University of Oulu

Heterotopic ossification in skin : special focus on multiple miliary osteoma cutis and the role of bone morphogenetic proteins

Saved in:
Author: Moilanen, Riina
Organizations: University of Oulu Graduate School
University of Oulu, Faculty of Medicine, Institute of Biomedicine, Department of Anatomy and Cell Biology
University of Oulu, Faculty of Medicine, Institute of Clinical Medicine, Department of Dermatology and Venereology
University of Oulu, Faculty of Medicine, Institute of Diagnostics, Department of Pathology
Oulu University Hospital
Format: eBook
Online Access: PDF Full Text (PDF, 1.7 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526203478
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2013
Publish Date: 2014-01-07
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Health and Biosciences of the University of Oulu for public defence in Auditorium A101 of the Department of Anatomy and Cell Biology (Aapistie 7 A), on 17 January 2014, at 12 noon
Tutor: Professor Juha Tuukkanen
Docent Kirsi-Maria Haapasaari
Reviewer: Docent Sirkku Peltonen
Docent Terhi Heino
Opponent: Professor Yrjö T. Konttinen
Description:

Abstract

Heterotopic ossification is a pathological condition in which bone forms outside the skeletal system. It can also occur in skin, which is the case in some genetic disorders. In multiple miliary osteoma cutis (MMOC), tiny bone fragments develop in the dermis and nearby subcutaneous tissue of the face and upper chest region during middle age. The etiology of the disease is poorly understood. The origin of the osteoma-forming cells is not known and also unknown are the signaling factors that direct the skin cells towards an osteogenic lineage.

The purpose of this study was to investigate MMOC and the pathogenesis of ectopic bone formation by combining patient study and cell biology methods.

The results from an extensive review of the literature and five new cases revealed MMOC as a distinct disease entity, where heterotopic bone formation is intramembranous. No correlation was found between MMOC and acne scars, hormonal disturbances or GNAS gene mutations.

In cell culture studies mouse and human dermal fibroblasts and mouse dermal papilla (DP) cells were found to differentiate into osteoblast-like matrix mineralizing cells. The bone morphogenetic protein 4 (BMP-4) homodimer and BMP-2/7 heterodimer had significant effects on the osteogenic differentiation of the above mentioned cells. Interestingly, the BMPs enhanced the differentiation of mouse cells but reduced it in human cells. In mouse DP cells and human fibroblasts BMP-2/7 was more potent than BMP-4.

The skin area affected by osteomas in patients was compared to their unaffected skin and also to the corresponding skin areas in controls with regard to osteogenic differentiation and gene expression studies. MMOC patients’ skin differs from controls both in osteoma and unaffected skin areas, which suggests MMOC is not only a local but also a systemic skin disease. The results confirm the previous findings that gene expression in skin is different in different parts of the body, which could explain why the osteomas develop in certain skin areas.

The results of this study provide new information about MMOC and heterotopic ossification in skin and could be useful when developing treatments for MMOC. This study also presents new information about BMPs and their different effects in mouse and human cells, which may stimulate discussion about the generalization of mouse studies in humans and the clinical use of BMPs.


Tiivistelmä

Virhesijaintinen luutuminen on patologinen tila, jossa luuta muodostuu luisen tukirangan ulkopuolelle. Tätä voi tapahtua myös ihossa, kuten käy tietyissä sairauksissa. Ihon lukuisat jyvämäiset osteoomat on tauti, jossa pieniä luujyväsiä ilmaantuu verinahkaan ja ihonalaiskudokseen keski-iässä. Taudin syytä, osteoomia muodostavien solujen alkuperää tai sitä, mitkä viestinvälittäjät saavat esiastesolut siirtymään luusolulinjalle, ei tiedetä.

Tässä työssä tutkittiin ihon lukuisia jyvämäisiä osteoomia ja virhesijaintista luutumista yhdistämällä kliinisiä ja solubiologisia menetelmiä.

Laajasta kirjallisuuteen perehtymisestä ja viidestä omasta potilaasta saadut tulokset osoittivat ihon lukuisten jyvämäisten osteoomien olevan oma erillinen tautinsa, jossa virhesijaintinen luutuminen tapahtuu suoran luutumisen mekanismilla. Tauti ei näytä olevan yhteydessä aknearpiin, hormonihäiriöihin tai GNAS-geenin mutaatioihin.

Soluviljelykokeissa hiiren ja ihmisen verinahan fibroblastien ja hiiren karvatupen nystyn solujen havaittiin erilaistuvan osteoblastityyppisiksi soluväliainetta mineralisoiviksi soluiksi. Luun morfogeneettisillä proteiineilla (BMP) 4 ja 2/7 oli merkitsevä vaikutus yllä mainittujen solujen erilaistumisessa. Yllättävää kyllä, ne edistivät hiiren solujen, mutta vähensivät ihmisen solujen erilaistumista. Hiiren karvatupen soluille ja ihmisen fibroblasteille BMP-2/7 oli tehokkaampi kuin BMP-4.

Potilaiden osteoma-aluetta verrattiin heidän terveeseen ihoalueeseensa samoin kuin vastaaviin ihoalueisiin kontrollihenkilöillä käyttäen menetelminä solujen erilaistamista luuta muodostavaan suuntaan sekä geenien ilmentymisen tutkimista. Potilaiden iho erosi kontrollien ihosta sekä osteooma-alueella että terveellä ihoalueella, mikä viittaa taudin olevan koko elimistöön vaikuttava. Tulokset vahvistavat aikaisempia löydöksiä siitä, että geenien ilmentyminen ihossa on erilaista eri puolilla kehoa. Tämä voisi selittää osteoomien esiintymisen vain tietyllä alueella.

Tämän tutkimuksen tulokset antavat uutta tietoa ihon lukuisista jyvämäisistä osteoomista ja virhesijaintisesta luutumisesta ja saattavat olla hyödyksi kehitettäessä taudin hoitoa. Tutkimus antaa uutta tietoa luun morfogeneettisten proteiinien erilaisesta käyttäytymisestä hiirellä ja ihmisellä, mikä herättänee keskustelua hiirikokeiden yleistämisestä ihmiseen ja luun morfogeneettisten proteiinien kliinisestä käytöstä.


Series: Acta Universitatis Ouluensis. D, Medica
ISSN: 0355-3221
ISSN-E: 1796-2234
ISSN-L: 0355-3221
ISBN: 978-952-62-0347-8
ISBN Print: 978-952-62-0346-1
Issue: 1231
Subjects:
iho
Copyright information: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.