Einfluss von Knochen-Topography auf Osteoklasten Resorption

Der Knochen unterliegt einem ständigen Umbauprozess. Dadurch ist es möglich die Struktur unseres Skeletts an unsere täglichen Ansprüche anpassen zu können. An diesem Umbauprozess beteiligt sind knochen-abbauende Zellen, die Osteoklasten, und knochen-aufbauende Zellen, die Osteoblasten. Um den Prozess besser zu verstehen ist es von Vorteil sich die beiden Teile, den Knochenabbau und die Knochenneubildung getrennt anzusehen. In vorangegangenen Arbeiten haben wir den Prozess der Knochenneubildung in vitro in 3-dimensionalen Matrizen mit kontrollierter Architektur untersucht. Wir haben gefunden, dass Osteoblasten auf geometrische Gegebenheiten reagieren, und zwar ohne biochemische Signale, und dass die Gewebeneubildungsrate stark von der Krümmung und somit von der Oberflächenspannung abhängt. Dieses Projekt führt die Grundidee fort und vervollständigt unsere vorangegangene Arbeit, indem wir hier den anderen Teil des Knochenumbau-Prozesses untersuchen, nämlich den Abbau durch die Osteoklasten. Osteoblasten reagieren sehr intensiv auf ihre geometrische Umgebung, warum sollten Osteoklasten dies nicht auch tun? Falls dies der Fall wäre, würde es nachhaltige Folgen für das Verstehen des Knochenumbau-Prozesses haben. Ziel dieses Projektes ist es, folgende Fragen zu beantworten: Erkennen Osteoklasten topographische Gegebenheiten in ihrer Umgebung? Reagieren die Zellen auf diese? Wie beeinflussen topographische Strukturen in Form von Mikrorissen und Resorptionslakunen die Osteoklasten? Ist die Auffüllung von natürlichen Resorptionslakunen mit neuer Knochenmatrix abhängig von der Krümmung der Lakunen? Um diese Fragen zu beantworten, werden Osteoklasten in vitro auf Knochenplättchen kultiviert, wodurch eine Entkopplung des Einflusses von Biochemie und Geometrie möglich ist. Dafür werden einerseits Knochenplättchen mit eingebrachten Mikrorissen verwendet, denn es wird vermutet, dass Mikrorisse, wie sie durch normale körperliche Aktivität im Knochen entstehen, Initiatorstellen für den Knochenumbau sind. Andererseits werden Knochenplättchen mit bereits vorhandenen Resorptionslakunen verwendet, denn ein Patho-Mechanismus im Fall von Osteoporose ist eine erhöhte Resorption, weshalb es wichtig ist zu wissen, ob Osteoklasten vorhandene Lakunen erkennen und danach ihre Resorptionsstellen anpassen. In beiden Fällen wird das Resorptionsverhalten der Osteoklasten in Relation zu den Positionen der eingebrachten Oberflächentopographien in Abhängigkeit von der Resorptionszeit beschrieben und die Kinetik der Expression von Marker-Proteinen dargestellt. Weiters soll die Gewebeneubildung, ausgeführt von primären Osteoblasten, in natürlichen Lakunen quantifiziert und in Korrelation vom Krümmungsradius der Lakunen beschrieben werden. Die erhaltenen experimentellen Daten werden dann in ein theoretisches Modell übernommen und dazu verwendet die kritischen Stufen im Knochenumbauprozess zu definieren (in silico). Die Kombination von in vitro und in silico kann dazu beitragen zu verstehen, was in vivo abläuft und welche Schritte an diesem ganzen Prozess welche Konsequenzen haben. Dadurch wird es vielleicht möglich sein, eine neue kritische Größe im Knochenumbauprozess zu definieren, auf die dann auch in den Behandlungsprotokollen von osteologischen Krankheiten eingegangen werden sollte, um den Erfolg der Behandlung zu erhöhen.

Knochen ist ein Organ, welches in ständigem Umbau begriffen ist. Dieser Knochenumbauprozess ist wichtig für Strukturerhaltung, die Funktion und Anpassung des Skeletts an physische Gegebenheiten. In diesem Prozess spielen Osteoklasten eine entscheidende Rolle. Die Hauptfunktion der Osteoklasten ist die Resorption von Knochen, was der Neubildung von Knochen vorangeht. Die Osteoklasten waren der Hauptgegenstand unserer Untersuchungen. Mikrorisse entstehen im Skelett während der normalen alltäglichen Bewegung und können die Festigkeitseigenschaften des Skeletts beeinträchtigen. Deshalb müssen diese Mikrorisse beseitigt werden, was durch einen gezielten Knochenabbau (Knochenresorption) durch die Osteoklasten eben an jener Stelle erfolgt. Wir fanden, dass Osteoklasten selbst keine Toposensitivität besitzen, welche die Voraussetzung für das Erkennen und die darauffolgende gezielte Resorption von Mikrorissen wäre. Im Falle eines gezielten Knochenumbaus zur Entfernung von Mikrorissen werden Osteoklasten von anderen Zellen (Osteoblasten oder Osteozyten) geleitet und zur Resorption animiert. Des Weiteren zeigen Osteoklasten ein unterschiedliches Resorptionsverhalten auf Knochen und Dentin. Dentin wird im Allgemeinen als mineralisiertes Substrat für in vitro Untersuchungen an Osteoklasten verwendet, und von den daraus erhaltenen Daten werden häufig Rückschlüsse für den Knochen gezogen. Wir konnten zeigen, dass Dentin die Bildung von resorbierenden Osteoklasten verglichen zu Knochen steigert, wenn jedoch der Resorptionsprozess einmal gestartet ist, verläuft er auf Knochen und Dentin nahezu identisch. Dies zeigt, dass Dentin ein gutes Modell-Substrat für die Untersuchung von Osteoklasten ist und eine Extrapolation der Daten von Dentin auf Knochen legitim ist, solange nicht Material-abhängige Prozesse oder die Entstehungsrate von Osteoklasten Gegenstand der Untersuchungen sind. Die Resorptionsspuren der Osteoklasten treten entweder als punktuelle oder linienartig verteilte Abbauspuren auf, die als pits und trails bezeichnet werden. Mittels konfokaler Laserscanningmikroskopie konnten wir den Mechanismus der trail-Bildung detektieren: das Resorptionsorganell der Zelle legt sich dabei mit einer Seite außerhalb des trails und mit der anderen Seite innerhalb des trails an das zu resorbierende Material an. Dadurch markiert die Zelle jenen schmalen Bereich, der demnächst resorbiert wird. Diese 3D Konfiguration des Resorptionsorganells der Zelle erlaubt lediglich die vertikale Resorption einer schmalen Mineralschicht von der Oberfläche des Materials in die Tiefe. Danach bewegt sich die Zelle horizontal weiter und umgrenzt den nächsten schmalen zu resorbierenden Bereich. Das bedeutet trails sind nicht die Spuren von einer einfachen horizontalen Bewegung des Osteoklasten während der Resorption.In diesem osteoklastären Resorptionsprozess spielt die Serine-Threonin Kinase MK2 (MAPK-aktivierte Proteinkinase-2) eine wichtige Rolle. Knock out Experimente dieses Signalmoleküls resultieren in einer stark beeinträchtigten osteoklastären Resorption, was weiterführend eine Beeinträchtigung der Resorption von Knochen bedeuten würde. Diese Beobachtung könnte einen interessanten Ansatzpunkt in der zukünftigen Behandlung von postmenopausalem Knochenverlust darstellen.