Inhibition of miR-574-5p as novel therapeutic strategy for osteoarthritis treatment

Osteoarthritis (OA) is the most common joint disease in the world. In its advanced stages, it is characterized by joint pain and bone loss, leading to loss of joint function. There is an unmet medical need in the treatment of OA to preserve the patient's joint structure by preventing its destruction while managing inflammation and pain. Here, we present the micro RNA (miR) miR-574-5p as a candidate therapeutic target for OA. High intracellular miR-574-5p levels are associated with increased synthesis of prostaglandin E2, a key mediator of inflammation and pain. Moreover, we showed that miR-574-5p induces osteoclast (OC) differentiation via direct binding to Toll-like receptors (TLR) 7/8. This newly discovered link between miR-574-5p, inflammation and OC-mediated bone resorption provides an opportunity to develop novel RNA therapeutics for OA. In this study we seek to develop a first-in-class miR-574-5p inhibitor that addresses both of these miR-574-5p functions to reduce pain and prevent extracellular matrix (ECM) degradation within the affected joint. Two Inhibitor concepts were synthesized and tested: (1) A superparamagnetic iron oxide nanoparticle (SPION) carrier conjugated to multiple locked nucleic acid (LNA) oligonucleotides via click chemistry. (2) A peptide nucleic acid (PNA) sequence conjugated to a cell-penetrating peptide (CPP) carrier that can be continuously synthesized using standard solid-phase synthesis methods. Both drug candidates are designed for intra-articular administration to minimize potential non-specific side effects and to achieve high local concentrations. After extensive in-vitro characterization, we concluded that the SPION-LNA drug candidate expressed a low in-vitro potency and unwanted cytotoxic behavior. In contrast, we can confirm that the CPP-PNA drug candidate exhibits desirable pharmacological properties. And we were able to demonstrate in-vivo that it was able to halt OA progression in the anterior cruciate ligament transection (ACLT) mouse model.

Osteoarthritis (OA) ist die häufigste Gelenkerkrankung der Welt. Im fortgeschrittenen Stadium ist sie durch Gelenkschmerzen und Knochenabbau gekennzeichnet, was zum Verlust der Gelenkfunktion führt. Bei der Behandlung von OA besteht ein ungedeckter medizinischer Bedarf die Gelenkstruktur des Patienten zu erhalten und gleichzeitig Entzündungen und Schmerzen zu behandeln. Hier stellen wir die Mikro-RNA miR-574-5p als einen neuen potentiellen therapeutischen Angriffspunkt für OA vor. Hohe intrazelluläre miR-574-5p-Spiegel werden mit einer erhöhten Synthese von Prostaglandin E2 in Verbindung gebracht, einem Schlüsselmediator für Entzündungen und Schmerzen. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass miR-574-5p über eine direkte Bindung an die Toll-like-Rezeptoren (TLR) 7/8 die Osteoklastendifferenzierung fördert. Dieser neu entdeckte Zusammenhang zwischen miR-574-5p, Entzündungen und osteoklastenvermittelter Knochenresorption bietet die Möglichkeit neue RNA-Therapeutika für OA zu entwickeln. In dieser Studie versuchen wir erstmalig einen miR-574-5p-Inhibitor zu entwickeln, der beide Funktionen von miR-574-5p inhibiert, um Schmerzen zu lindern und den Abbau der extrazellulären Matrix im betroffenen Gelenk zu verhindern. Es wurden zwei Inhibitorkonzepte synthetisiert und getestet: (1) Ein superparamagnetischer Eisenoxid-Nanopartikelträger (SPION), der über Click-Chemie mit mehreren Locked-Nucleic-Acid-Oligonukleotiden (LNA) konjugiert ist. (2) Eine Peptidnukleinsäuresequenz (PNA), die mit einem zelldurchdringenden Peptidträger (CPP) konjugiert ist, der kontinuierlich mit Standard-Festphasensynthesemethoden synthetisiert werden kann. Beide Wirkstoffkandidaten sind für die intraartikuläre Verabreichung konzipiert, um mögliche unspezifische Nebenwirkungen zu minimieren und hohe lokale Konzentrationen zu erreichen. Nach umfangreichen In-vitro-Charakterisierungen kamen wir zu dem Schluss, dass der SPION-LNA-Wirkstoffkandidat eine geringe In-vitro-Potenz und ein unerwünschtes zytotoxisches Verhalten aufweist. Im Gegensatz dazu können wir bestätigen, dass der CPP-PNA-Wirkstoffkandidat hervorragende pharmakodynamische Eigenschaften besitzt. Zudem konnten wir in-vivo nachweisen, dass unser miR-574-5p Inhibitor das Fortschreiten der OA im Mausmodell der vorderen Kreuzbanddurchtrennung (ACLT, anterior cruciate ligament transection) aufhalten konnte.