos, como antígenos bacterianos e citocinas derivadas do hospedeiro. A complexidade da rede de citocinas estabelecida durante a progressão da doença periodontal depende das vias de sinalização ativadas, as quais são influenciadas pela natureza do estímulo extracelular. Considerando o papel fundamental das vias de sinalização no controle da expressão gênica de citocinas e a relevante atividade de MMP-13 na doença periodontal, este estudo avaliou a expressão de MMP-13 e as vias de sinalização ativadas durante o curso de dois modelos de doença periodontal induzida experimentalmente. A expressão de MMP-13 nos níveis de RNA mensageiro (mRNA) e proteína foram avaliados por RT-PCR e Western Blot, respectivamente. A cinética de ativação das vias de sinalização intracelular relacionadas à expressão de mediadores inflamatórios também foi verificada por Western Blot. Estes achados foram relacionados à severidade da reação inflamatória determinada por estereometria. Dois modelos experimentais foram usados injeção de LPS e colocação de ligadura. Injeções de LPS de Eschericia coli foram realizadas na região palatina de molares superiores 2 vezes por semana (30 µg por aplicação). Ligaduras foram colocadas na região cervical dos primeiros molares inferiores. O grupo controle recebeu injeções de PBS (veículo) na gengiva palatina dos primeiros molares superiores, enquanto ligaduras não foram colocadas nos molares inferiores. Amostras foram coletadas 5, 15 e 30 dias após a indução da doença periodontal e processadas para extração de RNA total e proteína, assim como rotineiramente processadas para análise histológica/estereométrica. Um aumento significante da severidade da inflamação foi observado em ambos os modelos já no período de 5 dias. Entretanto, o modelo de ligadura mostrou uma diminuição da intensidade da inflamação aos 30 dias, que não foi observada no modelo de injeção de LPS. O perfil de expressão dos níveis de mRNA de MMP-13, assim como a cinética das vias de sinalização ativadas durante o curso da doença periodontal foram distintos segundo o modelo experimental mas, em geral, acompanharam a severidade do processo inflamatório. De forma interessante, não houve correlação entre os níveis protéicos e de mRNA de MMP-13 em ambos os modelos, sugerindo uma regulação pós­transcricional da expressão de MMP-13 in vivo. Além disso, p38 e ERK MAPkinases, assim como NF- B foram ativadas nos dois modelos de doença periodontal, embora com cinética distinta; enquanto ativação de STAT3 e STAT5 foi verificada apenas no modelo de ligadura. Estes achados sugerem uma ativação diferencial de receptores celulares em cada forma de indução da doença periodontal, o que determina diferenças temporais e qualitativas nas redes de sinalização intracelular ativadas e influencia a regulação da expressão gênica de MMP-13 em cada modelo experimental

ABSTRACT

The hallmark of destructive periodontal disease progression is the overproduction of cytokines which promotes the increased expression of other inflammatory mediators such as, MMPs. MMP-13 is a collagenase of complex gene regulation that has been implicated on ECM degradation and bone resorption in several inflammatory conditions, including periodontal disease and rheumatoid arthritis. Regulation of gene expression requires the activation of several signaling pathways through receptor-ligand binding of external stimuli represented by bacterial antigens and/or host-derived cytokines. The complexity of the cytokine network established during periodontal disease progression results from the signaling pathways activated, which are determined by the nature of external stimuli. Thus, considering the fundamental role of signaling pathways on regulation of cytokine gene expression and the relevant role of MMP-13 in periodontal disease, this study evaluated the expression of MMP-13 and the signaling pathways activated during the course of two experimentallyinduced periodontal disease models. Expression of MMP-13 at mRNA and protein levels was evaluated by reverse transcription polymerase chain reaction (RT-PCR) and Western Blot, respectively. The activation kinetics of some signaling pathways that are related to the expression of inflammatory mediators was also verified by Western Blot. The two experimental models used were LPS injections and placement of ligatures. Bi-weekly injections of Eschericia coli LPS were done into the palatal aspect of upper molars (30 µg per injection). Ligatures were placed at the cervical portion of both lower first molars. The control animals received injections of PBS vehicle on the palatal gingiva of upper molars, whereas no ligatures were placed on the lower molars. Samples were collected 5, 15 and 30 days after beginning of periodontal disease induction and processed for extraction of total RNA and protein, as well as routinely processed for histology/estereometry. A significant increase on the severity of inflammation was observed in both experimental models already at the 5-day period. However, the ligature model presented a significant decrease on the intensity of inflammation at the 30-day period, which was not observed with the LPS injection model. MMP-13 expression profile, as well as the kinetic of signaling pathways activated during periodontal disease were somewhat different according to each experimental model, however paralleled the severity of inflammation. Interestingly, there was no transcription-translation coupling for MMP-13 in both models, suggesting a post­transcriptional regulation of MMP13 expression in vivo. Moreover, p38 and ERK MAPkinases, as well as NF-kB were activated in both periodontal disease models, however with different kinetics, whereas activation of STAT3 and STAT5 was verified only on the ligature model. These findings suggest a differential activation of cellular receptors in each model of experimentally-induced periodontal disease, which results in temporal and qualitative differences on the signaling network and influences MMP-13 gene regulation in each experimental model