Differentielle Genexpression und putative therapeutische Gene für die Heilung der osteoporotischen Fraktur in Mesenchymalen Stammzellen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Frakturheilung und die Möglichkeiten der operativen Stabilisierung sind bei Osteoporose verzögert und beeinträchtigt. Mesenchymale Stammzellen (MSC) sind Ausgangspunkt für die Knochenheilung. Sie bilden zusammen mit neuronalen und endothelialen Vorläufern ein primär stabiles Kallusgewebe, welches sekundär entsprechend der Einwirkung physikalischer Kräfte remodelliert wird. MSC sitzen an verschiedenen Stellen des Knochens wie Periost, Knochenmark und Trabekeln in Stammzellnischen, von denen die Regeneration ausgeht. Die Proliferationsfähigkeit von MSC, ihr Differenzierungspotential und ihre Antwort auf mechanische Reize sind bei Osteoporose gestört. Alter, genetische Belastung, postmenopausaler Hormonmangel und Störungen des Parathormon / Vitamin D3 endokrinen Systems sind starke Risikofaktoren für die Osteoporose. In diesem Projekt wurden humane MSC aus Patientinnen mit schwerer Osteoporose mit einem bereits vorhandenen Datenpool des MSC-Transkriptoms bei jüngeren und älteren Gesunden verglichen und daraus Defizite bei Osteoporose charakterisiert. Das Alter stellt eines der größten Risikofaktoren für die Osteoporose dar, in einem in vitro Alterungsmodell für MSC konnten wir das Transkriptom von seneszenten MSC charakterisieren. Die Daten der Microarray-Analysen an mesenchymalen Stammzellen haben uns auf viele interessante Gene aufmerksam gemacht, die eventuell genetisch determinierende Faktoren der Osteoporose darstellen könnten und eine wesentliche Rolle bei der damit einhergehenden Alterung und Verfügbarkeit der Zellen spielen könnten. In unseren in vitro-Alterungsversuchen an humanen MSC konnten wir feststellen, dass seneszente hMSC Defekte in der Zellalterung (HELLS) und Differenzierung (FGFR2), sowie Anzeichen einer Entzündungsreaktion (SAA1/SAA2) aufweisen. Untersuchungen an hMSC aus Osteoporose-Patienten ergaben ähnliche Defekte der Zellalterung (ebenfalls HELLS), der prä-maturen Autoinhibition des Regenerationspotentials (SOST), der Mobilität (HMMR) und der Expression von Wachstumsfaktoren mit Auswirkung auf die Mechanotransduktion (ERalpha, EGF). Zellen von OsteoporosepatientInnen treten weitaus schneller in Seneszenz ein als Kontroll-hMSC. Aufgrund der hohen prämaturen Expression von SOST vermuten wir eine Autoinhibition der Regeneration in osteoporotischen hMSC. Zusammen mit der Abnahme der EGF-Expression könnte dies zu einem reduzierten hMSC-Pool in Osteoporose-Patienten und damit zur verzögerten Frakturheilung führen. Die ausgewählten Lead-Kandidaten-Gene stellen vermutlich zentrale Schaltstellen für weitere stromabwärts gelegene Änderungen der Genexpression dar. Die prämature Überexpression von SOST bei Osteoporose kann als pathophysiologische Grundlage für klinische Studien dienen, bereits verfügbare Anti-Sclerostin-Antikörper bei der Osteoporose und möglicherweise bei der Frakturheilung einzusetzen. Entsprechende präklinische Daten wurden aktuell auf der Jahrestagung der European Calcified Tissue Society in Rotterdam bereits präsentiert. Eine Untersuchung des Transkriptoms aus Kallus bei Lrp5-KO und Col1a1-Krm2 im Vergleich mit Wildtyp-Mäusen untermauert zusätzlich die Charakterisierung von Kandidatengenen. Die in diesem Projekt gewonnenen Daten mündeten in die Förderung zweier Projekte. In einem deutsch-französischen Konsortium werden epigenetische Veränderungen in der Osteoporose untersucht, in einem IZKF Projekt stehen Chromatin-modifizierende Proteine im Fokus und ihre Rolle bei altersassoziierten Erkrankungen soll näher charakterisiert werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2007) Frakturheilung bei Osteoporose. Osteologie 16(2): 71-84
Jakob F., Seefried L., Ebert R., Eulert J., Wolf E., Schieker M., Böcker W., Mutschler W., Amling M., Pogoda P., Schinke T., Liedert A., Blakytny R., Ignatius A., Claes L.
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(2007) Influence of hormones on osteogenic differentiation processes of mesenchymal stem cells. Expert Rev Endocrinol Metab 2(1): 59-78
Ebert R., Schütze N., Schilling T., Seefried L., Weber M., Nöth U., Eulert J., Jakob F.
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(2008) Biology of Mesenchymal Stem Cells. Current Rheumatology Reviews 4: 148-154
Jakob F., Limbert C., Schilling T., Benisch P., Seefried L, Ebert R.
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(2008) Pathophysiologie des Knochenstoffwechsels. Internist (Berl). 49(10): 1159-64
Jakob F., Seefried L., Ebert R.
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(2009) Pulse treatment with zoledronic acid causes sustained commitment of bone marrow derived mesenchymal stem cells for osteogenic differentiation. Bone. 44: 858-864
Ebert R., Zeck S., Krug R., Meissner-Weigl J., Schneider D., Seefried L., Eulert J., Jakob F.
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(2010) Pathophysiologie der Osteoporose. Der Bay Int, 30(3): 110-118
Jakob F., Benisch P., Ebert R.
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(2011) Control of bone formation by the serpentine receptor Frizzled-9. J Cell Biol. 192(6):1057-72
Albers J, Schulze J, Beil FT, Gebauer M, Baranowsky A, Keller J, Marshall RP, Wintges K, Friedrich FW, Priemel M, Schilling AF, Rueger JM, Cornils K, Fehse B, Streichert T, Sauter G, Jakob F, Insogna KL, Pober B, Knobeloch KP, Francke U, Amling M, Schinke T
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(2011) Zelluläre Defekte und Regulationsstörungen bei der Heilung osteoporotischer Frakturen. Osteologie 20(1): 23-28
Jakob F., Benisch P., Ebert R., Seefried L., Schieker M., Ignatius A.
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(2012) 1,25-Dihydroxyvitamin D3 Treatment Delays Cellular Aging in Human Mesenchymal Stem Cells. PLoS ONE, 7(1):e29959
Klotz B., Mentrup B., Regensburger M., Zeck S., Schneidereit J., Schupp N., Linden C., Merz C., Ebert R., Jakob F.
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(2012) In situ guided tissue regeneration in musculoskeletal diseases and aging. Cell Tissue Res: 347(3):725-735
Jakob F., Ebert R., Rudert M., Nöth U., Walles H., Docheva D., Schieker M., Meinel L., Groll J.
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(2012) The Transcriptional Profile of Mesenchymal Stem Cell Populations in Primary Osteoporosis Is Distinct and Shows Overexpression of Osteogenic Inhibitors. PLoS ONE, 7(9): e45142
Benisch P., Schilling T., Klein-Hitpass L., Frey SP., Seefried L., Raaijmakers N., Krug M., Regensburger M., Zeck S., Schinke T., Amling M., Ebert R., Jakob F.
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(2013) Bone Tissue Engineering in Osteoporosis. Maturitas: 75(2):118-24
Jakob F., Ebert R., Ignatius A., Matsushita T., Watanabe Y., Groll J. Walles H.
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(2014) Osteoblast-specific Krm2 overexpression and Lrp5 deficiency have different effects on fracture healing in mice. PLoS One. 25;9(7): e103250
Liedert A, Röntgen V, Schinke T, Benisch P, Ebert R, Jakob F, Klein-Hitpass L, Lennerz JK, Amling M, Ignatius A
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(2015) Acute phase serum amyloid A induces proinflammatory cytokines and mineralization via toll-like receptor 4 in mesenchymal stem cells. Stem Cell Research, 15:231-239
Ebert R., Benisch P., Krug M., Zeck S., Meißner-Weigl J., Rauner M., Hofbauer L., Jakob F
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(2015) The Anti-Osteoanabolic Function of Sclerostin is Blunted in Mice Carrying a High Bone Mass Mutation of Lrp5. J Bone Miner Res. 30(7):1175-83
Yorgan TA, Peters S, Jeschke A, Benisch P, Jakob F, Amling M, Schinke T
