Bone marrow adipose tissue of postmenopausal women with and without osteoporosis: Studies of gene expression, composition in fatty acids and potential for differentiation of mesenchymal cells

Abstract

Bone research in osteoporosis has quite rightly focused on the mineralized component of bone as this is the component that is ultimately responsible for bone strength. However, the non-mineralized component of bone, the bone marrow adipose tissue, is many times more metabolically active and responsive than the mineralised component of bone. Despite this, the bone marrow adipose tissue has been relatively overlooked with regard to the pathogenesis of osteoporosis and related conditions. The present Doctoral Thesis analyzed the bone marrow adipose tissue of postmenopausal women with and without osteoporosis, with the purpose of achieving a better understanding of its regulation and function, under the hypothesis that adipose cells of the bone marrow of postmenopausal women with osteoporosis express a higher level of gene markers of precursors and mature white adipocytes, a higher content of saturated fatty acids and a greater white adipogenic potential in relation to postmenopausal women without osteoporosis. To do this, we obtained bone marrow samples from women with and without osteoporosis and performed gene expression analysis of markers and precursors of the three types of adipocytes, analysis of fatty acid composition ex vivo and established cell cultures of the mesenchymal stem cells (MSCs) obtained from the bone marrow, in order to evaluate their potential for differentiation towards white and brown adipocytes and in this way corroborate if the observed ex vivo was also repeated in vitro. The results show that the adipose tissue of the bone marrow of postmenopausal women with and without osteoporosis expresses genes markers of mature white and beige adipocytes. In the group of women with osteoporosis a greater relative expression of the genes markers of white adipocytes and an expression quantitatively lower for beige adipocytes genes markers were observed. Likewise, in the fraction of mono-nucleated cells of the bone marrow of postmenopausal women with osteoporosis the relative expression of the genes markers of white adipocyte precursors was quantitatively higher with respect to the markers of beige adipocyte precursors. On the other hand, the in vitro experimental approach showed that MSCs derived from osteoporotic women present a higher relative expression of adipogenesis gene markers. The MSCs obtained from both study groups were differentiated into white and brown adipocytes, showing the MSCs obtained from donors without osteoporosis a greater relative expression of gene markers of brown and beige phenotype. A total of 8 fatty acids were identified in bone marrow adipose tissue and bone marrow fluid. Significant differences in fatty acid composition existed between bone marrow adipose tissue and fluid as well as between bone marrow fluid samples and blood plasma. No significant differences were observed in the composition of fatty acids according to bone mineral density in the different samples analyzed. However, additional analyzes made in the bone marrow fluid revealed that the content of saturated fatty acids in this compartment was significantly higher (44,05 vs 33,35%) and the content of insaturated fatty acids significantly lower (56,09 vs 66,65%) compared to the osteoporotic donors with fracture. In conclusion, the results allow us to accept the hypothesis initially proposed about the greater expression of precursor and mature white adipocytes genes marker in the group of women with osteoporosis. However, the hypothesis that the fatty acid composition of TAMO presents significant differences according to bone mineral density is rejected.

La investigación en la osteoporosis se ha enfocado con bastante acierto en el componente mineralizado del hueso ya que es el componente que en última instancia es responsable de la fortaleza ósea. Sin embargo, el componente no mineralizado del hueso, es decir, la médula ósea, más específicamente el tejido adiposo de la médula ósea, es muchas veces más activo y receptivo metabólicamente que el componente mineralizado del hueso. A pesar de esto, el tejido adiposo de la médula ósea ha sido relativamente poco investigado con respecto a la patogénesis de la osteoporosis y las afecciones relacionadas. El presente trabajo de Tesis Doctoral analizó el tejido adiposo de la médula ósea en mujeres postmenopáusicas con y sin osteoporosis, con el propósito de lograr una mejor comprensión de su regulación y función, bajo la hipótesis de que las células del tejido adiposo de la médula ósea de mujeres postmenopáusicas con osteoporosis expresan un mayor nivel de genes marcadores de precursores y de adipocitos maduros blancos, un mayor contenido de ácidos grasos saturados y un mayor potencial de diferenciación adipogénico blanco en relación a las mujeres postmenopáusicas sin osteoporosis. Para comprobar lo plateado, se realizó análisis de expresión génica de marcadores y precursores de los tres tipos de adipocitos (blanco, pardo y beige), análisis de composición en ácidos grasos ex vivo y se estableció cultivos celulares de las MSCs obtenidas de la médula ósea, con el fin de evaluar su potencial de diferenciación hacia adipocitos blancos y pardos. Los resultados muestran que el tejido adiposo de la medula ósea de mujeres postmenopáusicas con y sin osteoporosis expresa genes marcadores de adipocitos maduros blancos y beige, observándose en el grupo de mujeres con osteoporosis una mayor expresión relativa de los genes marcadores de adipocitos blancos y una expresión cuantitativamente menor de genes marcadores de adipocitos beige. Asimismo, en la fracción de células mono-nucleadas de la médula ósea de mujeres postmenopáusicas con osteoporosis la expresión relativa de los genes marcadores de precursores de adipocitos blancos fue cuantitativamente mayor con respecto a los genes marcadores de precursores de adipocitos beige. Por su parte, el enfoque experimental in vitro, demostró que las MSCs derivadas de mujeres osteoporóticas presentan una mayor expresión relativa de genes marcadores de adipogénesis. Las MSCs obtenidas de ambos grupos de estudio se diferenciaron hacia adipocitos blancos y pardos, mostrando las MSCs obtenidas de donantes sin osteoporosis una mayor expresión relativa de genes marcadores del fenotipo pardo y beige. Se identificaron un total de 8 ácidos grasos individuales en el tejido adiposo y el fluido de la médula ósea. Diferencias significativas en la composición de ácidos grasos fueron observadas entre el tejido adiposo y el fluido de la médula ósea, así como entre el fluido de la médula ósea y el plasma sanguíneo. No se observaron diferencias significativas en la composición de ácidos grasos según densidad mineral ósea en las diferentes muestras analizadas. Sin embargo, análisis adicionales realizados en el fluido de la médula ósea revelaron que el contenido de ácidos grasos saturados en este compartimento es significativamente mayor (44,05 vs 33,35%) y el contenido de ácidos grasos insaturados significativamente menor (56,09 vs 66, 65%) en comparación con los donantes osteoporóticos con fractura. En conclusión los resultados permiten aceptar la hipótesis planteada en lo referido a la mayor expresión de genes marcadores de precursores y de adipocitos maduros blancos en el grupo de mujeres con osteoporosis. Sin embargo, se rechaza la hipótesis de que la composición en ácidos grasos del TAMO presenta diferencias significativas según densidad mineral ósea.