Die Auswirkungen einer mechanischen Beanspruchung auf die Materialeigenschaften, die Struktur und die SOST-Expression/Sclerostin-Level in zellulärem und azellulärem Fischknochen

• Antragsteller: Professor Dr. Paul Zaslansky
• Fachliche Zuordnung: Biochemie und Physiologie der Tiere ; Biomaterialien
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 362748436

Der Werkstoff Knochen ist ein weit verbreitetes, universelles Gewebe, das die Skelette der meisten Wirbeltiere bildet. Zwei Besonderheiten dieses komplexen und hierarchisch aufgebauten Materials sind seine Fähigkeit der Selbstreparatur und Erneuerung (Knochenumbau). Osteozyten sind die am häufigsten vorkommenden Knochenzellen. Sie befinden sich in der Knochenmatrix und sollen eine Schlüsselrolle in der Biologie des Knochens spielen, indem sie als mechanische Dehnungssensoren agieren und Knochenauf- und -umbau regeln. Es ist deshalb überraschend, dass die Knochen der meisten, in der evolutionären Entwicklung höher stehenden Fische, die einen großen Anteil aller Wirbeltiere ausmachen, diese Zellen überhaupt nicht enthalten. Bemerkenswerterweise finden sich demgegenüber in den Knochen der aus evolutionärer Sicht primitiven, basalen Fische Osteozyten, was bedeuten lässt, dass Osteozyten im Laufe der Evolution verloren gegangen sind. Schlussendlich darf man deshalb annehmen, dass der Verlust von Osteozyten irgendeinen funktionellen Vorteil geboten hat. Wie die Knochen aller anderen Wirbeltiere, dienen Fischknochen dem Schutz von Weichgeweben, als Verankerungsstrukturen für Muskeln und Hebel der Lastübertragung. Sie werden deshalb über lange Zeiträume wiederholt mit wechselnden Lasten beansprucht und akkumulieren somit sicherlich auch mikrostrukturelle Schädigungen, so dass ein Bedarf für Auf- und Umbauprozesse besteht. Wie diese sichergestellt werden, obwohl keine Osteozyten vorhanden sind, ist unbekannt.Die Aufklärung der Gründe für den Verlust von Osteozyten in höheren Teleosteeren stellt eine große Herausforderung dar, die weit über den Rahmen dieses Forschungsantrags hinausgeht. Nichtsdestotrotz wird die Erforschung wichtiger Fragestellungen, die sich aus diesem rätselhaften Umstand ergeben, im breiterem Kontext zu unserem Verständnis der Struktur-Funktion-Beziehungen von Knochen beitragen. Unsere Hypothese ist, dass azellulärer Knochen in höheren Teleosteeren (Medaka) und osteozytenhaltiger Knochen in niederen Teleosteeren (Zebrafische) unterschiedliche zelluläre und molekulare Mechanismen besitzen, durch die sie auf Beanspruchungen reagieren. Ein herausragender Unterschied könnte das Fehlen von Sclerostin in azellulären Knochen sein, oder das Sclerostin könnte von einem anderen Zelltyp stammen. Wir nehmen außerdem an, dass die zellulären und azellulären Knochen strukturell verschieden sind, genau wie ihre mechanischen Eigenschaften. Wir erwarten, dass das Verständnis dieser Unterschiede helfen wird, fundamentale und bisher noch nicht gelöste Fragen der Knochenbiologie zu klären. Wir glauben, dass die Untersuchungen, die im vorliegenden Projektantrag beschrieben sind, wesentlich für das Verständnis fundamentaler Mechanismen der Knochenregulation und -anpassung sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Israel
• ausländischer Mitantragsteller: Professor Dr. Ron Shahar