Podcasts about osteoklasten

In Episode 12 diskutieren Dr. Leo Rasche und der Osteologe Dr. Lothar Seefried (Uniklinik Würzburg) über die häufig mit dem Multiplen Myelom einhergehende Knochenerkrankung. Erfahren Sie mehr darüber, wie die Löcher (Läsionen) in den Knochen kommen und mit welchen Therapien man dem Abbau entgegenwirken kann. Jetzt reinhören!MAT-DE-2301305 v1.0 04/2023

Hintergrund: Hyaluronan (HA) ist ein wichtiger Bestandteil von vielen Geweben und Flüssigkeiten des Körpers. HA beeinflusst die Makro- und Mikroumgebung und kann direkt über Rezeptoren wie CD44 (cluster of differentiation 44) und RHAMM (receptor for HA mediated motility) mit den Zellen wechselwirken. Dadurch hat HA Einfluss auf die Aktivierung, Migration und Proliferation von Zellen sowie auf den Umbau der extrazellulären Matrix. HA kann das Verhalten der Osteoblasten, Osteozyten und Osteoklasten beeinflussen und ist somit ein wichtiger Faktor sowohl für die gesunde Knochenhomöostase als auch für die Frakturheilung. Hyaluronansynthasen (HAS) sind komplexe Membranproteine, die für die Synthese von HA verantwortlich sind. Bei Säugetieren sind drei Isoformen bekannt: HAS1, HAS2 und HAS3. Sie zeigen eine hohe Homologie in ihrer Sequenz und Struktur, unterscheiden sich aber in Stabilität, Syntheserate und Länge des HA. Der genaue Regulierungsmechanismus der HAS ist noch nicht bekannt. Bisher wurde über eine Regulation durch externe Signalmoleküle, Ubiquitinierung oder Phosphorylierung berichtet. In der vorliegenden Arbeit wurde ein Modellsystem zur Untersuchung der Regulation der Aktivität der HAS aufgebaut. Mit diesem sollte die Interaktion der HAS mit dem Aktinzytoskelett als möglicher Regulationsmechanismus untersucht werden. Methoden: Zu diesem Zweck wurden drei Zelllinien hergestellt. Zum einen hTERT immortalisierte hMSCs (human mesenchymal stem cells), die sogenannten SCP1, welche jeweils eine der HAS-Isoformen, fusioniert mit einem eGFP-Tag, stabil exprimieren. Des Weiteren SCP1, die Lifeact-mRFPruby exprimieren, welches F-Aktin fluoreszenzmarkiert. Schließlich doppeltransduzierte hMSCs, welche sowohl HAS-eGFP als auch Lifeact-mRFPruby exprimieren. Als Gentransfersystem wurden Lentiviren eingesetzt. Zuerst wurden die Zellen hinsichtlich der stabilen und funktionellen Expression ihres Transgens anhand verschiedener Methoden untersucht. Mittels Immunfluoreszenzmikroskopie wurde eine Kolokalisation von Aktin und HAS dargestellt. In fluoreszenzmikroskopischen Timelapse-Aufnahmen wurden die Bewegungsmuster der HAS beobachtet. Ergebnisse: Mittels RT-PCR, Western Blot und Fluoreszenzmikroskopie wurde nachgewiesen, dass die Zelllinien SCP1-HAS1-eGFP D6, SCP1-HAS2-eGFP und SCP1-HAS3-eGFP E6 alle ihr jeweiliges HAS-eGFP-Gen stabil exprimieren. Die Funktionalität der HAS-eGFP wurde mit einem HA-spezifischen ELISA und mit einem selbst etablierten Aktivitätsassay untersucht, welcher das HA durch den biotinylierten HA-Bindekomplex (bHABC) färbt. Im ELISA zeigten alle Zelllinien eine statistisch signifikant höhere Hyaluronanproduktion als die Negativkontrolle. Die HAS3-überexprimierende Zelllinie erzielte von allen die höchste HA-Konzentration. In der Färbung mit bHABC war deutlich zu erkennen, dass diejenigen Zelllinien, in denen eine der HAS-eGFP-Isoformen überexprimiert wurde, eine stärkere Braunfärbung zeigten als Zellen der Negativkontrolle. Für den Nachweis, dass die HAS-eGFP in der Membran lokalisiert sind, wurden Immunfluoreszenzfärbungen gegen den Oberflächenmarker CD44 durchgeführt. Die fluoreszenzmikroskopischen Aufnahmen zeigten an Stellen, die durch die CD44-Färbung eindeutig als Membran zu erkennen sind, ebenfalls ein Signal für die HAS-eGFP. Dies bedeutet, dass die drei Isoformen der HAS-eGFP dort in der Zellmembran integriert vorlagen. Um eine Kolokalisation der HAS-eGFP mit dem Aktinzytoskelett darstellen zu können, erfolgte außerdem eine Färbung des Aktins mit Phalloidin. Bei allen Zelllinien konnte an ausgewählten Stellen eine solche Kolokalisation gesehen werden. Die hMSC-Lifeact-mRFPruby-Zellen wurden lebendig und fixiert im Fluoreszenzmikroskop betrachtet. Sie lieferten eine gute Darstellung des Zytoskeletts mit Stressfasern im Zellkörper und Aktinfilamenten im Zellcortex. Auffallend war, dass in den lebenden Zellen kurze Aktinfilamente zu sehen waren, die sich bei den fixierten Zellen nicht beobachten ließen. Um eine Interaktion zwischen den HAS-eGFP und dem Aktinzytoskelett in lebenden Zellen untersuchen zu können, wurden von den doppeltransduzierten hMSCs Timelapse-Aufnahmen angefertigt. Darin stellten sich die grün fluoreszierenden HAS-eGFP als globuläre Strukturen dar, die entlang der Aktinfilamente angeordnet waren und sich auch entlang dieser bewegten. Schlussfolgerung: Mit diesen Zellen wurde ein Modellsystem geschaffen, mit welchem eine Regulation der HAS über die Interaktion mit dem Zytoskelett untersucht werden kann. Genaueres Wissen über diesen Mechanismus kann für zukünftige Therapieansätze bei Frakturen und bei Knochenerkrankungen, wie z.B. der Osteoporose, richtungsweisend werden.

Das autosomal-dominante Hyper-IgE-Syndrom (AD-HIES) gehört zu den angeborenen Immundefekten und wird durch Ekzem, erhöhtes Serum-IgE, Eosinophilie, rezidivierende Abszesse und Lungeninfektionen sowie assoziierte Skelett- und Bindegewebssymptome charakterisiert. Durch die Assoziation von Mutationen im Gen STAT3 bei Patienten mit AD-HIES gelang es 2007 die ätiologische Ursache dieses Krankheitsbildes aufzuklären, wodurch die Diagnose heute molekulargenetisch bestätigt werden kann (Holland et al. 2007; Minegishi et al. 2007). Ziel der vorgelegten Arbeit war es, den klassischen AD-HIES-Phänotyp mit dem STAT3-Genotyp zu korrelieren und die bestmöglichen Kriterien zu definieren, die Patienten mit STAT3-HIES charakterisieren und eine Abgrenzung zu ähnlichen Erkrankungen (z.B. atopische Dermatitis) sowie eine frühzeitige Diagnose ermöglichen. Hierfür wurden 78 Patienten mit unterschiedlich ausgeprägtem HIES-Phänotyp auf eine Mutation in STAT3 untersucht. Der Phänotyp der Patienten wurde anhand des NIH-Scores quantitativ beurteilt, der die Wahrscheinlichkeit für ein HIES bestimmt (≥40 Punkte entsprechen der klinischen Diagnose HIES) (Grimbacher et al. 1999b). Bei 48 der untersuchten Patienten konnte eine heterozygote Mutation in STAT3 identifiziert werden. Es handelte sich um 24 verschiedene Mutationen, darunter 19 Erstbeschreibungen, die in drei funktionellen Domänen des STAT3 Proteins auftraten. Alle Mutationen erlauben die Expression eines veränderten STAT3 Proteins, das einen dominant-negativen Effekt auf die STAT3 Funktion ausübt (Minegishi et al. 2007; Renner et al. 2008). 96% der Patienten mit STAT3 Mutation (STAT3-mut Patienten) hatten ≥40 Punkte im NIH-Score und dementsprechend die klinisch-gesicherte Diagnose eines HIES. Bei 30 Patienten wurde auf genomischer DNA-Ebene keine Mutation in STAT3 gefunden (STAT3-wt Patienten); 90% gehörten der Gruppe der „Verdacht auf HIES“-Patienten an (85% Spezifität): Organabszesse, schwere Infektionen (Sepsis, Meningitis, Osteomyelitis), Pneumatozelen, Frakturen ohne adäquates Trauma, Skoliose und Nagel/mukokutane Candidiasis. Funktionell spielt STAT3 eine wichtige Rolle bei der Differenzierung von IL-17 produzierenden CD4+-T-Zellen (TH17-Zellen), die bei der Abwehr von extrazellulären Bakterien und Pilzen beteiligt sind (Yang et al. 2007; Ochs et al. 2009). Diese Arbeit konnte bestätigen, dass STAT3-mut Patienten signifikant erniedrigte TH17-Zellen im Vergleich zu STAT3-wt Patienten und normalen Kontrollen haben. Zum einen kann hiermit die Abwehrschwäche gegenüber Staphylococcus aureus und Candida albicans erklärt werden, zum anderen stellen die TH17-Zellen einen sehr sensitiven und spezifischen diagnostischen Marker für ein STAT3-HIES dar. Aus der Literatur ist außerdem bekannt, dass STAT3-Signalwege eine wichtige Rolle bei der Differenzierung von Osteoblasten und Osteoklasten spielen, und für die Aufrechterhaltung der Knochenhomöostase von Bedeutung sind (O'Brien et al. 1999; Itoh et al. 2006). Daraus ergibt sich eine mögliche Erklärung für die Skelett- und Bindegewebsanomalien bei STAT3-HIES Patienten, die aufgrund einer verminderten STAT3-Proteinfunktion entstehen können. Basierend auf den klinischen und immunologischen Korrelationsanalysen wurde der NIH-Score in den vereinfachten 5-Punkt-Score weiter entwickelt, der keine qualitative Wertung der Ausprägung und Häufigkeit der Symptome enthält (vergl. Tabelle 12). Die retrospektive Erhebung des 5-Punkt-Scores erzielte in dieser Studie eine vergleichbar hohe Korrelationsrate wie der NIH-Score (vergl. Tabelle 13). Zusammen mit der TH17-Zellzahlbestimmung stellt der 5-Punkt-Score ein diagnostisches Hilfsmittel für STAT3-HIES dar, ohne dem NIH-Score überlegen zu sein. Die Erkenntnisse dieser Studie liefern einen wichtigen Beitrag zur klinisch-genetischen Definition des STAT3-assoziierten HIES und stellen wesentliche Kriterien, die zur Diagnosefindung und Abgrenzung klinisch ähnlicher Erkrankungen führen, dar. Durch eine frühzeitige Diagnosestellung wird schließlich die Einleitung einer adäquaten Therapie ermöglicht, durch die Komplikationen vermieden und die Lebensqualität sowie Prognose der Patienten deutlich verbessert werden können. Weitere Untersuchungen von Zusammenhängen zwischen STAT3-Mutationen, der STAT3-Proteinfunktion und der Entstehung der einzelnen Symptome können in Zukunft neue Therapieansätze generieren und wichtige Erkenntnisse über die Entstehung von eigenständigen Erkrankungen wie der Osteoporose, der idiopathischen Skoliose oder Erkrankungen aus dem atopischen Formenkreis liefern.

Podosomen sind aktinreiche Adhäsionsstrukturen, die vor allem in monozytären Zellen, aber auch in dendritischen Zellen, Osteoklasten, Endothelzellen oder glatten Muskelzel-len vorkommen. In primären humanen Makrophagen gibt es zwei Subpopulationen von Podosomen: größere, hochdynamische Precursor in der Peripherie sowie kleinere, sta-bilere Podosomen im Zellzentrum. Die Regulation der Podosomendynamik in der Zell-peripherie erfolgt durch das Mikrotubuli-basierte Motorprotein KIF1C, wahrscheinlich durch den Transport von Regulationsfaktoren. Ein Schwerpunkt der vorliegenden Ar-beit lag daher in der Identifizierung dieser Regulatoren. • Die Aufreinigung KIF1C-GFP positiver Vesikel mittels FACS ist grundsätzlich funk-tionell. Die Analyse zahlreicher Vesikel-assoziierter Proteine spricht weiter für die Hypothese, dass es sich bei der von KIF1C transportierten Fracht um vesikuläre Struk-turen handelt. Die Detektion zahlreicher unspezifischer Proteine zeigt jedoch auch, dass die Methode der Aufreinigung zukünftig noch verbessert werden muss. • RabGTPasen, die auch am Transport von Vesikeln beteiligt sind, haben oftmals eine ähnliche subzelluläre Lokalisation wie KIF1C. Vor allem zwischen Rab6a und KIF1C war ein häufiger und länger dauernder Kontakt in der Zellperipherie zu beobachten. Mittels GFP-Immunpräzipitation konnte eine Interaktion bestätigt werden. • Auf der Suche nach weiteren potentiellen Interaktionspartnern von KIF1C wurde das Protein HAX1 identifiziert. Sowohl in fixierten als auch in lebenden primären humanen Makrophagen konnte eine eindeutige Kolokalisation der Proteine in der Zellperipherie beobachtet werden. Bei Einsatz der Rigormutante von KIF1C (KIF1C-K103A) akku-mulierten beide Proteine am MTOC. Diese Ergebnisse lassen auf eine Interaktion zwi-schen KIF1C und HAX1 schließen. Das Motorprotein KIF9 lokalisiert vor allem an den stabileren Podosomen im Zentrum der Zelle. Bei der Ermittlung der Rolle von KIF9 hinsichtlich der Regulation dieser Po-dosomensubpopulation wurden folgende Erkenntnisse gewonnen: • Knock-down von KIF9 reduziert die Anzahl der Podosomen und inhibiert bei noch bestehenden Podosomen den Abbau extrazellulärer Matrix. Für KIF9 konnte demnach nicht nur eine Beteiligung an der Podosomenregulation sondern auch eine Rolle im Matrixabbau zugewiesen werden. • KIF9-GFP positive Vesikel assoziieren mit Mikrotubuli und kontaktieren mehrere Podosomen nacheinander. Dies spricht für eine direkte Verbindung von KIF9-vermitteltem, mikrotubuli-basiertem Transport mit Podosomen, die durch KIF9 regu-liert werden. • Durch Immunpräzipitationsversuche wurden Hinweise gefunden, dass KIF9 mögli-cherweise in unterschiedlichen Spleißvarianten oder verschieden phosphorylierten Zu-ständen existiert. • Als Interaktionspartner für KIF9 konnte Reggie-1 identifiziert werden. Durch knock-down von Reggie-1 und auch Reggie-2 konnte diesen Proteinen eine Beteiligung am Abbau extrazellulärer Matrix zugeschrieben werden. Die Teilung der Podosomen-Precursor sowie Auflösung der regulären Podosomen sind grundlegende Vorgänge. Unterschiede in der molekularen Zusammensetzung der Podo-somen-Subpopulationen waren bisher allerdings unbekannt. • Supervillin konnte als erstes Protein identifiziert werden, das differentiell an die unter-schiedlichen Subpopulationen lokalisiert. Dies zeigt zum ersten Mal eine unterschiedli-che molekulare Zusammensetzung der Podosomen-Subpopulationen. • Podosomen reichern Supervillin an, bevor diese sich auflösen. Überexpression von GFP-Supervillin führte außerdem zu einem Verlust von Podosomen, wohingegen shRNA-basierter knock-down die Lebensdauer verlängerte. Supervillin scheint somit eine Rolle in der Regulation von Podosomen zu spielen. • Die Myosin IIA-Bindedomäne ist sowohl für die Anzahl der Podosomen als auch für die differentielle Rekrutierung an die unterschiedlichen Subpopulationen essentiell. • Supervillin steht mit Myosin IIA und der phosphorylierten leichten Kette von Myosin in Verbindung und koppelt kontraktiles Myosin an Podosomen, was deren Auflösung auslöst. • Durch siRNA-basierten knock-down konnte gezeigt werden, dass Supervillin erst zu-sammen mit Myosin IIA und/oder Gelsolin die Effektivität der Podosomen hinsichtlich Matrixabbau beeinflusst. Die Podosomenanzahl hingegen war nicht verändert.

Ziel dieser Studie war es, am Tiermodell Minipig eine eventuelle Zyklusabhängigkeit des Knochenstoffwechsels zu zeigen und im weiteren Verlauf der Studie die Auswirkung der Ovariohysterektomie bei diesem Großtiermodell auf den Knochenstoffwechsel anhand von ausgewählten Knochenmarkern zu untersuchen. Die Bestimmung von biochemischen Knochenmarkern hat sich als Osteoporose-Monitoring zur Analyse des Knochenstoffwechsels weit verbreitet. Bei Frauen konnte in diesem Zusammenhang eine Abhängigkeit vom Zyklus nachgewiesen werden. Für diese Untersuchung wurden 16 weibliche intakte Minipigs nach Gewicht randomisiert in drei Versuchsgruppen eingeteilt. Alle Tiere erhielten ein bedarfsgerechtes Futtermittel, wobei der Calciumgehalt in zwei Gruppen 0,69% und in der dritten Gruppe 0,9% betrug. Die Tiere einer Gruppe wurden nach 65 Wochen ovariohysterektomiert (OHX) und noch weitere 8 Wochen betrachtet. Während des gesamten Versuchszeitraums wurden zu verschiedenen Zeitpunkten Blutproben entnommen. In diesen Proben wurden zur Kontrolle des Zyklusstands die Hormone Progesteron und Östradiol und zur Beurteilung des Knochenstoffwechsels die Marker Knochenspezifische Alkalische Phosphatase (BAP) und Pyridinolin (PYD) bestimmt. Die Entwicklung der Knochenmarker BAP und PYD zeigte vor Ovariohysterektomie einen Zusammenhang mit dem altersbedingten Wachstum, wobei bei Pyridinolin ein starker Effekt im Zusammenhang mit der Calciumreduktion zu beobachten war. Dies kann auf einen Anstieg von Parathormon und Calcitriol bei gleichzeitiger Aktivierung der Osteoklasten zurückzuführen sein. Ein eindeutiger Zusammenhang zwischen Zyklus und Knochenstoffwechsel konnte nicht belegt werden. Es ist zu überlegen, ob dieser Zusammenhang eventuell in einem Versuch mit größerer Tierzahl und häufigeren Blutentnahmen über einen längeren Zeitraum gezeigt werden könnte. Nach Ovariohysterektomie konnte der high turnover des Knochenstoffwechsels in einem deutlichen Anstieg der BAP-Konzentration in Woche 4 post OHX gezeigt werden. Bei der Bestimmung von Pyridinolin zeigte sich zu den jeweiligen Probezeitpunkten kein Effekt der OHX. Diese Studie bestätigt den Nutzen des Minipigs als Osteoporosemodell im Hinblick auf die Verwendung des Knochenformationsmarker Knochenspezifische Alkalische Phosphatase, um dynamische Knochenturnovervorgänge darzustellen.