Σκοπός: Πρόσφατα δεδομένα, υποδεικνύουν ότι διαταραχή της ισορροπίας του λιπιδικού μεταβολισμού επηρεάζει τη λειτουργία των κυττάρων του οστού, με αποτέλεσμα την ανάπτυξη εκφυλιστικών και μεταβολικών νόσων, όπως η οστεοπόρωση. Στην παρούσα εργασία, μελετήσαμε τον ρόλου της απολιποπρωτεΐνης Ε (apoE), βασικού συστατικού του συστήματος μεταβολισμού των χυλομικρών και της VLDL (Very Low-Density Lipoprotein), στη ρύθμιση της οστικής ανακατασκευής και στην παθογένεια της οστεοπόρωσης, σε πειραματικά μοντέλα ποντικιών που έλαβαν δίαιτα πλούσια σε λιπαρά. Υλικά και μέθοδοι: Για τον λόγο αυτό, χρησιμοποιήσαμε μοντέλα ποντικών με έλλειψη του γονιδίου της apoE (apoE-/-) και αγρίου τύπου (C57BL/6) (ομάδα ελέγχου) που τους χορηγήθηκε για 24 εβδομάδες δίαιτα δυτικού τύπου (WTD) πλούσια σε λιπαρά (10 ζώα/ομάδα). Επιλέχθηκε η δίαιτα δυτικού τύπου διότι προσομοιάζει τις διατροφικές συνήθειες του σύγχρονου δυτικού κόσμου. Κάθε 6 εβδομάδες γινόταν μέτρηση σωματικού βάρους. Δύο και επτά ημέρες προ της ευθανασίας πραγματοποιήθηκε ενδοπεριτοναϊκή ένεση καλσεΐνης. Την 24η εβδομάδα τα ζώα θυσιάστηκαν, απομονώθηκαν χειρουργικά το μηριαίο οστό και οι οσφυϊκοί σπόνδυλοι και έγιναν ιστολογικές και ιστομορφομετρικές αναλύσεις. Με τη χρήση microCT scanner (στατική ιστομορφομετρία) εκτιμήθηκε η ποιότητα και η ποσότητα του σπογγώδους και του φλοιώδους οστού. Με τη χρώση TRAP και την εναπόθεση καλσεΐνης (δυναμική ιστομορφομετρία) ελέγχθηκε η οστική αποδόμηση και ο ρυθμός σύνθεσης νεοσχηματιζόμενου οστού, αντίστοιχα. Με τη χρήση φασματοσκοπίας Raman, αξιολογήθηκε η κατάσταση του δικτύου κολλαγόνου των μηριαίων οστών. Επιπλέον, μεσεγχυματικά κύτταρα του μυελού των οστών (BMMSC) απομονώθηκαν από το μηριαίο οστό των πειραματόζωων και καλλιεργήθηκαν με σκοπό την εκτίμηση των επιπέδων έκφρασης, τόσο σε επίπεδο πρωτεΐνης όσο και σε επίπεδο mRNA, μορίων που εμπλέκονται στην οστεοβλαστική λειτουργία [(Runx2, Osterix (Osx), Κολλαγόνο I τύπου 1a (Col1a1)], στην οστεοκλαστική λειτουργία [osteprotegerin (OPG), RANK-Ligand (RANKL), λόγος OPG/RANKL, RANK, TRAP, cathepsin Κ] καθώς και στην λιπογένεση [Peroxisome-Proliferator-Activated receptor γ (PPARγ)]. Για την εκτίμηση των επιπέδων έκφρασης των πρωτεϊνών, χρησιμοποιήσαμε τις μοριακές τεχνικές Western Blot και κυτταρομετρία ροής ενώ για την αξιολόγηση των επιπέδων έκφρασης του mRNA χρησιμοποιήσαμε τη RT-PCR. Αποτελέσματα: 1) Τα apoE-/- πειραματόζωα που έλαβαν WTD δεν ανέπτυξαν παχυσαρκία σε αντίθεση με τα C57BL/6 WTD. 2) Στον μυελό των οστών των apoE-/- WTD ποντικιών παρατηρήθηκε πλήρης απουσία λιποκυττάρων, σε αντίθεση με τα C57BL/6 WTD ζώα των οποίων ο μυελός των οστών ήταν πλούσιος σε λιποκύτταρα. 3) Ο αριθμός των οστεοκλαστών ήταν σημαντικά αυξημένος, ενώ των οστεοβλαστών σημαντικά ελαττωμένος στα apoE-/- WTD πειραματόζωα σε σύγκριση με τα C57BL/6 WTD. 4) Η στατική και η δυναμική ιστομορφομετρία έδειξαν ότι τα apoE-/- ποντίκια, σε δίαιτα δυτικού τύπου, εμφάνισαν σημαντική ελάττωση της οστικής τους μάζας. 5) Το δίκτυο του κολλαγόνου στα apoE-/- WTD ποντίκια εμφανίστηκε σημαντικά πιο σκληρό, πιο άκαμπτο και κατά συνέπεια λιγότερο ελαστικό συγκρινόμενο με αυτό των C57BL/6 WTD. 6) Τα apoE-/- WTD ποντίκια, εμφάνισαν σημαντικά μειωμένα επίπεδα έκφρασης του ρυθμιστή της οστεοβλαστογένεσης Runx2, τόσο σε επίπεδο πρωτεΐνης όσο και σε επίπεδο mRNA, συγκρινόμενα με τα C57BL/6 WTD ζώα. 7) Τα επίπεδα έκφρασης των ρυθμιστών της οστικής ανακατασκευής RANK και RANKL, ήταν σημαντικά αυξημένα στα apoE-/- WTD ποντίκια σε σχέση με τα C57BL/6 WTD ποντίκια. Αντίθετα, τα επίπεδα έκφρασης του γονιδίου της OPG καθώς και η αναλογία OPG/RANKL, ήταν σημαντικά μειωμένα στα apoE-/- WTD ποντίκια. Δεν παρατηρήθηκαν σημαντικές διαφορές στην έκφραση των οστεοκλαστικών ρυθμιστών cathepsin K και TRAP μεταξύ των δύο υπό εξέταση ομάδων ζώων. 8) Ο ρυθμιστής της λιπογένεσης PPARγ, τόσο σε επίπεδο πρωτεΐνης όσο και σε επίπεδο mRNA, ήταν σημαντικά μειωμένος στα apoE-/- WTD ποντίκια σε σχέση με τα C57BL/6 WTD. Συμπεράσματα: 1) Η έλλειψη της apoE εμπλέκεται στην ελάττωση της οστικής μάζας σε ποντίκια υπό δίαιτα δυτικού τύπου 2) Η apoE φαίνεται ότι διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στη ρύθμιση της λειτουργίας των οστεοβλαστών, ενώ δεν είναι σαφής ο ρόλος της στη λειτουργία των οστεοκλαστών 3) Η έλλειψη της apoE, προστατεύει από την παχυσαρκία αλλά και την εναπόθεση λιποκυττάρων στον μυελό των οστών, κατόπιν λήψεως δίαιτας πλούσιας σε λιπαρά. 4) Η apoE ρυθμίζει τη διαφοροποίηση των MSC’s σε ερχόμενο στάδιο, καθώς η έλλειψή της επηρεάζει τόσο την οστεοβλαστική όσο και τη λιποβλαστική διαφοροποίηση, μετά από κατανάλωση δίαιτας δυτικού τύπου, πλούσιας σε λιπαρά. / Introduction: Recent data suggest that lipid metabolism imbalances affect bone cell function and therefore may result in the development of metabolic diseases such as osteoporosis. In the present study, we investigated the role of apoE, a plasma protein playing cardinal role in lipoprotein metabolism, in the regulation of osteoblasts, osteoclasts and lipoblasts and in the pathogenesis of osteoporosis. Material and Methods: We used apoE deficient (apoE-/-) and wild type (C57BL/6) mice (10 animals/ group). Mice were fed with standard western-type diet (WTD) for 24 weeks. Body weight measurements were obtained every 6 weeks. Two and seven days before euthanasia calcein was injected intraperitonealy for the determination of new bone formation rate. Following sacrifice, lumbar vertebrae and femora were removed and quantitative/qualitative study of the cortical and cancellous bone was performed using microCT scanner. In the tissue sections we perfomed histological (H&E) and histochemical (TRAP) analyses. Static and dynamic histomorphometry were employed for the determination of bone quality and bone cell function. Using Raman spectroscopy, the quality and biochemical composition of the collagen fibers of the examined femora were evaluated. Bone marrow mesenchymal stem cells (BMMSC) were isolated from mice femora and then assessed for the expression of the osteoblastic (Runx2, OSX, Col1a1), osteoclastic (OPG, RANKL, OPG/RANKL, RANK, TRAP, cathepsin K) and lipoblastic (PPARγ) regulators using Western Blotting, Flow Cytometry and RT-PCR. Results: 1) apoE-/- mice under WTD did not develop obesity and their BM was devoid of adipocytes, in contrast to the control mice. 2) Osteoclast number was significantly increased, while bone synthesis was significantly reduced in apoE-/- compared to the C57BL/6 mice that consumed WTD. 3) Static and dynamic histomorphometry showed that apoE-/- mice had sugnificantly reduced bone mass and impared bone architecture. 4) The collagen network in apoE-/- WTD mice was significantly stiffer and more rigid compared to the C57BL/6 WTD mice. 5) BMMSCs from apoE-/- WTD mice displayed significantly reduced Runx2 expression at both protein and mRNA levels compared to the control group. 6) The expression levels of RANK and RANKL, were significantly elevated in apoE-/- WTD mice compared to C57BL/6 WTD mice. In contrast, the gene expression levels of OPG and the ratio OPG / RANKL, were statistically significantly reduced in apoE-/- WTD mice. No significant differences were observed in the expression of cathepsin K and TRAP genes between the two test groups of animals. 7) The expression of the major lipoblastic regulator PPARγ was significantly reduced in apoE-/- WTD compared to their WT counterparts. Conclusions: 1) Low levels of apoE result in reduced bone mass following WTD. 2) apoE is implicated in the regulation of osteoblast function; nevertheless, its role in osteoclast function warrants further investigation. 3) The absence of apoE prevents obesity and BM adipocity after the consumption of WT (high-fat) diet. 4) apoE deficiency, regulates MSC differentiation at early stages, since its absence affects both the osteoblastic and lipoblastic differentiation, after the consumption of high fat diet.

Το αξιόπιστο πειραματικό μοντέλο της ωοθηκεκτομής σε επίμυες εφαρμόστηκε για τη μελέτη των παθογενετικών μηχανισμών της οστεοπόρωσης. Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν η διερεύνηση του ρόλου της λεπτίνης και των κυτοκινών RANKL και οστεοπροτεγερίνης (OPG) στην εξέλιξη της οστεοπόρωσης. Για την διεκπεραίωση της μελέτης χρησιμοποιήθηκαν 40 ενήλικοι θηλυκοί επίμυες ηλικίας 9 μηνών. Πριν την ωοθηκεκτομή στους επίμυες εφαρμόστηκε η τεχνική της ποσοτικής υπολογιστικής τομογραφίας (pQCT) παράλληλα με την πρωτοποριακή μη επεμβατική τεχνική του θερμοδυναμικού συντελεστή εσωτερικής απόσβεσης (MDF) ώστε να διαπιστωθεί η κατάσταση της οστικής πυκνότητας των πειραματόζωων. Σε χρονικά διαστήματα 20, 40 και 60 ημερών μετά την ωοθηκεκτομή πραγματοποιήθηκαν τυχαίες ομαδικές θυσίες με σκοπό τη συλλογή αίματος και την απομόνωση μηριαίων οστών και οστών κνήμης. Την 60η ημέρα πριν τη θυσία στην τελευταία ομάδα των ωοθηκεκτομήθέντων επίμυων επαναλήφθηκαν οι μετρήσεις pQCT και MDF για να διαπιστωθεί η εγκατάσταση σοβαρής οστεοπόρωσης με τη λήξη της πειραματικής πορείας. Οι οροί αίματος που συλλέχθηκαν από όλα τα χρονικά πειραματικά σημεία χρησιμοποιήθηκαν για τη διερεύνηση των επιπέδων έκφρασης των βιοχημικών δεικτών του οστικού μεταβολισμού NTx και οστεοκαλσίνης καθώς και της ελεύθερης λεπτίνης με την τεχνική της ενζυμικής ανοσοπροσρόφησης (ELISA). Στα οστά της κνήμης εφαρμόστηκε η τεχνική της ιστομορφομετρίας για τη μελέτη των μεταβολών της μικροαρχιτεκτονικής δομής των οστών κατά την εξέλιξη της οστεοπόρωσης. Επιπρόσθετα η τεχνική της ανοσοϊστοχημείας εφαρμόστηκε στα οστά της κνήμης για τη διερεύνηση των μεταβολών που προκαλεί η ωοθηκεκτομή στα επίπεδα έκφρασης του υποδοχέα της λεπτίνης και των κυτοκινών RANKL και οστεοπροτεγερίνης στους οστικούς κυτταρικούς πληθυσμούς. Στα μηριαία οστά εφαρμόστηκαν οι τεχνικές της ηλεκτροφόρησης σε πηκτή πολυακρυλαμιδίου (SDS-PAGE electrophoresis) και του ανοσοστυπώματος (Western Blot) για να συλλεχθούν επιπλέον πληροφορίες σχετικά με τις μεταβολές στα επίπεδα έκφρασης του υποδοχέα της λεπτίνης και των κυτοκινών RANKL και οστεοπροτεγερίνης κατά την εξέλιξη της οτεοπόρωσης. Τα συμπεράσματα που διεξάγονται από τα επιμέρους πειραματικά δεδομένα επιβεβαιώνουν την υπόθεση ότι η λεπτίνη κατέχει σημαντικό ρόλο στη ρύθμιση του οστικού μεταβολισμού και συμμετέχει ενεργά μέσω κάποιου άγνωστου μέχρι στιγμής μηχανισμού στη διαδικασία της οστικής ανακατασκευής στην οστεοπόρωση. Όσον αφορά τις ρυθμιστικές κυτοκίνες της οστεοκλαστογένεσης RANKL και OPG, διαπιστώθηκε ότι μεταβάλλονται σημαντικά κατά την εξέλιξη της οστεοπόρωσης στους ωοθηκεκτομηθέντες επίμυες, υποδηλώνοντας τη σημαντικότητα του ρόλου τους στον οστικό μεταβολισμό. / Ovariectomy in mature rats mimics the changes in bone metabolism observed in postmenopausal women and results in osteoporosis. The aim of this thesis was to investigate the role of leptin and the cytokine RANKL and Osteoprotegerin (OPG) in the progression of ovariectomy-induced osteoporosis. Nine–month-old female Wistar rats were bilaterally ovariectomized (n=40). Before the operation, pQCT and MDF technology were applied on rats in order to estimate the bone mineral density of the animals. On days 20, 40 and 60 after the operation the rats were randomly sacrificed and blood samples, dissected knees and femurs were collected. On day 60, pQCT and MDF techniques were applied in order to confirm the establishment of severe osteoporosis until the end of the experimental procedure. Leptin, and the biochemical markers of bone metabolism, osteocalcin and NTx, were measured in blood serum from all time points, by an ELISA method. Bone sections from the knees of the rats were examined by histomorphometric techniques in order to investigate the alterations in the micro-architectural structure of the skeleton caused by ovariectomy. Furthermore, immunohistochemistry was applied on knee sections and SDS-PAGE electrophoresis and western blot techniques were performed in femur homogenized tissueς, in order to investigate whether the expression levels of leptin receptor, RANKL and OPG were altered during the progression of osteoporosis. The results indicate that leptin is involved in the molecular mechanisms of bone remodeling in osteoporosis. The regulators of osteoclastogenesis, RANKL and OPG are also important players in the field of bone metabolism