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Combination of curcumin and catalase protects against chondrocyte injury and knee osteoarthritis progression by suppressing oxidative stress - 11/11/23

Doi : 10.1016/j.biopha.2023.115751 
Bohao Chen a, b, 1, Qi He a, b, c, 1, Chuyi Chen a, b, Yuewei Lin a, b, Jiacong Xiao a, b, Zhaofeng Pan a, b, Miao Li a, b, Shaocong Li a, b, Junzheng Yang a, b, FanChen Wang a, b, Jiaxu Zeng a, b, Yanzi Yi a, d, Weijin Chi a, b, Kai Meng e, , Haibin Wang f, , Peng Chen f,
a 1st School of Medicine, Guangzhou University of Chinese Medicine, 12 Jichang Road, Baiyun Area, Guangzhou 510405, PR China 
b The Laboratory of Orthopaedics and Traumatology of Lingnan Medical Research Center, Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou 510405, PR China 
c Department of Orthopaedic Surgery, Perelman School of Medicine, University of Pennsylvania, Philadelphia, PA, USA 
d The Third Affiliated Medical College of Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou University of Chinese Medicine, Guangzhou 510405, PR China 
e Department of Orthopaedics Affiliated Hospital of Shandong University of Traditional Chinese Medicine, Jinan 250014, PR China 
f Department of Orthopaedics, First Affiliated Hospital, Guangzhou University of Chinese Medicine, 12 Jichang Road, Baiyun Area, Guangzhou 510405, PR China 

Correspondence to: 12 Jichang Road, Baiyun Area, Guangzhou, PR China.12 Jichang Road, Baiyun AreaGuangzhouPR China

Abstract

Knee Osteoarthritis (KOA) is an age-related progressive degenerative joint disease, which is featured with pain, joint deformity, and disability. Accumulating evidence indicated oxidative stress plays a crucial role in the occurrence and development of KOA. Curcumin is a polyphenolic compound with significant antioxidant activity among various diseases while catalase (CAT) is an enzyme degrading hydrogen peroxide in treating oxidative diseases. We previously showed that the expression of CAT was low in cartilage. However, the combination of curcumin and CAT in KOA is still elusive. In this study, we demonstrated that the combination of curcumin and CAT has the potential to inhibit the IL1β-induced chondrocyte apoptosis without cytotoxicity in vitro. Mechanistically, we found that the synergistic application curcumin and CAT not only promotes curcumin's regulation of the NRF2/HO-1 signaling pathway to enhance antioxidant enzyme expression to remove superoxide radicals, but also CAT can further remove downstream hydrogen peroxide which enhances the ability to scavenge reactive oxygen species (ROS). In vivo, studies revealed that combination of curcumin and catalase could better inhibit oxidative stress-induced chondrocyte injury by promoting the expression of ROS scavenging enzymes. In sum, the combination of curcumin and catalase can be used to treat KOA. Thus, combination of curcumin and catalase may act as a novel therapeutic agent to manage KOA and our research gives a rationale for their combined use in the therapeutic of KOA.

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Graphical Abstract




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Highlights

CUR potentiates the expression of SOD through the mediation of Nrf2.
CAT mitigates oxidative stress-induced chondrocyte damage and KOA, primarily by neutralizing hydrogen peroxide.
The synergistic application of CUR and CAT more effectively inhibits IL-1β-induced chondrocyte apoptosis and protects against osteoarthritis.

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Abbreviations : ACLT, BSA, BV/TV, CAT, CCK8, CUR, ECM, FBS, H2O2, HO-1, IFA, IL-1β, KOA, LPO, Micro-CT, MitoSOX, Nrf2, OD, OS, PFA, PVDF, ROS, SOD, Tb. N, Tb.Sp, Tb.Th, WB, ∆Ψm

Keywords : Curcumin, Catalase, Reactive oxygen species, Nrf2/HO-1 signaling pathway


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Vol 168

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