published_or_final_version / abstract / Orthopaedics and Traumatology / Master / Master of Philosophy

The use of metals like titanium (Ti) and vanadium (V) are common in many medical implants for orthopaedic and orthodontic purposes. The most frequent cause of implant failure is aseptic loosening, resulting from an inflammatory reaction and increased osteolysis at the bone-metal interface. Currently, the pathophysiological mechanism of aseptic loosening remains poorly understood. One hypothesis suggests the reactivity of immune cells (metal hypersensitivity) towards metal ions released through the biocorrosion of metal implants. This thesis examines the effects of titanium and vanadium ions on various immune cells like monocytes, dendritic cells (DCs) and T-lymphocytes. Thereby investigating the role and mechanism which titanium and vanadium plays in aseptic loosening. Through energy filtered transmission electron microscopy, the accumulation of titanium ions was visualized in human monocyte-derived DCs and T-lymphocytes after 24 hours exposure. Titanium was seen to co-localise with phosphorous-rich regions, like the cell membrane, organelles and nucleus of these cells. Flow cytometry measured changes in the cell surface marker expression of monocytes, osteoclasts, DCs and T-lymphocytes treated with the metals. Monocytes exposed to titanium (IV) showed an increase of Tartate-Resistant Acid Phosphatase (TRAP), important for osteolysis and indicative of differentiation towards an osteoclast-like phenotype. DCs treated with Ti(IV) and vanadium (III) had reduced antigen presenting MHC class II expression, but not a reduced capacity to proliferate non-adherent peripheral blood monocytic cells (naPBMCs). Under the influence of Ti(IV), T-lymphocytes, DCs and monocytes expressed elevated levels of the chemokine receptor, CCR4. This would allow for the migration of CCR4+ cells towards the bone and skin regions. Functional changes were measured with BrdU incorporation proliferation assays, cytokine assays (CBA Kits) and the successful generation of titanium-specific T-lymphocytes from Ti(IV) treated DCs. Ti(IV) specific T-lymphocytes conceptually shows the possible formation of an antigenic titanium-protein complex, which can be recognized by the immune system. DCs treated with Ti(IV) and V(III) were able to cause the proliferation of naPBMCs, even with a reduced antigen presenting capability. However, there was no additional influence of V(III) on the immune response through DCs. Cytokines released by DCs and T-lymphocytes after Ti(IV) treatments showed a skew towards an inflammatory Th1-type response through the release of TGF-! and IL-12p70. Activated T-lymphocytes exposed to Ti(IV) also released RANK-L, which drives osteoclastogenesis and subsequently increased osteolysis. The research supports and suggests an interaction between immune and bone cells where titanium-induced inflammation drives an osteolytic cycle that prevents the integration of metal implants into the bone. Hence, suggesting a mechanism for implant failure through aseptic loosening in patients with titanium-vanadium implants.

[Truncated abstract] Bone is a living tissue and is maintained by the coordinate action of osteoblasts and osteoclasts. The intercellular communication between these two cells is the quintessential mechanism in bone remodelling. Unfortunately, the importance of this interaction is often neglected and its significance is only realised when disruption of this “cross-talk” results in debilitating bone diseases. Additionally, the number of known proteins that are involved in this “cross-talk”, especially those that are osteoclast-derived, and act specifically on osteoblasts, is limited. This discrepancy leads to the question: Can osteoclasts directly control the growth and function of osteoblastic cells by expressing specific proteins that bind directly to osteoblasts? If so, is it possible to use these proteins to control and, possibly, treat bone disease? The objective of this thesis is to identify and characterise osteoclast-derived factors that can modulate bone homeostasis, as well as contribute to the intercellular communication between osteoblasts and osteoclasts ... Collectively, the data in this thesis culminates in one important conclusion: the identification of a novel paracrine secretory factor that has the potential to directly induce the formation of bone. These findings represent the first ever characterisation of a protein that allows the osteoclasts to directly control the growth and function of osteoblasts. Due to the potential function of ODOF to induce bone formation, this protein may be used therapeutically to treat bone disease.

Thesis (Ph. D.)--University of Alabama at Birmingham, 1998. / eContent provider-neutral record in process. Description based on print version record. Includes bibliographical references.

Thesis (Ph. D.)--University of Alabama at Birmingham, 1998. / Includes bibliographical references.

Submitted by Marco Antonio Oliveira da Silva (maosilva@ipen.br) on 2017-11-09T12:05:14Z No. of bitstreams: 0 / Made available in DSpace on 2017-11-09T12:05:14Z (GMT). No. of bitstreams: 0 / A radioterapia clínica é de fundamental importância para o tratamento de lesões malignas localizadas na região de cabeça e pescoço, contudo, a exposição à irradiação ionizante, pode levar a complicações sistêmicas ou locais durante e após o tratamento radioterápico. Dentre estas complicações locais imediatas, destaca-se na cavidade oral a xerostomia e a consequente mucosite oral. A respeito das complicações tardias produzidas pela radioterapia, salientam-se a cárie de radiação e a osteorradionecrose, lesões dose dependentes, com alto nível de incidência nas últimas décadas e de difícil manejo, embora estas se apresentem após o término do tratamento e sob influência de fatores locais. A metodologia proposta no presente estudo visa analisar o efeito que exerce a radiação gama após a aplicação da radioterapia, utilizando-se a dose empregada em pacientes acometidos com câncer de cabeça e pescoço. As amostras foram obtidas a partir de esmalte dentário e dentina radicular humanos e osso mandibular suíno, as quais foram previamente polidas, e em seguida analisadas quanto à microdureza de superfície inicial de todos os grupos. Posteriormente, as amostras foram irradiadas sob uma taxa de dose de 4 Gy por dia, completando uma dose total de 72 Gy. Finalmente, as amostras foram submetidas a análise da microdureza de superfície após irradiação, a qual apresentou resultados estatisticamente significantes a partir dos testes de t de student, ANOVA e Tukey com respeito à diferença da média dos valores iniciais e finais de cada grupo de estudo com um valor de p = 0,00 (<0.05). Quanto à análise morfológica na microscopia eletrônica de varredura (MEV), o efeito deletério da irradiação gama manifestou-se na forma de trincas, quebras e fraturas superficiais dos tecidos analisados e à análise bioquímica pela técnica de reflexão total atenuada por meio da espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier (ATR - FTIR), a degradação dos componentes inorgânicos e a desnaturação dos compostos orgânicos foi evidente, pelo qual determinou-se o efeito deletério da irradiação gama sobre os tecidos duros da cavidade bucal com respeito às propriedades mecânicas, composicionais e morfológicas, e da ação contribuinte desta independente dos fatores locais e sistêmicos no paciente irradiado. / Dissertação (Mestrado em Tecnologia Nuclear) / IPEN/D / Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN-CNEN/SP

[Truncated abstract] Intracellular communication between osteoclasts and osteoblasts is imperative to maintain bone integrity. A myriad of molecules are responsible for regulating osteoblast and osteoclast activity. In particular, it is well documented that osteoblast-derived factors are crucial in directly controlling osteoclast formation and function. Since bone formation is coupled to bone resorption, it would be expected that osteoclasts also have some role in regulating the growth and function of osteoblast cells. However, despite extensive research upon osteoclast and osteoblast biology, the mechanisms by which osteoclasts regulate osteoblast growth and function is not well understood. In an attempt to further elucidate the mechanisms by which osteoclasts and osteoblasts communicate, the technique of subtractive hybridisation was used to identify a novel osteoclastderived factor identical to that of mouse Seminal Vesicle Secretion VII (SVS VII). Previous characterisation of the gene in bone demonstrated that SVS VII was abundantly and specifically expressed by mature osteoclasts (Phan, 2004). Additional research hinted that SVS VII acted as a novel osteoclast-derived factor, that by paracrine mechanisms, targeted osteoblast function (Phan, 2004). However, it remained open as to whether the SVS VII molecule did uniquely target the osteoblast, and whether this interaction influenced bone formation in vivo. Therefore, this thesis endeavoured to functionally characterise the role of the SVS VII molecule in the bone environment. ... Further work is needed to identigy a clear consensus binding sequence, to determine the specificity of the interaction between SVS VII protein and each phage clone, and to isolate a specific binding partner for SVS VII. In conclusion, the studies of this thesis sought to characterise the significance of SVS VII expression by mature osteoclasts, relative to its effects on osteoblast behaviour, but failed to conclusively determine a role for SVS VII in bone. Given that the effects of SVS VII on in vitro osteoblast activity and function are minimal, it is doubtful that SVS VII primarily acts as a paracrine factor integral to osteoblast function. Therefore, these findings conflict with those presented previously (Phan, 2004). However, it was demonstrated that SVS VII treatment was associated with in vivo effect on the skeleton, suggesting that SVS VII may target other elements of the bone microenvironment. Via mechanisms not yet understood, which possibly involves additional factors of the bone 11 extracellular matrix, SVS VII may target a subset of osteoprogenitor cells within the bone environment and act to regulate their proliferation. Therefore, SVS VII may enhance osteogenic precursor cell number at sites of bone formation which would increase the pool of cells that can differentiate down the osteoblast linage and contribute to bone formation. In this regard, SVS VII might function in a manner homologous to the Ly-6 molecule Sca-1 and act as an important factor that maintains a balance between the bone formation and resorption process. Clearly, more work focusing on alternative facets of bone biology is needed to identify whether there is a significant role for SVS VII in skeletal tissue.

Το οστό αποτελεί ένα ιδανικό περιβάλλον για μετάσταση, καθώς η συνεχής και δυναμική ανάπλασή του παρέχει μια γόνιμη βάση για την παλιννόστηση και τον πολλαπλασιασμό των καρκινικών κυττάρων. Ο μεταβολισμός του οστού αποτελείται από το στάδιο της απορρόφησης (bone resorption), το στάδιο του σχηματισμού (bone formation) και το στάδιο της ηρεμίας. Το 65-75% των γυναικών με καρκίνο του μαστού εμφανίζουν οστικές μεταστάσεις, καθώς τα καρκινικά κύτταρα του μαστού εμφανίζουν αυξημένο οστεοτροπισμό. Τα καρκινικά κύτταρα του μαστού όταν μεταναστεύουν στο οστό εκκρίνουν διάφορους αυξητικούς παράγοντες και κυτταροκίνες, οι οποίοι μέσω των οστεοβλαστών, υπερενεργοποιούν τους οστεοκλάστες με αποτέλεσμα την διατάραξη της φυσιολογικής ομοιοστασίας του οστού. Η αυξημένη οστεολυτική δραστηριότητα έχει ως αποτέλεσμα την απελευθέρωση αυξητικών παραγόντων που βρίσκονται εγκλωβισμένοι στο οστό, οι οποίοι συμβάλλουν στην επιβίωση και τον πολλαπλασιασμό των καρκινικών κυττάρων στο περιβάλλον του οστού. Έτσι εγκαθιδρύεται ένας ‘φαύλος κύκλος’ μεταξύ την ενεργοποίησης των οστεοκλαστών και την ανάπτυξης του όγκου στο περιβάλλον του οστού. Η οστική νόσος στον καρκίνο έχει σημαντικές κλινικές εκδηλώσεις που επηρεάζουν την ποιότητα ζωής του ασθενή. Αυτές περιλαμβάνουν πόνο στον σκελετό, εξασθένηση της κινητικότητας, υπερασβεστιαιμία, συχνά κατάγματα, συμπίεση των νευρικών ριζών και του νωτιαίου μυελού, καθώς και διαταραχές αιμοποίησης. Για την αντιμετώπιση των εκδηλώσεων της οστικής νόσου και γενικότερα των ασθενειών με αυξημένη οστεοκλαστική δραστηριότητα έχει εγκριθεί από τον FDA η χορήγηση διφωσφονικών. Τα διφωσφονικά είναι συνθετικά ανάλογα του πυροφωσφορικού (PPi), όπου οι δύο φωσφονικές ομάδες ενώνονται μέσω φωσφοαιθερικού δεσμού με ένα κεντρικό άτομο άνθρακα (P–C–P) στο οποίο είναι ομοιοπολικά συνδεδεμένες δύο πλευρικές αλυσίδες. Χωρίζονται σε δύο κατηγορίες τα αμινο-διφωσφονικά και τα μη αμινο-διφωσφονικά με διαφορετικούς μηχανισμούς δράσης. Το ζολενδρονικό ανήκει στην κατηγορία των αμινο-διφωσφονικών και δρα αναστέλλοντας την συνθάση του πυροφωσφορικού φαρνεσυλίου (FPP) στο μονοπάτι του μεβαλονικού. Το γεγονός αυτό έχει ως αποτέλεσμα την αναστολή της σύνθεσης των ισοπρενοϊδών λιπδίων FPP και πυροφωσφορικό γερανυλγερανύλιο (GGPP). Τα FPP και GGPP είναι απαραίτητα για την πρενυλίωση δηλαδή την λιπιδική τροποποίηση των μικρών GTPασων. Η πρενυλίωση είναι απαραίτητη για την «αγκυροβόληση» τους στην κυτταροπλασματική πλευρά τις κυτταρικής μεμβράνης 274 και ως εκ τούτου στην λειτουργία των σηματοδοτικών αυτών πρωτεϊνών που είναι επίσης απαραίτητη για την λειτουργία των οστεοκλαστών. Αρχικός σκοπός της διατριβής ήταν να εξετάσει την επίδραση του ζολενδρονικού σε βασικές ιδιότητες των καρκινικών κυττάρων, όπως είναι ο ανεξέλεγκτος πολλαπλασιασμός και η διήθηση σε γειτονικούς ιστούς. Για τα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν χρησιμοποιήθηκαν δύο καρκινικές επιθηλιακές κυτταρικές σειρές από ανθρώπινο μαστό, με διαφορετική μεταστατική ικανότητα και διαφορετική έκφραση οιστρογοϋποδοχέων. Οι πειραματικές μελέτες που πραγματοποιήθηκαν σε θρεπτικό υλικό παρουσία ορού, ώστε να υπάρχει διέγερση των κυττάρων από μίγμα αυξητικών παραγόντων που υπάρχει στον ορό, έδειξαν ότι το ζολενδρονικό ανέστειλε στατιστικώς σημαντικά των κυτταρικό πολλαπλασιασμό και των δύο κυτταρικών σειρών. Επίσης αξιοσημείωτο είναι ότι το ζολενδρονικό ανέστειλε σε σημαντικό βαθμό την διήθηση και των δύο καρκινικών σειρών είτε χρησιμοποιήθηκε ως χημειοτακτικό ορός είτε εθισμένο υλικό καλλιέργειας από ινοβλάστες μαστού. Για την περαιτέρω μελέτη της ανασταλτικής δράσης του ζολενδρονικού στην διηθητική ικανότητα των καρκινικών κυττάρων, μελετήθηκε η δράση του σε βασικές διεργασίες των καρκινικών κυττάρων που συμβάλλουν στην διηθητική τους ικανότητα, την ικανότητα προσκόλλησης τους στον ECM και την κινητικότητά τους. Η επώαση των καρκινικών κυττάρων με ζολενδρονικό είχε ως αποτέλεσμα την σημαντική αναστολή της ικανότητας προσκόλλησης τους σε όλα τα συστατικά του ECM για την MDA-MB-231 σειρά, ενώ για την MCF-7 παρατηρήθηκε αναστολή της προσκόλλησης σε όλα τα συστατικά του ECM με μόνη διαφορά ότι η αναστολή αυτή δεν ήταν στατιστικώς σημαντική για τα κολλαγόνα τύπου Ι και IV. Η μελέτη της κινητικότητας των καρκινικών κυττάρων μελετήθηκε με δύο τρόπους, έτσι ώστε να έχουμε μια πιο ξεκάθαρη εικόνα για την δράση του ζολενδρονικού. Και από τις δύο πειραματικές τεχνικές παρατηρήθηκε ότι η κυτταρική κινητικότητα αναστέλλεται σημαντικά υπό την επίδραση του ζολενδρονικού για τα MDA-MB-231 κύτταρα. Αξιοσημείωτο είναι το γεγονός ότι η ανασταλτική δράση του ζολενδρονικού στην κυτταρική κινητικότητα παρατηρήθηκε και στην συγκέντρωση των 3μΜ. Ο εξωκυττάριος χώρος δεν είναι ένα απλό υποστηρικτικό σύστημα μορίων του συνδετικού ιστού, αλλά αποτελεί μια δομική μονάδα η οποία λαμβάνει μέρος σε φυσιολογικές αλλά και παθολογικές διεργασίες. Η σημαντικότητα της δομής και Περίληψη 275 λειτουργικότητας των μορίων του εξωκυττάριου χώρου στις παθοφυσιολογικές διαδικασίες τον καθιστούν ως ένα από τα σημαντικότερα προς μελέτη πεδία. Είναι ευρέως γνωστό ότι οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ καρκινικών κυττάρων και των συστατικών του εξωκυττάριου χώρου, εκτός από την επαγωγή του κυτταρικού πολλαπλασιασμού, είναι σημαντικές για την πρόοδο του καρκίνου, την αγγειογέννεση και τη μετάσταση. Με βάση τη σύγχρονη βιβλιογραφία, αλλά και την μακροχρόνια εμπειρία και το δημοσιευμένο έργο του εργαστηρίου μας, είναι γνωστό ότι αλλαγές στην έκφραση τριών ο σημαντικών κατηγοριών μορίων του εξωκυττάριου χώρου, των PGs των MMPs και των ιντεγκρινών, μπορεί να έχουν σημαντικές συνέπειες στην ανάπτυξη και την πρόοδο του καρκίνου του μαστού. Για το σκοπό αυτό έγινε εκτενής μελέτη στο επίπεδο της δράσης του ζολενδρονικού στις κατηγορίες αυτών των μορίων. Η χορήγηση του ζολενδρονικού στα κύτταρα είχε ως αποτέλεσμα την αναστολή της έκφρασης, ενός σημαντικού για την οστική μετάσταση μορίου, της συνδεκάνης-1 τόσο σε γονιδιακό όσο και σε πρωτεϊνικό επίπεδο και στις δύο καρκινικές σειρές. Επίσης ανέστειλε την γονιδιακή έκφραση της συνδεκάνης -2 στην MCF-7 και MDAMB- 231 παρατηρήθηκε μια τάση αναστολής της. Για την συνδεκάνη-4 δεν επηρέασε την γονιδιακή της έκφραση στην MDA-MB-231, ενώ στην MCF-7 την ανέστειλε. 6στόσο σε πρωτεϊνικό επίπεδο αύξησε την έκφραση της και στις δύο καρκινικές σειρές, γεγονός που υποδεικνύει πως καταστέλλει τον μηχανισμό αποικοδόμησής της. Βάσει πρόσφατων μελετών η αύξηση της έκφρασης της συνδεκάνης-4 έχει ως αποτέλεσμα την καταστολή της κινητικότητας των κυττάρων, γεγονός που εξηγεί την παρατηρούμενη από το ζολενδρονικό μείωση στην κινητικότητα των κυττάρων. Η μελέτη της δράσης του ζολενδρονικού στην έκφραση των MMPs και των TIMPs έδωσε σημαντικά στοιχεία για την παρατηρούμενη αναστολή της διηθητικής ικανότητας των καρκινικών κυττάρων, καθώς η έκφραση της των MMPs που μελετήθηκαν και στις δύο καρκινικές σειρές μειώθηκε σημαντικά, ενώ η έκφραση των TIMPs αυξήθηκε σημαντικά. Όσον αφορά τις ιντεγκρίνες, των οποίων ο ρόλος στην κυτταρική προσκόλληση είναι γνωστός, στα κύτταρα MDA-MB-231 το ζολενδρονικό προκάλεσε στατιστικά σημαντική αναστολή στην έκφραση των υπομονάδων α1, α4, α5, β1, β2, β6 των ιντεγκρινών, καθώς και στις ιντεγκρίνες αvβ3 και α5β1, προκάλεσε σχεδόν πλήρη αναστολή στην έκφραση των β3 και αvβ5, επαγωγή στις αv και β4 υπομονάδες και δεν επηρέασε την έκφραση των α2 και α3. Αντίστοιχα, στα MCF-7 το ζολενδρονικό προκάλεσε αναστολή στην έκφραση των 276 υπομονάδων α2, α3, α5, αν, αvβ3, β1, β2, β3, β6 και των ιντεγκρινών αvβ5 και α5β1. Προκάλεσε επίσης επαγωγή στην υπομονάδα α1, ενώ δεν επηρέασε την έκφραση των υπομονάδων α4 και β4. Αξιοσημείωτη είναι η αναστολή της αvβ3, καθώς το ετεροδιμερές αυτό παίζει σημαντικό ρόλο στην μετάσταση των καρκινικών κυττάρων στο οστό. Συγκρίνοντας τα πειράματα της κυτταρικής προσκόλλησης και της έκφρασης των ιντεγκρινών παρατηρείται συμφωνία μεταξύ τους. Σημαντική επίσης για την αντικαρκινική και αντιμετασταστική δράση του ζολενδρονικού είναι η παρατηρούμενη αναστολή της έκκρισης του HA και της έκφρασης του υποδοχέα του, του CD44, καθώς το και τα δύο μόρια ξεχωριστά αλλά και ως σύμπλοκο διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην πρόοδο του καρκίνου και στην μετάσταση του στα οστά. Επόμενος σκοπός της διατριβής ήταν να μελετηθεί η επίδραση του ζολενδρονικού εκεί που κυρίως δίνει μετάσταση ο καρκίνος του μαστού, δηλαδή στα οστά. Για το λόγο μελετήθηκε η δράση του στην ενεργοποίηση των πρώιμων οστεοκλαστων σε υπόστρωμα οστού, χρησιμοποιώντας ως δείκτες την TRAP 5b και το NTx, και διαπιστώθηκε πως το ζολενδρονικό μπορεί να επάγει την αναστολή της οστεοκλαστογένεσης με μηχανισμό ο οποίος δεν βασίζεται στην υπερέκκριση της OPG. Επίσης ανέστειλε την έκφραση της ΜΜP-9, η οποία πέρα από την αποικοδομητική της δράση, αποτελεί και δείκτη της οστεοκλαστικής σειράς. Στην συνέχεια μελετήθηκε η ενεργοποίηση των οστεοκλαστών σε ένα πειραματικό μοντέλο που περιλάμβανε την συν-καλλιέργεια πρώιμων οστεοκλαστών και καρκινικών κυττάρων της σειράς MDA-MB-231 παρουσία και απουσία αυξητικών παραγόντων που επάγουν την ενεργοποίηση των οστεοκλαστών. Και στις δύο περιπτώσεις η ωρίμανση των οστεοκλαστών αναστάλθηκε δοσο-εξαρτώμενα. Αξιοσημείωτο είναι το γεγονός ότι τα καρκινικά κύτταρα μπορούν από μόνα τους να επάγουν την ενεργοποίηση των οστεοκλαστών καθώς και ότι ζολενδρονικό αναστέλλει την ενεργοποίηση των οστεοκλαστων στην χαμηλή συγκέντρωση των οστεοκλαστών. Επίσης και στις δύο περιπτώσεις το ζολενδρονικό μείωσε σημαντικά το φορτίο των ζελατινασών στο περιβάλλον του οστού μειώνοντας έτσι και την λυτική τους δραστηριότητα. Όπως είναι γνωστό όταν τα καρκινικά κύτταρα μεταναστεύουν στο περιβάλλον του οστού ουσιαστικά εκμεταλλεύονται του μηχανισμούς αποικοδόμησης έτσι ώστε να δημιουργήσουν ένα περιβάλλον ευνοϊκό για την επιβίωσή τους. Για το λόγο αυτό μελετήθηκε η δράση του ζολενδρονικού στην δραστικότητα ενεργών οστεοκλαστών Περίληψη 277 καθώς και σε μόρια, όπως η TRAP, η β3 ιντεγκρίνη, η καθεψίνη Κ και οι MMP-1, -9, -14, που παίζουν σημαντικό ρόλο στην λειτουργία τους. Τα αποτελέσματα από την μέτρηση του NTx έδειξαν πως το ζολενδρονικό καταστέλλει την δραστικότητα των οστεοκλαστών. Όσον αφορά τα μόρια που μελετήθηκαν το ζολενδρονικό ανέστειλε την έκφραση τους στην συγκέντρωση των 15 μΜ, ενώ στην συγκέντρωση των 3 μΜ είτε ανέστειλε την έκφραση τους (ΜΜP-1, MT1-MMP, ιντεγκρίνη β3) είτε δεν την επηρέασε (καθεψίνη Κ, TRAP) είτε την αύξησε (MMP-9). Η μελέτη της πρωτεϊνικής έκφρασης της ΜΜP- 9 εμφάνισε το ίδιο μοτίβο με την γονιδιακή της έκφραση. Όπως είναι γνωστό η χημειοθεραπεία στον καρκίνο δεν έγκειται στην χορηγία ενός μόνο φαρμάκου αλλά σε συνδυασμούς φαρμάκων. Για το λόγο αυτό αξιολογήθηκε η δράση του ζολενδρονικού με άλλα γνωστά αντικαρκινικά μόρια (λετροζόλη και STI571), των οποίων η δράση τους έχει μελετηθεί και αξιολογηθεί από το εργαστήριο Βιοχημείας. Τα μόρια αυτά είναι η λετροζόλη και ο μοριακός αναστολέας STI571. Παρουσία των δύο ειδικών αναστολέων παρατηρήθηκε ενίσχυση της ανασταλτικής δράσης του ζολενδρονικού στον κυτταρικό πολλαπλασιασμό, χωρίς ωστόσο να παρατηρείται συνεργιστική δράση τους. Συνοψίζοντας το ζολενδρονικό φαίνεται να έχει σημαντική in vitro αντικαρκινική δράση, καθώς εμφανίζει ανασταλτική δράση στον πολλαπλασιασμό των καρκινικών κυττάρων και στα επιμέρους βήματα της μεταστατικής διαδικασίας. Επιδρά σε μόρια που παίζουν σημαντικό ρόλο στην εξάπλωση του όγκου και φαίνεται να μπορεί να διακόψει το ‘φαύλο κύκλο’ της οστικής νόσου στον καρκίνο του μαστού. Η χρησιμοποίηση του μαζί με άλλα αντικαρκινικά μπορεί να αυξήσει την ανασταλτική του ικανότητα. Περαιτέρω μελέτες θα βοηθήσουν στην in vivo επιβεβαίωση των παραπάνω και συγκεκριμένα ότι το ζολενδρονικό εν δυνάμει θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως αντικαρκινικός παράγοντας σε γυναίκες με καρκίνο του μαστού, έτσι ώστε να αποφευχθούν οι πιθανές μεταστάσεις στα οστά. / In this doctoral thesis the effect of zoledronic acid (zol) on human MDA-MB- 231 and MCF-7 breast cancer cell lines on cell proliferation, invasion, adhesion and migration were examine. The obtained results demonstrated that zoledronate effectively reduced cell growth for both cancer cell lines. Moreover the effect of zol on key matrix molecules that implicated in cell migration, invasion and metastasis, such as Proteoglycans, Metalloproteinase and integrins were studied. In both cell lines the inhibition of expression of both protein and gene levels were demonstrated. In order to evaluated the effect of zol on the activation of osteoclasts, bone particles with the appropriate growth factors were co-cultured with MDA-MB-231 cells. Conclusively the result of this thesis demonstrated that zol inhibits migration and invasiveness of breast cancer cells, which is of crucial importance in preventing the spread in bone inviroment.

Die Regeneration und Rekonstruktion von Knochendefekten stellt eine klinische Herausforderung dar. Überschreitet ein knöcherner Defekt eine kritische Größe, ist das Regenerationsvermögen des Körpers nicht ausreichend, um den Defekt vollständig mit Knochengewebe zu schließen. Um das Einwachsen von Bindegewebe und den Verlust der Stützfunktion des Knochens zu verhindern, ist es notwendig, einen solchen Defekt mit einem Knochenersatzmaterial zu versorgen. Bei Patienten mit einer systemischen Skeletterkrankung, wie Osteoporose, liegen erschwerte Bedingungen für den Heilungsprozess vor. Osteoporose bedingt ist die Remodellierung des Knochens beeinträchtigt. Dies äußert sich in einer verzögerten Knochenheilung sowie in einer veränderten Knochenarchitektur und entstehenden Mikrofrakturen. Die Kombination aus der Fragilität des osteoporotischen Knochens und einer altersbedingten erhöhten Sturzgefahr resultiert in einem mit zunehmendem Alter steigenden Frakturrisiko. Knochendefekte und pathologische Frakturen, die Patienten im Verlauf einer postmenopausalen oder altersbedingten Osteoporose entwickeln, betreffen häufig die Wirbelsäule oder den Schenkel-hals. Die nur langsam oder nahezu nicht heilenden Frakturen gehen nicht nur mit Schmerzen einher, sondern schränken die Patienten auch funktionell in ihrem Alltag ein und können zur Pflegebedürftigkeit und Bettlägerigkeit führen. Die medizinische Versorgung solcher Defekte und Frakturen mit geeigneten Knochenersatzmaterialien ist nicht nur eine klinische, sondern eine interdisziplinäre Problemstellung.

Tissue engineering has emerged as a promising alternative to conventional orthopaedic grafting therapies. The general paradigm for this approach, in which phenotype-specific cells and/or bioactive growth factors are integrated into polymeric matrices, has been successfully applied in recent years toward the development of bone, ligament, and cartilage tissues in vitro and in vivo. Despite these advances, an optimal cell source for skeletal tissue repair and regeneration has not been identified. Furthermore, the lack of robust, functional orthopaedic tissue interfaces, such as the bone-ligament enthesis, severely limits the integration and biological performance of engineered tissue substitutes. This works aims to address these limitations by spatially controlling the genetic modification and differentiation of fibroblasts into a mineralizing osteoblastic phenotype within three-dimensional polymeric matrices. The overall objective of this project was to investigate transcription factor-based gene therapy strategies for the differentiation of fibroblasts into a mineralizing cell source for orthopaedic tissue engineering applications. Our central hypothesis was that fibroblasts genetically engineered to express Runx2 via conventional and biomaterial-mediated ex vivo gene transfer approaches will differentiate into a mineralizing osteoblastic phenotype. We have demonstrated that a combination of retroviral Runx2 overexpression and glucocorticoid hormone treatment synergistically induces osteoblastic differentiation and biological mineral deposition in primary dermal fibroblasts cultured in monolayer. We report for the first time that glucocorticoids induce osteoblastic differentiation in this model system by modulating the phosphorylation state of a negative regulatory serine residue (Ser125) on Runx2 through an MKP-1-dependent mechanism. Furthermore, we utilized these Runx2-genetically engineered fibroblasts to create mineralized templates for bone repair in vitro and in vivo. Finally, we engineered a heterogeneous bone-soft tissue interface with a novel biomaterial-mediated gene transfer approach. Overall, these results are significant toward the ultimate goal of regenerating complex, higher-order orthopaedic grafting templates which mimic the cellular and microstructural characteristics of native tissue. Cellular therapies based on primary dermal fibroblasts would be particularly beneficial for patients with a compromised ability to recruit progenitors to the sight of injury as result of traumatic injury, radiation treatment, or osteodegenerative disease.