Aufklärung der Signalgebung bei der osteogenen bzw. adipogenen Reprogrammierung - Schaltstellen für Knochenaufbau bzw. Fettabbau im Skelett
Final Report Abstract
Wegen der höheren Lebenserwartung der heutigen Bevölkerung spielt die Prävention und Behandlung von altersassoziierten Erkrankungen wie Osteoporose ‒ dem sog. Knochenschwund, der mit einem erhöhtem Frakturrisiko einher geht ‒ eine große Rolle. Die Knochen aufbauenden Osteoblasten entwickeln sich aus Vorläuferzellen, den sog. Knochenmark-Stromazellen, die auch Ursprung weiterer Gewebezellen sind, z.B. der Fettzellen (Adipozyten). Die Differenzierung von Knochen- und Fettzellen aus den gemeinsamen Vorläufern steht in direkter Konkurrenz zueinander und resultiert im Alter in einer vermehrten Fettbildung im Knochenmark zu Lasten der Knochenzellbildung (Osteogenese). Voruntersuchungen in unserem Labor ergaben Hinweise darauf, dass bestimmte Faktoren wesentlich für die Differenzierung von und sogar für die Umprogrammierung zwischen Fett- und Knochenzellen sind. Die Osteogenese zu fördern und gleichzeitig Fettbildung (Adipogenese) im Knochenmark zu verhindern, könnte zu einer verbesserten Osteoporose-Therapie führen, die sich derzeit hauptsächlich auf die Hemmung der Knochen abbauenden Zellen (Osteoklasten) konzentriert. In unseren Versuchen mit humanen Knochenmark-Stromazellen in 2D- und 3D-Zellkulturmodellen zeigten die Wachstumsfaktoren fibroblast growth factor 1 und 2 (FGF1, FGF2) eine inhibierende Wirkung auf die Adipogenese und hemmten gleichzeitig ‒ anders als aus unseren Vorversuchen erhofft ‒ die osteogene Mineralisierung der Knochenmatrix. Die mit FGF behandelten Zellen verweilten trotz osteogener Induktion in einem unreifen aber dennoch multipotenten Ruhestadium. Das FGF-Signal wurde dabei über FGF-Rezeptor 1 (FGFR1) und Extracellular Signal-Regulated Kinases 1 und 2 (ERK1/2) weiter geleitet und verschlechterte den Knochenumbau bzw. -aufbau durch verminderte Kalkeinlagerung in die Knochenmatrix. Der in unseren Experimenten verwendete FGF-Kofaktor Heparin wurde, wenn er als Gerinnungshemmer zur langfristigen Vorbeugung von Thrombosen und Embolien eingesetzt wurde, in einem Drittel der Patienten mit verringerter Knochendichte und manchmal sogar mit Osteoporose in Verbindung gebracht. Während Heparin, das üblicherweise zur Steigerung der biologischen Aktivität von FGF1 eingesetzt wird, auch in unseren Versuchen die hemmende Wirkung von FGF auf die Differenzierung von Knochenmark-Stromazellen steigerte, hatte die ausschließliche Gabe von Heparin eine andere Wirkung. Heparin förderte die Osteogenese, wobei die Aktivierung des bone morphogenetic protein 4 (BMP4)-Signalwegs letztlich die Knochenmineralisierung steigerte. Diese den Knochenaufbau unterstützende Wirkung entfaltete sich selbst bei der Umprogrammierung (Konversion) von Fettzellvorläufern zu Knochenzellen. Im Gegensatz dazu wurde die Fettzell-Differenzierung durch Heparin gehemmt. Diese Ergebnisse zeigten, dass der direkte Einfluss von Heparin auf Knochenmark-Stromazellen nicht (allein) für die klinisch beschriebene Verringerung der Knochendichte verantwortlich ist, sondern möglicherweise auch die Interaktion mit Osteoklasten eine Rolle spielt. Auch wenn unsere Ergebnisse einer direkten Behandlung mit FGF bei Osteoporose für die Förderung der Knochenbildung bei gleichzeitiger Hemmung der Adipogenese widerversprechen, besteht eine Anwendungsperspektive im Tissue Engineering. Ein zweiphasiger, konsekutiver Prozess könnte in vitro zur Anreicherung von noch nicht festgelegten, jedoch für die Osteogenese-Induktion hochempfänglichen Vorläuferzellen durch FGF und deren anschließende effiziente Knochenzell-Differenzierung mittels Heparin genutzt werden und verbesserte Konstrukte für den Knochenersatz liefern.
Publications
- (2015). Fibroblast growth factors 1 and 2 inhibit adipogenesis of human bone marrow stromal cells in 3D collagen gels. Exp. Cell Res. 338, 136–148
Le Blanc, S., Simann, M., Jakob, F., Schütze, N., and Schilling, T.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.yexcr.2015.09.009) - (2015). Heparin affects human bone marrow stromal cell fate: Promoting osteogenic and reducing adipogenic differentiation and conversion. Bone 78, 102–113
Simann, M., Schneider, V., Le Blanc, S., Dotterweich, J., Zehe, V., Krug, M., Jakob, F., Schilling, T., and Schütze, N.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.bone.2015.04.039) - (2016). Canonical FGFs Prevent Osteogenic Lineage Commitment and Differentiation of Human Bone Marrow Stromal Cells Via ERK1/2 Signaling. J. Cell. Biochem. 9999:1–13
Simann, M., Le Blanc, S., Schneider, V., Zehe, V., Lüdemann, M., Schütze, N., Jakob, F., and Schilling, T.
(See online at https://doi.org/10.1002/jcb.25631)
