Interaktion von Heparansulfat und Integrin Signalen in der Homöostase des artikulären Knorpels

• Antragstellerin: Professorin Dr. Andrea Vortkamp
• Fachliche Zuordnung: Orthopädie, Unfallchirurgie, rekonstruktive Chirurgie
• Förderung: Förderung seit 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 277277765

Heparansulfat (HS) tragende Proteoglykane sind wichtige Bestandteile des artikulären Knorpels (AK). HS-Ketten binden sezernierte Proteine wie Signalfaktoren, Cytokine und Proteasen deren Verteilung, Aktivität und Rezeptorbindung sie regulieren. Die Spezifität dieser Wechselwirkungen wird durch das Muster und den Grad der Sulfatierung bestimmt. Während der ersten Förderperiode zeigten wir, dass Mäuse mit Klonen HS-defizienter Zellen im AK und Tiere mit einer verringerten Ndst1-abhängigen Sulfatierung verringerte OA-Progression im Alter und nach Transsektion des anterioren Kreuzbands (ACLT) zeigen. Wir fanden einen verminderten Aggrecan-Abbau durch AdamTS- und Mmp-Proteasen und eine verminderte Aktivität von Mmp2. Biochemische Analysen der relativen Zusammensetzung von HS und Chondroitinsulfat (CS) in Mutanten mit verringertem HS-Gehalt (Ext1gt/gt) oder fehlender 2-O-Sulfatierung (Hs2st1-/-) ergab, dass eine veränderte HS-Struktur zu einer vermehrten Produktion von CS und einer geringeren Knorpelsteife (SP1) führt. Um den Einfluss spezifischer Veränderungen der HS-Struktur auf die OA Progression zu ermitteln, haben wir den medialen Meniskus in Hs2st1-/- Mutanten und in Tieren mit fehelender HS-Epimerisierung (Glce-/-) destabilisiert (DMM). Hier konnten wir keinen verstärkenden Effekt nachweisen, konnten jedoch aufgrund der milden durch DMM induzierten OA einen schützenden Effekt nicht beurteilen.Um einen potenziellen Schutzeffekt zu identifizieren, planen wir nun, OA in Hs2st1-Mutanten durch die harschere ACLT-Methode zu induzieren (WP1). Um einen umfassenden Einblick in den Einfluss der HS-Struktur auf die Homöostase des Gelenkknorpels zu erhalten, werden wir die begonnene, systematische Analyse der GAG-Zusammensetzung (RPIP-HPLC), der Knorpelsteife (AFM; SP1) und der subchondralen Knochenstruktur (nCT; SP5) von Ext1-, Ndst1- und Hs2st1-Mutanten vervollständigen (WP4). Ebenso werden wir die Transkriptionsanalyse zur HS-abhängigen, mechanische Stressantwort abschießen (SP3; WP3). Um die Rolle von HS als therapeutisches Target zu evaluieren, planen wir den Effekt des HS-Inhibitors Surfen auf die Knorpeldegeneration in Knorpelexplantaten und in ACLT-operierten Mäusen zu untersuchen (WP2). Wir werden die Knorpeldegeneration, den OA-Verlauf, die Osteozytenzahl (SP4) und die Immunreaktion des Synoviums (SP6) analysieren. Um die Rolle von Integrin-Signalen in der Erkennung der veränderten HS-Struktur zu untersuchen, werden wir die Zellen mit Surfen behandeln und vorläufige Ergebnisse zur Veränderung des Aktin-Zytoskeletts, der fokalen Adhäsion und der Zellmigration verifizieren (WP5). Die Epistase der beiden Systeme wird durch gleichzeitige Manipulation des Integrinsignalwegs ermittelt und die Ergebnisse in primären, HS-defizienten Zellen bestätigt. Signalwege, die durch ein veränderte Cytoskelett- (YAP) oder HS-Mangel (Bmp/Smad, Ihh, Wnt) aktiviert werden, werden hinsichtlich ihrer Funktion in der Regulation der HS abhängigen Genexpression untersucht.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 2407: Erforschung der Degeneration und Regeneration von artikulären Knorpel und subchondralen Knochen in der Osteoarthrose (ExCarBon)
• Mitverantwortliche: Professor Dr. Daniel Hoffmann, Ph.D.; Professorin Dr. Perihan Nalbant, Ph.D.