Characterization of the osteogenic and osteoclastogenic biomarker expression in site-specific osteoblasts derived from the same donor in a 3D-microchip-device: A contribution to the identification of candidate markers of the bone transplant competence
Final Report Abstract
In der Mund-, Kiefer- und Gesichtschirurgie gelten autologe Beckenkammtransplantate bei der Behandlung großer intraoraler Defekte aufgrund ihrer hohen Transplantatkompetenz gegenüber Knochentransplantaten anderer Körperregionen, wie beispielsweise Knochen aus dem Kopf- und Kieferbereich, als Goldstandard. Als möglicher Grund werden ortsspezifische Unterschiede zwischen dem Knochengewebe verschiedener anatomischer Regionen diskutiert. Aus diesem Grund bestand eine wesentliche Zielsetzung des Projektes darin, Knochenzellkulturen aus den genannten Körperregionen zu etablieren und durch ihre Charakterisierung mögliche Unterschiede zu identifizieren, mit denen sich diese differenzielle Kompetenz möglicherweise erklären lässt. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden chipbasierte 3D-Zellkulturen von Osteoblasten (OB) aus dem Alveolarfortsatz (OB-A) und dem Beckenkamm (OB-B) desselben Spenders (insgesamt 9 Spender) etabliert, und in einer vergleichenden Analyse die Expression von Biomarkern des Knochenumbaus während der Integration von Knochentransplantaten untersucht, wobei konventionelle 2D-Monolayerkulturen (ML) als Kontrolle dienten. Im Fokus der Arbeiten standen dabei Moleküle der osteogenen Differenzierung und der Bildung knochenspezifischer extrazellulärer Matrix (EZM) sowie osteoklastenmodulierende Signalmoleküle. Da 1,25-Dihydroxyvitamin D3 (Vit. D3; 1,25D3) eine wichtige Rolle bei der Regulation der EZM-Mineralisation und Differenzierung von OB spielt, und mehrere in vitro Studien auf unterschiedliche Effekte von Vit.D3 in OB verschiedener Herkunft hinweisen, wurde zusätzlich die Zellantwort auf Vit.D3 auf Transkriptionsebene untersucht. Mit dieser Strategie konnten wir Biomarker identifizieren, die in Abhängigkeit (i) des Zellursprungs, d.h. der Knochenentität, und (ii) der Zellkulturkonfiguration, d.h. 2D ML vs. 3D- Chip, und/oder der Kulturdauer moduliert wurden. Von den untersuchten Biomarkern konnten wir SEMA3A/Semaphorin-3A, BGLAP/Osteokalzin, SPP1/Osteopontin und PHEX/Phosphateregulating gene with homologies to endopeptidases on the X chromosome als molekulare Unterscheidungsmerkmale zwischen OB-A und OB-B identifizieren. Dabei zeigten OB-A eine höhere SEMA3A Transkription als OB-B, während BGLAP, SPP1 und PHEX in OB-B stärker exprimiert wurden als in OB-A. Das hier nachgewiesene Expressionsmuster dieser vier Gene weist zudem darauf hin, dass OB-Kulturen aus dem Beckenkamm scheinbar ein höheres Potential haben die Genese und/oder Aktivität von OK zu begünstigen, gleichzeitig die osteogene Differenzierung von OB voranzutreiben und die Knochenfestigkeit möglicherweise durch eine günstige räumliche Anordnung von Apatitkristallen im neu gebildeten Knochengewebe zu unterstützen. Die im Projekt gewonnenen Erkenntnisse deuteten insgesamt auf eine höhere Aktivität der OB-B hinsichtlich des Knochenumbauprozesses hin, und unterstützen damit die Annahme, dass eine hohe OK-Aktivität an der Grenzfläche zwischen Spender- und Empfängerknochen die Transplantatintegration begünstigt. Insbesondere SEMA3A und BGLAP erscheinen hier als potentielle Kandidatenmarker eines hohen Knochenumbaupotentials und damit möglicherweise für eine verbesserte Transplantatkompetenz, da diese Biomarker an der Modulation von OK, OB und der EZM-Mineralisation involviert sind. In Bezug auf die 1,25D3-Transkriptionsantwort, zeigten die Biomarker BGLAP, SPP1 und ALPL die höchste Responsivität. In diesem Kontext konnten wir, nach bestem Wissen erstmalig, zeigen, dass die 1,25D3-vermittelte Transkription SPP1 und ALPL in primären humanen OB zusätzlich in Abhängigkeit des Zellursprungs moduliert wurden. Dabei nimmt SPP1 eine Sonderstellung innerhalb der untersuchten Biomarker ein, da die Transkription dieses Gens sowohl vom Zellursprung, von der Kulturkonfiguration, d.h. räumlichen Organisation der Mikroumgebung, und von der Präsenz von 1,25D3 abhängig war. Des Weiteren haben wir SEMA3A als ein neues 1,25D3- responsives Gen in OB-A identifizieren können. Die Erkenntnisse aus dieser Untersuchung erweitern das Wissen um die molekularen Eigenschaften ortsspezifischer OB im Kontext Knochenregeneration und untermauern die Bedeutung der OK-Aktivität für die Transplantatintegration. Die hier identifizierten Biomarker können ferner als Basis für weiterführende Studien zu Klärung ihrer Rolle während des Knochenumbauprozesses im Kontext Knochenregeneration genutzt werden.
Publications
- Osteogenic differentiation of site-specific human osteoblasts derived from the same donor in 2D and 3D-microchip culture identifies SEMA3A, BGLAP, SPP1 and PHEX as distinctive features between alveolar bone and iliac crest on transcription level
Zhang W., Rau S., Kotzagiorgis K., Rothweiler R., Nahles S., Rolauffs B., Steinberg T., Gottwald E., Nelson K. and Altmann B.
(See online at https://doi.org/10.3389/fbioe.2022.918866)
