Autoimmune primary adrenal insufficiency – autoantibodies and cell regeneration

Abstract

Autoimmun primær binyrebarksvikt er en sjelden lidelse som skyldes autoimmun ødeleggelse av binyrebarken, og foreløpig finnes det ingen kurativ behandling. Her undersøkte vi to distinkte aspekter ved sykdommen, en molekylær utvikling av urinavledede stamceller (UDSC) for å modellere sykdommen med potensial for regenerativ medisin, i tillegg til at vi undersøkte tilstedeværelsen av autoantistoffer (autoAbs) rettet mot spesifikke antigener mot å kunne forbedre diagnostikk og mekanistisk forståelse av autoimmun binyrebarksvikt.

For å utvikle nye behandlingsalternativer, prøvde vi å produsere binyrebarkceller fra mesenkymale stamceller høstet fra urin. Vi forsøkte å generere urin-avledede binyrebark-lignende celler (UDAdLC) fra heterogene bulkcellepopulasjoner av UDSC gjennom overuttrykking av steroidogen faktor-1 (SF-1) og aktivering av proteinkinase A (PKA). De differensierte cellene uttrykte messenger RNA (mRN)A for flere steroidogene enzymer, inkludert cytokrom P450-holdige enzymer (CYP) CYP11A1, CYP17A1, CYP21A2, CYP11B1, steroidogenic acute regulatory protein (StAR), and hydroxysteroid 11-Beta Dehydrogenase (HSD11B2), men det var ikke målbart utslipp av steroidhormoner til cellemediet. Vi har beskrevet heterogeniteten hos UDSC’er og denne kan ha en påvirkning på genereringen av modne og fullstendig funksjonelle binyrebarkliknende celler.

Videre kan utforskning av nye autoantistoffer bidra til å øke forståelsen om den minoriteten (10%) av autoimmun PAI-pasienter som er negative for antistoffer mot 21- hydroksylase (21OH) ved diagnose. Nylig ble det belyst at perilipin 1 (PLIN1) autoAbs er knyttet til patogenese i en undergruppe av autoimmune polyendokrine syndrom type 1 (APS-1) pasienter, og autoimmun PAI er en av hovedkomponentene i APS-1. PLIN1 er et protein som primært er lokalisert til overflaten av lipiddråper og er en kilde til kolesterol, forløpermolekylet for steroidhormonsyntese i steroidogene celler. Derfor undersøkte vi i denne studien PLIN1 som ett potensielt autoantigen hos pasienter med autoimmun PAI og fant en undergruppe av autoimmun PAI-pasienter, 4,5% (21 av 471) som var positive for PLIN1 autoantistoffer i radioimmunoassay. Autoantistoffer mot PLIN1 ble funnet i 14,8 % (4 av 27) av pasientene med APS-1, mot 4,0 % (11 av 274) for autoimmun PAI eller APS-2, og 7,5 % (4 av 53) type 1 diabetes.

Vi har også undersøkt om pasienter med autoimmun PAI har antistoffer mot vimentin. Proteinet er uttrykt i mesenkymale celler, og dets immunreaktivitet øker med i overgangen fra å være frisk til en patofysiologisk tilstand. Siden vimentin også kan være en negativ regulator av T-celler, i tillegg til å være et mål i andre autoimmune lidelser, kunne dette være ett potensielt autoantigen i autoimmun PAI. Imidlertidig fant vi ikke noe tegn på dette i de pasientene testet.

Samlet sett fokuserte dette forskningsarbeidet på å forstå steroidogen differensiering og dens relevans for autoimmun PAI, samt å undersøke nye autoAbs for diagnostiske formål og som potensielle mål for fremtidig behandling av autoimmun PAI. Denne forskningen kan bidra til å fremme vår forståelse av autoimmun PAI og kan åpne opp nye veier for terapeutiske intervensjoner.

Autoimmune primary adrenal insufficiency (PAI) is a rare disorder resulting from autoimmune destruction of the adrenal cortex, and as of now, there is no curative treatment. Here, we explored two distinct aspects of autoimmune PAI: firstly, the molecular engineering of urine-derived stem cells (UDSC) for the purposes of disease modeling and potential regenerative medicine, and secondly, the investigation of autoantibodies (autoAbs) targeting specific antigens to enhance diagnostics and mechanistic understanding of autoimmune PAI.

To investigate new treatment options, we set out to engineer adrenocortical cells from mesenchymal stem cells (MSC) harvested from urine. We attempted to generate urine derived adrenocortical like cells (UDAdLC) from heterogenous bulk cell populations of UDSC through forced expression of steroidogenic factor-1 (SF-1) and activation of the protein kinase A (PKA) pathway. Our differentiated UDAdLC expressed messenger RNA (mRNA) encoding steroidogenic enzymes including cytochrome P450-containing enzymes (CYP) CYP11A1, CYP17A1, CYP21A2, CYP11B1, steroidogenic acute regulatory protein (StAR), and hydroxysteroid 11-Beta Dehydrogenase (HSD11B2), but no steroid hormones could be detected in the culture medium. Heterogeneity of UDSC may influence the generation of mature and complete functional adrenocortical like cells through forced expression of SF-1.

Furthermore, exploring novel autoAbs could help to bridge the knowledge gap concerning idiopathic PAI patients who receive negative results for 21-hydroxylase (21OH) autoAbs, given that approximately 90% of PAI patients exhibit autoAbs against 21OH upon diagnosis. Recently, it was elucidated that perilipin 1 (PLIN1) autoAbs are linked to pathogenesis in a subset of autoimmune polyendocrine syndrome (APS-1) patients, and PAI is one of the major components of APS-1. PLIN1 is a protein that is primarily localized to the surface of lipid droplets (LDs), providing a source of cholesterol, the precursor molecule for steroid hormone synthesis in steroidogenic cells. Therefore, in this study we investigated PLIN1 as a candidate autoantigen in patients with autoimmune PAI, and revealed 4.5% (21 of 471) being positive for PLIN1 autoAbs in radioimmunoassay (RIA). Autoantibodies against PLIN1 were found in 14.8% (4 of 27) of patients with APS-1, versus 4.0% (11 of 274) for autoimmune PAI or APS-2, and 7.5% (4 of 53) for type 1 diabetes (T1D).

The protein vimentin exhibits widespread expression in mesenchymal cells, and is increased in certain neoplastic conditions. As vimentin can also be involved as a negative regulator of T cells, as well as being a target in other autoimmune disorders in humoral autoimmunity, we further explored it as an autoantigen in autoimmune PAI. However, vimentin autoAbs were not prominent in autoimmune PAI.

Taken together, this project focused on understanding steroidogenic differentiation and its relevance to autoimmune PAI, as well as investigating novel autoAbs for diagnostic purposes and as potential targets for future treatments of autoimmune PAI. This research could contribute to advance our understanding of autoimmune PAI and may open up new avenues for therapeutic interventions.