Untersuchungen zur Bedeutung von Semaphorin 3A, einem Mitglied der Familie der neuronalen Guidance Moleküle, für die Knochenremodellierung während der orthodontischen Zahnbewegung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Semaphorin 3A (Sema3A) ist ein neuronales Guidance Molekül, das Funktionen bei der Aufrechterhaltung der normalen Knochenentwicklung sowie der Knochenhomöostase besitzt. Im Zusammenhang mit der Regulation der Knochenremodellierung während der orthodontischen Zahnbewegung wurden Sema3A und seine Rezeptoren bisher nicht untersucht. Daher ergeben zur möglichen Funktion von Sema3A sowie seinen Rezeptoren bei der Regulation der Knochenremodellierung zwei wesentliche Fragestellungen: (i.) Ist Sema3A mechanisch reguliert, sodass orthodontische Kräfte zu einer differentiellen Modulation führen? (ii.) Welche Konsequenzen hat Sema3A für Osteoblasten des Alveolarkamms? Mit dieser Studie konnte erstmals gezeigt, dass Sema3a durch mechanische Kräfte in parodontalen Fibroblasten differentiell reguliert wird. Die ebenfalls hypothetisierte Beteiligung des Transkriptionsfaktors SP7 an der Sema3A Regulation (Osterix) ist auf der Basis der erhobenen Daten ebenfalls sehr wahrscheinlich. Interessanterweise konnten bei Osteoblasten keine signifikanten Veränderungen der Expressionen nach Kraftapplikation beobachtet werden. Ausgehend von diesen in vitro Ergebnissen scheint die Bedeutung der PDLF für die Initiation und Regulation der Zahnbewegung bestätigt. Die Aufklärung des Signalwegs der zur mechanoinduzierten Expressionsmodulation von Sema3A führt gelang im Rahmen dieser Studie nicht eindeutig. Tendenziell erschien die Aktivierung der beiden Stress-assoziierten Kinasen p38 und JNK an die Applikation von Kompressionskräften gekoppelt zu sein. In Einzelfällen wurden auch bei erhöhten Dehnungskräften (ca. 5-fach höher als die standardmäßig applizierten Dehnungskräfte) Aktivierungen der beiden Stresskinasen beobachtet. Um die Wirkung von Sema3A auf die osteogene Differenzierung von Osteoblasten des Alveolarkamms zu prüfen, wurden zunächst Experimente zur Optimierung der Konzentration von exogenem, rekombinantem Sema3A durchgeführt. Exogenes Sema3A stimulierte die Expression osteogener Markergene über die Wirkung von osteogenem Medium (Mineralisierungsmedium: min. med.) hinaus. Interessanterweise war die Wirkung von Sema3A deutlicher auf frühe bis mittelspäte Marker ausgeprägter, darüber hinaus war die Wirkung von Sema3a ohne osteogene Präkonditionierung kaum ausgeprägt. Entsprechend den Erwartungen hatte Sema3A ebenfalls Einfluss auf den RANKL/OPG Signalweg. Die von uns zusätzlich als Kontrolle vorgesehen Immunfluoreszenzfärbung gegen Vincullin, die die durch Sema3A verursachte Auflösung der Fokalkontakte zur Ermöglichung zellulärer Mobilität zeigen sollte, blieb Osteoblasten des Alveolarkamms ohne Evidenz für eien Verlust der fokalen Kontakte, möglicherweise ist diese Sema3A abhängige Funktion spezifisch für Zellen neuronalen Ursprungs. Ergebnisse aus murinen Systemen sprechen für eine Beteiligung von Plexin-assoziierten GTPasen sowie dem WNT/β-catenin Signalweg am Sema3A aktivierten Signaltransduktionsmechanismus. Die Aktivierung des PlexinA1 Rezeptors durch Sema3A über die PlexinA1 abhängige Aktivierung der GTPase Rac1 und später zur zur Wnt-induzierten Akkumulation und Translokalisation von β-Catenin beiträgt, wurde mit pull-down Experimenten die Beteiligung der GTPase Rac1 überprüft sowie Immunfluoreszenzfärbungen zur nukleären Translokation β-Catenin bestätigt. Über die ursprüngliche Planung hinausgehend untersuchten wir die mögliche Beteiligung von MAP-Kinasen bei der Sema3A abhängigen Induktion von β-Catenin, Runx2 und SP7 (Osterix). Entgegen der ursprünglichen Erwartung, dass maßgeblich die ERK1/2 Kinasen beteiligt sein könnten, ergaben Experimente mit spezifischen Inhibitoren für ERK1/2, JNK sowie p38 kein eindeutiges Ergebnis. Zusammengefasst konnte mit dieser Studie erstmals eine differentiell mechanisch regulierte Modulation von Sema3A in parodontalen Fibroblasten gezeigt werden. Osteoblasten des Alveolarkamms reagieren auf Sema3A mit einer Rac1 und β-Catenin-abhängigen Induktion von Differenzierungsmarkern. Zusammen mit den bisherigen Ergebnissen zur Ephrin Familie sprechen die aktuellen Daten für eine Beteiligung von neuronalen Guidance Molekülen an der Regulation der Knochenremodellierung während der orthodontischen Zahnbewegung. Ob sich solche in vitro Befunde klinisch anwenden lassen ist derzeit noch spekulativ.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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“A Potential Role for Semaphorin 3a in the Regulation of Orthodontic Tooth Moovement”. 93. Jahrestagung der Europäischen Gesellschaft für Kieferorthopädie (EOS) in Montreux, 7.6.2017
Sinan Şen
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“A Potential Role of Semaphorin 3A During Orthodontic Tooth Movement”, 95. Jahrestagung International Association for Dental Research (IADR) in San Francisco, 24.03.2017
Sinan Şen
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„Besitzt das neuronale Guidance Molekül Semaphorin 3A eine Funktion während der orthodontischen Zahnbewegung?“ 50. Jahrestagung der Arbeitsgemeinschaft für Grundlagenforschung der Deutschen Gesellschaft für Zahn-, Mund- und Kieferheilkunde, 12.01.2018 [1. Posterpreis]
Sinan Şen
