Molecular mechanisms of action of low-frequency pulsed electromagnetic fields effects on osteaoarticular cells

Osteoarthritis (OA) is the most common degenerative and inflammatory joint disorder. Despite the rising prevalence of OA, no biological or pharmacological therapies currently exist to control inflammation or restore joint tissue integrity effectively. As a result, OA remains a condition managed primarily through palliative treatments aimed at pain relief, with joint replacement surgery as the final option. Biophysical stimulation using pulsed electromagnetic fields (PEMFs) is a safe and non-invasive therapy applicable to various pathological conditions. Clinical studies have demonstrated that PEMFs therapy is beneficial in cases of OA, as it can alleviate pain and improve joint functionality. They may act through the adenosine pathways and highly hydrated fibrous meshwork of carbohydrates that cover the membrane of endothelial cells called glycocalyx. However, the role and detailed mechanisms underlying the therapeutic effects of PEMFs on OA remain poorly understood. This study aims to investigate the molecular mechanisms underlying the effects of PEMFs on osteoarticular cells. Chapter 1 assesses whether exposure to PEMFs enhances the anti-inflammatory effects mediated by adenosine receptors (ARs) in human T/C-28a2 chondrocytes. PEMFs treatment induces a specific overexpression of A2A and A3ARs in T/C-28/a2 cells. This upregulation is associated with enhanced anti-inflammatory responses induced by these receptors' activation, decreasing some of the most relevant pro-inflammatory cytokine releases such as interleukin (IL)-6 and IL-8. A2A and A3ARs agonist effects were enhanced in the presence of PEMFs and completely blocked using selective antagonists. This suggests that combining A2A and A3ARs agonists and PEMFs could offer a promising alternative approach for managing pathological conditions linked to excessive cartilage degradation. Chapter 2 explores the ability of PEMFs to modulate the inflammatory activities of human synovial fibroblasts (SFs) derived from OA patients, as well as the potential involvement of ARs in mediating the effects of PEMFs. The exposure to PEMFs induced an increase in A2A and A3ARs. PEMFs inhibit the release of prostaglandin E2 (PGE2), IL-6 and IL-8, while stimulating the release of the anti-inflammatory cytokines, IL-10. These effects are in part mediated by A2A and A3ARs. Chapter 3 examines whether the glycocalyx serves as a mediator in the effects of PEMFs on BJ-5ta (normal fibroblasts). After PEMFs treatment, immunofluorescence analysis revealed an increase in the expression of N-acetyl-D-glucosamine residues. This finding suggests that PEMFs exposure may influence and interact with components of the glycocalyx, potentially altering its structure or function. The treatment with the sialidase and PEMFs did not significantly affect the cell elasticity. The expectation was that inhibiting sialic acid would decrease cell elasticity and increase Young’s modulus. PEMFs exposure significantly reduced IL-6 levels in BJ-5ta fibroblasts, aligning with previous studies. However, desialylation of the glycocalyx did not alter the effect of PEMFs on IL-6 release induced by TNF-α.

L'osteoartrite (OA) è la più comune malattia degenerativa e infiammatoria delle articolazioni. Nonostante la crescente prevalenza di questa patologia, attualmente non esistono terapie biologiche o farmacologiche in grado di controllare efficacemente l’infiammazione o ripristinare l’integrità dei tessuti articolari. Di conseguenza, l’OA continua a essere gestita principalmente attraverso trattamenti palliativi finalizzati al sollievo dal dolore, con la sostituzione protesica dell’articolazione quale opzione terapeutica finale. La stimolazione biofisica mediante campi elettromagnetici pulsati (CEMP) costituisce una terapia sicura e non invasiva, applicabile in diverse condizioni patologiche. Studi clinici hanno dimostrato che la terapia con i CEMP è efficace nei casi di OA, poiché è in grado di alleviare il dolore e migliorare la funzionalità articolare. I meccanismi d’azione dei CEMP potrebbero coinvolgere le vie dell’adenosina e il glicocalice, tuttavia, il ruolo e i meccanismi dettagliati alla base degli effetti terapeutici dei CEMP nell’OA rimangono ancora poco compresi. Il presente studio si propone di indagare i meccanismi molecolari alla base degli effetti dei CEMP sulle cellule osteoarticolari. Il Capitolo 1 valuta se l’esposizione ai CEMP potenzia gli effetti antinfiammatori mediati dai recettori per l’adenosina nei condrociti umani T/C-28a2. Il trattamento con i CEMP induce una sovra regolazione specifica dei recettori A2A e A3 dell’adenosina nelle T/C-28a2. Tale up-regolazione è associata a una maggiore risposta antinfiammatoria mediata dall’attivazione di questi recettori, con una riduzione significativa del rilascio di alcune delle principali citochine pro-infiammatorie, come l’interleuchina (IL)-6 e IL-8. Gli effetti degli agonisti dei recettori A2A e A3 risultano potenziati in presenza dei CEMP e completamente inibiti dall’uso di antagonisti selettivi. Ciò suggerisce che la combinazione degli agonisti dei recettori A2A e A3 con i CEMP potrebbe rappresentare un approccio alternativo promettente per la gestione di condizioni patologiche associate a un’eccessiva degradazione della cartilagine. Il Capitolo 2 esplora la capacità dei CEMP di modulare l’attività infiammatoria dei fibroblasti sinoviali umani derivanti da pazienti affetti da OA, nonché il possibile coinvolgimento dei recettori dell’adenosina nella mediazione degli effetti dei CEMP. La stimolazione biofisica ha indotto un aumento dei recettori A2A e A3. Inoltre, i CEMP inibiscono il rilascio di prostaglandina E2, IL-6 e IL-8, stimolando invece il rilascio della citochina antinfiammatoria IL-10, tali effetti risultano essere parzialmente mediati dai recettori A2A e A3. Il Capitolo 3 indaga se il glicocalice funzioni da mediatore degli effetti dei CEMP sui fibroblasti BJ-5ta. Dopo l’esposizione ai CEMP, l’analisi dell’ immunofluorescenza ha evidenziato un aumento dell’espressione dei residui di N-acetil-D-glucosamina. Questo dato suggerisce che la stimolazione con questi possa influenzare e interagire con i componenti del glicocalice, potenzialmente alterandone la struttura o la funzione. Tuttavia, il trattamento combinato con sialidasi e CEMP non ha influenzato in modo significativo l’elasticità cellulare. Infine, l’esposizione ai CEMP ha determinato una significativa riduzione dei livelli di IL-6 nei fibroblasti BJ-5ta, in linea con studi precedenti. Tuttavia, la desialilazione del glicocalice non ha modificato il loro effetto sul rilascio di IL-6 indotto da TNF-α.