Investigation of developmental mechanisms and establishment of treatment strategies: 3D morphometric analysis of midface anomalies in a mouse model of Apert syndrome

Abstract

Apert syndrome, caused by activating mutation in the FGFR2 gene commonly presents craniosynostosis, midface hypoplasia and respiratory problems. Unfortunately, the pathological mechanism and intrinsic contributing factor still remain unclear, and there is no cure but serial surgical treatment in the earliest stage of the patients life. In this study, we analyzed the causal factors of midface hypoplasia in Apert syndrome mouse model with three-dimensional morphometric analysis and histological assessment. Moreover, we suggested the therapeutic and surgical target for Apert syndrome treatment. We used Fgfr2S252W/+ mice as a mouse model of Apert syndrome. In part 1, we found the premature fusion of anterior facial bones is the main contributing factor toward the anterior-posterior skull length shortening. The facial anomalies are closely related to the abnormal cranial base growth, which could possibly induce the airway obstruction. The inhibition of Peptidyl-prolyl cis-trans isomerase NIMA-interacting 1 (PIN1), a downstream signaling enzyme of FGF/FGFR signaling, via genetic knockdown or use of a PIN1 inhibitor, juglone, attenuated the facial deformities in mouse model. In part 2, we applied chondrocyte-specific Fgfr2S252W mutation in mice (Col2a1-cre; Fgfr2S252W/+) to examine the effect of cartilaginous component in the midface hypoplasia. These mice showed normal skull shape at birth, however, hypoplastic phenotypes were progressively evident. Especially, abnormal growth of nasal bone, vomer and ethmoid bone was notably presented, suggesting the involvement of altered nasal septal cartilage in the midface hypoplasia. Fgfr2S252W mutation on the septum chondrocytes accelerated hypertrophy and enlarged cellular size, finally, thickened and altered septal cartilage shape caused facial deformities. In this study, we provided the pathological mechanisms for midface hypoplasia in Apert syndrome by detailed three-dimensional morphometric and histological analysis. Furthermore, we suggested targeting PIN1 and surgical correction of abnormal nasal septal cartilage as a treatment strategy for Apert syndrome patients. We expect these multidimensional observations and analyses on the mouse model of Apert syndrome could help the patients with syndromic craniosynostosis to reduce the risk of surgical process and have better prognosis.

주로 FGFR2 돌연변이에 의한 FGF/FGFR 신호 증가로 인해 발생하는 에이퍼트 증후군 (Apert syndrome)은 대표적으로 두개골 조기 유합증 (craniosynostosis)과 중안모 저성장 (midface hypoplasia), 그로 인한 호흡 곤란 등의 증상을 나타낸다. 하지만 현재로서는 중안모 저성장의 정확한 발병 기전을 알지 못하며, 어린 시기부터 여러 차례에 걸친 수술 이외에는 치료 방법이 없는 실정이다. 본 연구에서는 에이퍼트 증후군의 마우스 모델 (Fgfr2S252W/+)을 사용하여, 3차원 형태 분석과 조직학적 분석을 통해 중안모 저성장을 일으키는 주요 원인을 파악하고자 한다. 또한 증상의 예방과 치료를 위한 약물 타겟 및 적절한 수술 방법을 제시하고자 한다. Part 1에서는, Micro-CT로 촬영한 에이퍼트 마우스 두개안면부의 3차원적 형태 분석을 통해, 안면부를 구성하는 여러 봉합 (suture)의 조기 유합으로 인한 안면부의 길이 감소 및 형태 이상이 가장 두드러지게 나타나는 것을 확인하였다. 이러한 형태 변화는 두개저 (cranial base)의 휘어짐 현상과 밀접하게 연관되어 있으며, 이는 에이퍼트 증후군에서 나타나는 호흡 문제를 직접적으로 야기할 수 있는 요인으로 생각된다. 또한, FGF/FGFR 신호 전달 효소인 PIN1 (Peptidyl-prolyl cis-trans isomerase NIMA-interacting 1)을 유전적 또는 약물학적으로 억제하여 에이퍼트 증후군 마우스 모델에서 나타나는 중안모 증상들이 호전되는 결과를 확인하였다. Part 2에서는, 연골 특이적으로 FGFR2 돌연변이를 발현하는 마우스 모델을 사용하여 안면부를 구성하는 연골 조직의 성장 변화 및 중안모 발달에 미치는 영향을 살펴보고자 하였다. 해당 마우스에서는 관상 봉합 (coronal suture) 및 안면부를 구성하는 봉합의 조기 유합이 나타나지 않았지만, 여전히 중안모 성장 저하 증상이 나타났고, 특히, 비근점 (nasion)이 위로 솟아 오르는 현상, 앞위턱뼈 (premaxilla)와 보습뼈 (vomer) 사이의 유합, 벌집뼈 (ethmoid bone)의 형성 감소, 코뼈 휘어짐 증상이 두드러지게 나타났다. 해부학적으로 이들 골 조직은 비중격 연골 (nasal septal cartilage)을 중심으로 연결되어 있는데, 비중격 연골의 3차원 형태학적 분석을 통해 연골의 두께가 두꺼워지고 형태가 변형되어 비중격 만곡 (septal deviation)이 나타나는 것을 확인하였다. 이러한 비중격 연골의 두께 및 높이 증가는 연골을 구성하는 연골 세포의 비대 (hypertrophy) 증가로 인한 것으로 나타났다. 결과적으로, FGFR2 돌연변이에 의한 비중격 연골의 두께 증가 및 형태 변화는 안면부의 성장 저하를 일으키는 중심적인 역할을 하는 것으로 보인다. 본 연구에서는 다각적이고 자세한 3차원 형태 분석을 통해 에이퍼트 증후군의 마우스 모델에서 나타나는 중안모 저성장의 발병 기전을 분석하였다. 중안모 저성장의 주요 원인으로써, 안면을 구성하는 여러 봉합의 조기 유합과 두개저의 형태 변화, 그리고 비중격 연골 형태 변화를 제시하였고, 에이퍼트 증후군의 중안모 성장 저하 수술 과정에서의 적절한 수술 방법 전략을 제시할 수 있었다. 더불어, PIN1 억제로 인한 안면부 봉합의 조기 유합 증상 완화 효과를 보여줌으로써 에이퍼트 증후군의 약물 치료 타겟을 제시하였다. 따라서, 에이퍼트 증후군에서 나타나는 증상들을 다방면으로 분석한 본 연구의 결과가 에이퍼트 증후군의 증상 예방 및 완화, 중안모 성장 저하의 적절한 치료 방법과 시기를 결정하는데 응용 될 수 있을 것으로 기대한다.