Mechanismen Integrin α2β1 abhängiger Zell-Matrix-Interaktion im Verlauf der Knochenregeneration und Frakturheilung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Projekt zielte darauf ab, die Rolle des Integrins α2β1 und dessen Einfluss auf Zell-Matrix-Interaktionen und die Matrixbildung während der Frakturheilung zu charakterisieren. Es untersucht den Mechanismus der erhöhten Bildung und Anlagerung von Collagen sowie die Expression pro-osteoblastärer Gene bei Ausschalten der Integrin-α2 Expression. Schließlich wird das Potenzial einer Inhibierung von Integrin α2 zur Verbesserung der Frakturheilung erforscht. Charakterisierung der Rolle von Integrin α2: Untersuchungen an Mäusen zu verschiedenen Zeitpunkten der Frakturheilung (7, 14 und 21 Tage) zeigten, dass Integrin-α2-defiziente Tiere eine frühere Mineralisierung des Frakturkallus aufweisen. Histologische Analysen zeigten außerdem, dass sowohl die Bildung als auch der Abbau des knorpeligen Kallus früher bei Integrin-α2-defizienten Tieren stattfinden. Dieses weist auf eine beschleunigte Frakturheilung hin. Mechanismus der Kollagenbildung und Genexpression: Es konnte nachgewiesen werden, dass die frühe Aktivierung des BMP-Signalwegs (Bone Morphogenetic Protein) in Integrin-α2-defizienten Tieren zu einer erhöhten Bildung der extrazellulären Matrix und die Differenzierung von Osteoblasten führt. Diese Erkenntnisse wurden in Zellkulturversuchen reproduziert. Primäre Osteoblasten aus Integrin-α2-defizienten Tieren zeigten eine erhöhte Mineralisierungskompetenz, vermittelt durch einen sekretierten Faktor den wir, wie in der Frakturheilung, als BMP-2 identifizieren konnten. Potenzial der Integrin α2 Inhibierung: Versuche mit dem spezifischen Schlangengift Rhodocetin zur Inhibition von Integrin α2β1 waren nicht erfolgreich. MC3T3-Zellen erwiesen sich als ungeeignet, da sie kaum Integrin α2 exprimieren und keine signifikante BMP-2-Aktivierung zeigten. Alternativen wie der Integrin-α2-blockierende Antikörper AB1950Z führten zu Off-Target-Effekten. Die Untersuchung verschiedener Trägersubstanzen (Agarose, Kollagen, Matrigel, Blutkoagulat) zur Wirkstofffreisetzung zeigte, dass keine ausreichend verzögerte Abgabekinetik erreicht wurde. Die geplante Osteotomie konnte aus organisatorischen und personellen Gründen nicht durchgeführt werden. Ergebnisse und Diskussion: Das Projekt bestätigte die Hypothese, dass eine Integrin-α2-Defizienz die Frakturheilung fördert. Weitere Forschungen sind erforderlich, um den vollständigen mechanistischen Zusammenhang zu verstehen, was durch unvoreingenommene Analyseansätze wie Proteomanalysen oder Einzelzellsequenzierungen geschehen könnte. Die siRNA-Technologie zur Inhibition von Integrin α2 zeigte vielversprechende Ergebnisse und wird als möglicher therapeutischer Ansatz weiterverfolgt. Eine klinische Studie zur Rolle von Integrin α2 bei der Frakturheilung beim Menschen wurde begonnen, um zu klären, ob Integrin α2 als prognostischer Marker für schlechte Frakturheilung dienen kann.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Einfluss von kollagenbindenden Integrinen auf den Frakturheilungsprozess an der α2-defizienten Maus (2019) Fachbereich Medizin, Universität Münster
Louisa Wendler
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MuSkTYR. Integrin α2β1 affects fracture healing by elevated collagen expression and impaired bone remodeling. (2019)
Melanie Brand, Daniel Kronenberg, Jens Everding, Louisa Wendler, Beate Eckes & Richard Stange
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Bone Regeneration: A Novel Osteoinductive Function of Spongostan by the Interplay between Its Nano- and Microtopography. Cells, 9(3), 654.
Vordemvenne, Thomas; Wähnert, Dirk; Koettnitz, Julian; Merten, Madlen; Fokin, Nadine; Becker, Andreas; Büker, Björn; Vogel, Asaria; Kronenberg, Daniel; Stange, Richard; Wittenberg, Günther; Greiner, Johannes FW; Hütten, Andreas; Kaltschmidt, Christian & Kaltschmidt, Barbara
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Europaen calcified tissue society congress 2020. The integrin ⍺2β1-dependent collagen upregulation is linked to the TGF-β superfamily
Melanie Brand, Daniel Kronenberg, Jens Everding, Beate Eckes & Richard Stange
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MuSkTYR. Integrin α2β1 influences bone remodeling by regulating osteoblastogenesis via BMP signaling. (2021)
Melanie Brand, Daniel Kronenberg, Jens Everding, Louisa Wendler & Richard Stange
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MuSkTYR. Mechanical stress leads to morphology change of cells (2021)
Lena Schemmelmann, Melanie Brand, Daniel Kronenberg & Richard Stange
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Spongostan™ Leads to Increased Regeneration of a Rat Calvarial Critical Size Defect Compared to NanoBone® and Actifuse. Materials, 14(8), 1961.
Wähnert, Dirk; Koettnitz, Julian; Merten, Madlen; Kronenberg, Daniel; Stange, Richard; Greiner, Johannes F. W.; Kaltschmidt, Christian; Vordemvenne, Thomas & Kaltschmidt, Barbara
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The small-molecule protein ligand interface stabiliser E7820 induces differential cell line specific responses of integrin α2 expression. BMC Cancer, 21(1).
Hülskamp, Michael David; Kronenberg, Daniel & Stange, Richard
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The small-molecule protein ligand interface stabilizer E7820 induces differential cell line specific responses of integrin a2 expression (2021) Fachbereich Medizin, Universität Münster
Michael D. Hülskamp
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Deutscher Kongress für Orthopädie und Unfallchirurgie 2022. Targeting integrin α2 expression in osteoblastic cells to improve fracture healing
Michael D. Hülskamp, Daniel Kronenberg & Richard Stange
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Human Sex Matters: Y-Linked Lysine Demethylase 5D Drives Accelerated Male Craniofacial Osteogenic Differentiation. Cells, 11(5), 823.
Merten, Madlen; Greiner, Johannes F. W.; Niemann, Tarek; Grosse, Venhaus Meike; Kronenberg, Daniel; Stange, Richard; Wähnert, Dirk; Kaltschmidt, Christian; Vordemvenne, Thomas & Kaltschmidt, Barbara
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The role of the collagen-binding integrin α2β1 in bone metabolism and fracture healing (2022) Fachbereich Biologie, Universität Münster
Melanie Brand
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Integrin α2β1 deficiency enhances osteogenesis via BMP-2 signaling for accelerated fracture repair. Bone, 190, 117318.
Kronenberg, Daniel; Brand, Melanie; Everding, Jens; Wendler, Louisa; Kieselhorst, Eric; Timmen, Melanie; Hülskamp, Michael D. & Stange, Richard
