Molekulare Charakterisierung der Störungen zellulärer Mechanotransduktion bei Osteoporose
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Sowohl eine gestörte ER- und Wnt-Signaltransduktion als auch eine gestörte Mechanotransduktion kann mit Osteoporose assoziiert sein. An der Knochenbildung ist die β-catenin-abhängige und βcatenin-unabhängige Wnt-Signaltransdukton beteiligt. Ziel dieses Projektes war die Untersuchung des Einflusses des ER- und des Wnt-Signalwegs und deren Interaktion auf die mechanisch induzierte osteoanabole Antwort von Knochenzellen in vitro und in vivo. Wir konnten zeigen, dass Estradiol (E2) einen mechanosensibilsierenden Einfluss auf die mechanisch induzierte Antwort von Knochenzellen in vitro und in vivo haben kann, der vom individuellen Östrogenstatus abhängig ist. Eine Aktivierung des β-Catenin abhängigen Wnt-Signalwegs führte in vivo zu einem mechanosensibilisiereden Effekt auf die mechanisch induzierte periostale Knochenbildung. Unerwarteterweise hatte die zusätzliche Aktivierung des β-catenin-abhängigen Wnt- Signalwegs zusammen mit E2 keinen mechanosensibilisierenden Effekt auf die periostale Knochenbildung. Die Ergebnisse unserer Untersuchungen zeigten, dass mechanisch regulierte Signalwege mit der über E2 und Wnt regulierten ER- und Wnt-Signaltransduktion interagieren und sie belastungsabhängig eine aufeinander abgestimmte Regulation der Knochenbildung induzieren. Die in vitro-Untersuchungen mit präosteoblastischen Zellen lassen vermuten, dass es vor allem die Präosteoblasten im Knochen sind, die dieser komplexen Regulation unterliegen. Schließlich wurden in Zusammenarbeit mit TP4 eine mechanische Interventionstherapie bei der osteoporotischen Frakturheilung in Mäusen angewandt. Diese Studie zeigte ebenfalls, dass die Effekte mechanischer Reize in hohem Maße vom Östrogenstatus abhängig sind. An der Vermittlung der osteoanabolen Effekte scheinen ERα und der Wnt/β-Catenin-Signalweg beteiligt zu sein, was die Ergebnisse von TP7 bestätigt. Unsere Ergebnisse sind von großer Bedeutung für die Entwicklung von mechanischen Interventionstherapien zur Osteoporosebehandlung. Im Rahmen dieses DFG Projekts haben wir einen völlig neuartigen Bioreaktor entwickelt und gebaut. Er wurde stetig weiterentwickelt, verbessert und den Bedingungen angepasst. Parallel dazu wurden unterschiedliche Reporterkonstrukte entwickelt und charakterisiert. Es wurden nicht nur einzelne responsive Elemente, also Bindungsstellen für definierte Transkriptionsfaktoren verwendet, sondern auch ganze Promotoren bzw. Promotor-Fragmente mit ihrer spezifischen Zusammenstellung von Transkriptionsfaktorbindungsstellen untersucht und etabliert. Verschiedene Agentien wurden in ihrem Einfluss auf die Signalübertragung der mechanischen Reize auf die zelluläre Antwort untersucht. Besonders der EGF-Pathway in MSC wurde differentiell untersucht. Es konnte gezeigt werde, dass EGF die Induktion der Zellen über den ausschlaggebenden Faktor AP1 verstärkt. Die Expression mechanoresponsiver Gene wird signifikant gesteigert, ebenso wie die proinflammatorischer Gene, die an sich nicht durch Mechanik induziert werden können.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Mechanosensitive promoter region in the human HB-GAM gene. Biochem. Biophys. Res. Commun. (2009) 387:289-93
Liedert A, Kassem M, Claes L, Ignatius A
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A small scale culture system to analyze mechanobiology using reporter gene constructs and polyurethane dishes. Eur. Cell. Mater. (2010) 20: 344-55
Seefried L, Mueller-Deubert S, Schwarz T, Lind T, Mentrup B, Kober M, Docheva, D, Liedert A, Kassem M. Ignatius A, Schieker M, Claes L, Wilke W, Jakob F, Ebert R
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Estrogen receptor and Wnt signaling interact to regulate early gene expression in response to mechanical strain in osteoblastic cells. Biochem. Biophys. Res. Commun. (2010) 394:755-9
Liedert A, Wagner L, Seefried L, Ebert R, Jakob F, Ignatius A
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Mechanotransduktion im Alter und bei Osteoporose. Osteologie (2010) 19: 232-239
Seefried L, Ebert R, Müller-Deubert S, Klotz B, Kober M, Liedert A, Ignatius A, Jakob F
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Signaltransduktionwege der Mechanotransduktion in Knochenzellen. Osteologie (2010) 19: 240-244
Liedert A, Kreja L., Wagner L, Neidlinger-Wilke C, Ebert R, Jakob F, Ignatius A
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Distinct frequency dependent effects of whole-body vibration on non-fractured bone and fracture healing in mice. J Orthop. Res. (2014) 32: 1006-13
Wehrle E, Wehner T, Heilmann A, Bindl R, Claes L, Jakob F, Amling M, Ignatius A
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The impact of low-magnitude high-frequency vibration on fracture healing is profoundly influenced by the oestrogen status. Dis Model Mech. (2015) 8: 93-104
Wehrle E, Liedert A, Heilmann A, Wehner T, Bindl R, Fischer L, Haffner-Luntzer M, Jakob F, Schinke T, Amling M, Ignatius A
