Die Rolle des PTHrP Signalwegs bei der Mechanoregulation von mesenchymalen Progenitorzellen und Chondrozyten

• Antragstellerin: Dr. Justyna Buchert
• Fachliche Zuordnung: Orthopädie, Unfallchirurgie, rekonstruktive Chirurgie
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 467123401

Über- bzw. Fehlbelastung ist ein Hauptgrund für die Degeneration der Knorpelmatrix, die zu Osteoarthrose (OA) führen kann. Da Knorpelgewebe keine intrinsische Regenerationskapazität besitzt und es keine Therapieoptionen zur Heilung von OA gibt, bleibt Gelenkersatz die einzige Therapiemöglichkeit bei fortgeschrittener Erkrankung. Charakteristisch für OA ist ein erhöhter Knorpelmatrixkatabolismus sowie eine reduzierte anabole Zellaktivität. Es ist notwendig die molekularen Mechanismen, die mechanische Belastungskräfte in einen veränderten Zellmetabolismus übersetzen, zu verstehen und Zielmoleküle für bewegungsbasierte oder pharmakologische Therapien zu identifizieren, die eine OA Prävention o. Heilung ermöglichen. Die Herausforderung in der Mechanobiologie besteht in der hohen Anzahl der Variablen und die daraus entstehende Schwierigkeit Studienergebnisse miteinander zu vergleichen. In der Literatur sowie in eigenen Studien wird parathyroid hormone-related protein (PTHrP) stark durch mechanische Belastung in Tissue Engineering Knorpelgewebe stimuliert. PTHrP ist für Effekte auf die Differenzierung und den Metabolismus in Skelettgeweben bekannt, abhängig von einem kontinuierlichen oder intermittierenden Kontakt. In dieser Studie stellen wir die Hypothese auf, dass mechanoinduziertes PTHrP eine Rolle bei der Regulation zeitrelevanter metabolischer Prozesse in Knorpel spielt und das Gleichgewicht zwischen Anabolismus und -katabolismus nach Belastung bestimmt. Um unsere Hypothese zu bestätigen, werden wir durch loss-of-function Ansatz induced pluripotent stem cell (iPSC)-basierte mesenchymale Progenitorzellen mit gestörter PTHrP-Genfunktion durch das CRISPR/Cas System erstellen und Zelleigenschaften bei fehlender PTHrP-Expression analysieren. PTHrP fungiert entweder als sekretierter Faktor und initiiert die Signalübertragung durch Bindung an einen Rezeptor oder als intrakriner Faktor durch direkte Translokation in den Zellkern. Daher werden wir durch Modulation der Lokalisationssignale innerhalb der Transkriptsequenz untersuchen, ob PTHrP nach mechanischer Belastung rezeptorabhängig oder intrakrin agiert. Zusätzlich werden wir ein mechanosensitiv Reporter Assay entwickeln. Unseres Wissens nach wird dies die erste Studie, die die Rolle eines spezifischen Moleküls durch Gen-Knockout in der Mechanotransduktion betrachtet und die Wirkungsweise von PTHrP im Kontext von zeitlich und mechanoregulierten Änderungen im Zellmetabolismus untersucht. Das könnte bei der Entwicklung von verbesserten Protokollen für die Produktion von Knorpelgewebekonstrukten für die Behandlung von Knorpeldefekten helfen. Die Entschlüsselung dieser Mechanismen kann einen großen Beitrag zu der Identifikation spezifischer Zielmoleküle für pharmakologische Therapien gegen OA und der Bestimmung von Markermolekülen für positive Belastung für personalisierte Bewegungstherapien, die eine anabole Knorpelreaktion begünstigen und somit einer OA Entwicklung vorbeugen o. umkehren, leisten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen