Abstract

Vitamin D has primarily been known for its essential role in bone health and calcium metabolism. The discovery of its immunomodulatory effects prompted the research of vitamin D analogues — compounds that mimic the biological effect of vitamin D with some differences depending on the molecular structure. Some of these analogues maintain the immunomodulatory effect of vitamin D while having lesser effect on the calcium metabolism. Calcipotriol, used in local treatment of psoriasis, is one of these analogues. This study aims at investigating its possibilities in the local treatment of arthritis.

Calcipotriol was studied in two animal models and in cell models. Pharmacokinetics and safety were first tested in sheep after an intra-articular or intravenous injection. After that study, a larger efficacy study was executed in a rat model of zymosan-induced arthritis to estimate the effect of calcipotriol on histological synovitis as well as on its safety in tissues of the joint.

Synovial and mesenchymal stromal cells were cultured for use as models to examine the metabolism of calcipotriol in the cells and to test the effect of calcipotriol on cell migration, apoptosis and necrosis.

In sheep, calcipotriol was proven safe and pharmacokinetically feasible as a treatment, as it showed a prolonged retention time and low systemic exposure after intra-articular administration. In arthritic rats, calcipotriol was proven to be both safe and effective in alleviating histological synovitis. No adverse effects were noted for cartilage or bone.

Calcipotriol was metabolised to similar extents by both mesenchymal and synovial stromal cells. The migration of synovial stromal cells was inhibited at least as strongly by calcipotriol as by glucocorticoids. Calcipotriol was safe at concentrations of up to 10 µM when administered to cell cultures.

Taken together, the findings confirmed that calcipotriol was safe and effective in vivo in an arthritis model and safe in healthy animals. The safety was further corroborated by in vitro results. Calcipotriol appears to be a promising candidate for the local treatment of arthritis due to its safety, pharmacokinetic profile and anti-inflammatory efficacy. Clinical studies are warranted.

Tiivistelmä

D-vitamiini tunnetaan parhaiten välttämättömästä roolistaan luustolle ja ihmisen kalsiumaineenvaihdunnalle. Kun sen vaikutukset immuunijärjestelmään löydettiin, alkoi D-vitamiinianalogien kehitys — nämä yhdisteet jäljittelevät D-vitamiinin vaikutusta, mutta niillä on myös eroja niiden molekyylirakenteesta riippuen. Osalla näistä analogeista on samanlainen vaikutus immuunivasteeseen kuin D-vitamiinilla, mutta vaikutus kalsiumaineenvaihduntaan on vähäisempi. Kalsipotrioli, psoriaasin paikallishoitoon käytetty lääke, on yksi näistä analogeista. Tutkimuksen tarkoitus oli selvittää sen antamia mahdollisuuksia niveltulehduksen paikallishoidossa.

Kalsipotriolia tutkittiin kahdessa eläinmallissa ja solumalleissa. Lampailla testattiin ensiksi kalsipotriolin farmakokinetiikkaa ja turvallisuutta. Tämän jälkeen aineen tehoa testattiin suuremmalla otoskoolla rotilla, joille käynnistettiin keinotekoinen niveltulehdus zymosaanilla. Tässä tutkimuksessa arvioitiin kalsipotriolin vaikutusta histologiseen niveltulehdukseen sekä turvallisuutta nivelten kudosten osalta.

Kokeita varten kasvatettiin synoviaalisia ja mesenkymaalisia stroomasoluja. Näillä testattiin kalsipotriolin aineenvaihduntaa, vaikutusta solujen liikkuvuuteen, apoptoosiin ja nekroosiin.

Lampailla kalsipotrioli todettin turvalliseksi ja farmakokineettiseltä profiililtaan suotuisaksi nivelen sisäisessä annostelussa — se pysyi pitkään nivelessä ja verenkiertoon siitä pääsi vain pieni osa. Rotilla niveltulehdusmallissa kalsipotrioli todettiin sekä tehokkaaksi että turvalliseksi. Ruston tai luunkaan osalta ei havaittu haittavaikutuksia.

Sekä synoviaalisissa että mesenkymaalisissa tukikudosten soluissa havaittiin kalsipotriolin metaboloitumista. Synoviaalisten solujen liikkuminen väheni vähintään yhtä paljon kuin glukokortikoidialtistuksessa. Kalsipotrioli oli myös turvallinen ainakin 10 µM pitoisuuksiin asti.

Yhteenvetona kalsipotrioli todistettiin tehokkaaksi ja turvalliseksi in vivo niveltulehdusmallissa ja myös turvalliseksi terveillä eläimillä. In vitro –löydökset tukivat näitä havaintoja. Kalsipotrioli on lupaava vaihtoehto niveltulehduksen hoidossa turvallisuutensa, suotuisan farmakokineettisen profiilinsa ja tulehdusta estävän tehonsa ansiosta. Kliinisiä tutkimuksia tarvitaan jatkossa.

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon. / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

1. Huovinen, J., Haj Hussain, M., Niemelä, M., Laaksonen, S., Voipio, H.-M., Jyrkäs, J., Mannila, J., Lassila, T., Tolonen, A., Turunen, S., Bergmann, U., Lehenkari, P., & Huhtakangas, J. A. (2019). Pharmacokinetics of intra-articular vitamin D analogue calcipotriol in sheep and metabolism in human synovial and mesenchymal stromal cells. The Journal of Steroid Biochemistry and Molecular Biology, 188, 172–184. https://doi.org/10.1016/j.jsbmb.2018.12.006

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

2. Huhtakangas, J. A., Huovinen, J., Laaksonen, S., Voipio, H.-M., Vuolteenaho, O., Finnilä, M. A. J., Thevenot, J., & Lehenkari, P. P. (2021). A single intra-articular dose of vitamin D analog calcipotriol alleviates synovitis without adverse effects in rats. PLoS ONE, 16(4), e0250352. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0250352

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

3. Huovinen, J., Lohela, J., Kauppinen, S., Finnilä, M., Laaksonen, S., Voipio, H.-M., Huhtakangas, J. A., & Lehenkari, P. (2023). No adverse effects on periarticular tissue by intra‐articular vitamin D analogue calcipotriol in a reduced‐dose zymosan‐induced arthritis model in rats. Basic & Clinical Pharmacology & Toxicology, 132(2), 131–143. https://doi.org/10.1111/bcpt.13815

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

4. Huovinen, J., Palosaari, S., Pesonen, P., Huhtakangas, J. A., & Lehenkari, P. (2023). 1,25(OH)₂D₃ and its analogue calcipotriol inhibit the migration of human synovial and mesenchymal stromal cells in a wound healing model – A comparison with glucocorticoids. The Journal of Steroid Biochemistry and Molecular Biology, 233, 106373. https://doi.org/10.1016/j.jsbmb.2023.106373