Zugl.: München, Univ., Diss., 2008

Das RANKL/RANK/OPG-System spielt eine entscheidende Rolle in der Steuerung der Osteoklastendifferenzierung und -aktivierung durch Osteoblasten/ Knochenmarkbindegewebszellen im Rahmen des Knochenremodelings. Osteoblasten/Knochenmarkbindegewebszellen exprimieren RANKL. Dieses hat im Körper zwei Rezeptoren: RANK und OPG. RANKL kann durch Bindung an RANK auf Osteoklasten/Osteoklastenvorläuferzellen in Gegenwart von M-CSF seine osteoklastenstimulierende Wirkung entfalten. Der ebenfalls von Osteoblasten gebildete „decoy“-Rezeptor OPG blockiert als freies Protein durch Bindung an RANKL dessen Interaktion mit RANK und verhindert somit die Osteoklastogenese und Osteoklastenaktivierung. Das RANKL/RANK/OPG-System erfüllt im Körper noch weitere Funktionen im Immunsystem, in der Organentwicklung lymphatischer Gewebe und in der Entwicklung der laktierenden Brustdrüse. Viele Zytokine greifen hemmend oder aktivierend in die Osteoklastogenese ein. Sie können dies zum einen durch die Beeinflussung des RANKL/OPG-Verhältnisses, zum anderen durch direkte Interaktion mit Osteoklasten/Osteoklastenvorläuferzellen tun. Zytokine, die die Osteoklastogenese begünstigen, werden vor allem bei inflammatorischen Prozessen ausgeschüttet. Zusammen mit dem, bei diesen Zuständen von aktivierten T-Zellen produzierten RANKL kann dies längerfristig zu einem Knochenverlust führen, welcher sich im klinischen Bild der Osteoporose äußert. Aus den in der vorliegenden Dissertation durchgeführten Untersuchungen ergeben sich folgende Schlussfolgerungen: 1. Monozyten der Zelllinie RAW 264.7 lassen sich, wie bereits in der Literatur beschrieben, durch Zugabe von M-CSF und RANKL zu osteoklastenähnlichen Zellen differenzieren. 2. Die Osteoklastogenese lässt sich anhand der Veränderung verschiedener osteoklastenspezifischer Parameter charakterisieren. Es zeigt sich bei den mit M-CSF und RANKL stimulierten Monozyten eine erhöhte Transkription von CTR (Calcitoninrezeptor)- und TRAP (tartratresistente saure Phosphatase)-mRNA, eine erhöhte Expression des CTR-Proteins, eine erhöhte TRAP-Aktivität und eine Formierung TRAP-positiver mehrkerniger Riesenzellen, die in diesen Eigenschaften Osteoklasten entsprechen. Die zusätzliche Zugabe von TGF-b1 in Kombination mit M-CSF und RANKL resultiert in einer verstärkten Expression von CTR-mRNA und CTR-Protein. TRAP-mRNA-Expression und TRAP-Aktivität bleiben davon unbeeinflusst. 3. Als funktionelles Merkmal der in vitro differenzierten Osteoklasten können ihre Fähigkeit zur Ausbildung von Aktinringen und die Resorption von mineralisiertem Kollagen nachgewiesen werden. 4. Im Verlauf ihrer Differenzierung sekretieren Osteoblasten unterschiedliche Mengen an OPG. Das Maximum der Synthese liegt bei Tag 11. Freies RANKL lässt sich in Überständen von MC3T3-E1-Osteoblasten nicht nachweisen. 5. Das von Osteoblasten in das Medium abgegebene OPG ist in der Lage, die durch RANKL induzierte Osteoklastogenese von RAW-Monozyten zu hemmen. 6. In Kokulturen von MC3T3-E1-Osteoblasten und RAW-Monozyten kann keine Osteoklastogenese beobachtet werden, wahrscheinlich durch Fehlen der RANKLExprimierung oder zu starke OPG-Sekretion durch Osteoblasten. Besonders in der westlichen Welt mit ihrer hohen Lebenserwartung haben Krankheiten mit Knochenverlust sowie bösartige Neubildungen mit Knochenbefall eine große medizinische Bedeutung. Die Beeinflussung des RANKL/RANK/OPG-Systems bietet eine vielversprechende Möglichkeit zur Entwicklung hochwirksamer und nebenwirkungsarmer Medikamente zur Behandlung dieser Zustände.

Das RANKL/RANK/OPG-System spielt eine entscheidende Rolle in der Steuerung der Osteoklastendifferenzierung und -aktivierung durch Osteoblasten/ Knochenmarkbindegewebszellen im Rahmen des Knochenremodelings. Osteoblasten/Knochenmarkbindegewebszellen exprimieren RANKL. Dieses hat im Körper zwei Rezeptoren: RANK und OPG. RANKL kann durch Bindung an RANK auf Osteoklasten/Osteoklastenvorläuferzellen in Gegenwart von M-CSF seine osteoklastenstimulierende Wirkung entfalten. Der ebenfalls von Osteoblasten gebildete „decoy“-Rezeptor OPG blockiert als freies Protein durch Bindung an RANKL dessen Interaktion mit RANK und verhindert somit die Osteoklastogenese und Osteoklastenaktivierung. Das RANKL/RANK/OPG-System erfüllt im Körper noch weitere Funktionen im Immunsystem, in der Organentwicklung lymphatischer Gewebe und in der Entwicklung der laktierenden Brustdrüse. Viele Zytokine greifen hemmend oder aktivierend in die Osteoklastogenese ein. Sie können dies zum einen durch die Beeinflussung des RANKL/OPG-Verhältnisses, zum anderen durch direkte Interaktion mit Osteoklasten/Osteoklastenvorläuferzellen tun. Zytokine, die die Osteoklastogenese begünstigen, werden vor allem bei inflammatorischen Prozessen ausgeschüttet. Zusammen mit dem, bei diesen Zuständen von aktivierten T-Zellen produzierten RANKL kann dies längerfristig zu einem Knochenverlust führen, welcher sich im klinischen Bild der Osteoporose äußert. Aus den in der vorliegenden Dissertation durchgeführten Untersuchungen ergeben sich folgende Schlussfolgerungen: 1. Monozyten der Zelllinie RAW 264.7 lassen sich, wie bereits in der Literatur beschrieben, durch Zugabe von M-CSF und RANKL zu osteoklastenähnlichen Zellen differenzieren. 2. Die Osteoklastogenese lässt sich anhand der Veränderung verschiedener osteoklastenspezifischer Parameter charakterisieren. Es zeigt sich bei den mit M-CSF und RANKL stimulierten Monozyten eine erhöhte Transkription von CTR (Calcitoninrezeptor)- und TRAP (tartratresistente saure Phosphatase)-mRNA, eine erhöhte Expression des CTR-Proteins, eine erhöhte TRAP-Aktivität und eine Formierung TRAP-positiver mehrkerniger Riesenzellen, die in diesen Eigenschaften Osteoklasten entsprechen. Die zusätzliche Zugabe von TGF-b1 in Kombination mit M-CSF und RANKL resultiert in einer verstärkten Expression von CTR-mRNA und CTR-Protein. TRAP-mRNA-Expression und TRAP-Aktivität bleiben davon unbeeinflusst. 3. Als funktionelles Merkmal der in vitro differenzierten Osteoklasten können ihre Fähigkeit zur Ausbildung von Aktinringen und die Resorption von mineralisiertem Kollagen nachgewiesen werden. 4. Im Verlauf ihrer Differenzierung sekretieren Osteoblasten unterschiedliche Mengen an OPG. Das Maximum der Synthese liegt bei Tag 11. Freies RANKL lässt sich in Überständen von MC3T3-E1-Osteoblasten nicht nachweisen. 5. Das von Osteoblasten in das Medium abgegebene OPG ist in der Lage, die durch RANKL induzierte Osteoklastogenese von RAW-Monozyten zu hemmen. 6. In Kokulturen von MC3T3-E1-Osteoblasten und RAW-Monozyten kann keine Osteoklastogenese beobachtet werden, wahrscheinlich durch Fehlen der RANKLExprimierung oder zu starke OPG-Sekretion durch Osteoblasten. Besonders in der westlichen Welt mit ihrer hohen Lebenserwartung haben Krankheiten mit Knochenverlust sowie bösartige Neubildungen mit Knochenbefall eine große medizinische Bedeutung. Die Beeinflussung des RANKL/RANK/OPG-Systems bietet eine vielversprechende Möglichkeit zur Entwicklung hochwirksamer und nebenwirkungsarmer Medikamente zur Behandlung dieser Zustände.

Ziel der Studie lag in der Analyse des Zusammenhangs von Muskel- und Knochenmasse als Surrogat für Kraft und Knochenfestigkeit. In der vorliegenden Arbeit wurden 265 gesunde und chronisch kranke Kinder und Jugendliche auf ihre Körperzusammensetzung untersucht.(Anorexia nervosa: 40, Hypophosphatasie: 10, Kraniopharyngeom: 12 und juveniles Rheuma: 68, Referenzgruppe: 79 gesunde weissrussische Mädchen und 56 Jungen). Die Untersuchungsergebnisse der DXA Messungen bestätigen , dass die Knochenmasse als Surrogat für Festigkeit eng mit der Muskelmasse korreliert. Mit zunehmender Muskelmasse steigt auch der BMC an. Die Ergebnisse der Studie stehen im Einklang mit dem von Frost postuliertem Regelkreis, der einen kausalen Zusammenhang zwischen Muskelkraft und Knochenfestigkeit beschrieb. Generell zeigte sich, dass das Surrogat Knochendichte diesen Zusammenhang weniger scharf beschreibt als die Knochenmasse. Darüber hinaus fanden sich Störungen des Regelkreises, deren Ursachen zum Teil Gegenstand der Abklärung in weiterführenden Studien bleiben. / The aim of the study lay in the analysis of the connection of muscle mass and osseous mass as a surrogate for strength and osseous firmness. In the present work 265 became recovers and chronically ill children and youngsters on her body composition examined. (anorexia nervosa: 40, hypophosphatasia: 10, craniopharyngeoma: 12 and juvenile rheumatisms: 68, authoritative group: 79 healthy Belorussian girls and 56 boys). The investigation results of the measurements DXA confirm that the osseous mass correlates as a surrogate for firmness closely with the muscle mass. With increasing muscle mass also rises of the BMC. The results of the study stand in the harmony with the control circuit postulated by „Frost“ which described a causal connection between muscular strength and osseous firmness.In general appeared that the surrogate describes osseous density this connection less sharply than the osseous mass. In addition, disturbances of the control circuit whose causes remain partly an object of the clarification in continuing studies were found.

Weißbüschelaffen sind häufig verwendete Tiermodelle in der Forschung. Jedoch gibt es zu wenige Untersuchungen zu ihrem Knochenaufbau und Knochenstoffwechsel, um sie auch als Modell auf dem Gebiet der Knochenkrankheiten einsetzen zu können. Somit war es das Ziel dieser Studie, Richtwerte der Knochendichte von Weißbüschelaffen aufzustellen, diese mit denen des Menschen und anderer nichtmenschlicher Primaten zu vergleichen, sowie bestimmte Einflussfaktoren, wie Gewicht, Alter oder hormonelle Umstellungen auf die Knochendichte abzuklären. Desweiteren sollte mittels einer histologischen Darstellung der Knochen, sowie mittels immunhistologischen Nachweisen verschiedener knochenspezifischer Antigene, Gemeinsamkeiten oder Unterschiede zum Menschen im Hinblick auf Veränderungen im Knochen aufgedeckt werden. Abschließend stellte sich dann noch die Frage, ob ein therapeutisches Eingreifen bei niedriger messbarer Knochendichte möglich ist, um die Lebenssituation wieder zu verbessern. Hierzu wurde von 58 C.j. mit Hilfe des Aloka®-CT knochenspezifische Parameter im Bereich des vierten Lendenwirbels (L4) gemessen. Zusätzlich wurde Ca, Pi, AP und Östrogen im Blut bestimmt. Knochenschnitte von L4, Femurkopf/Femurhals und Femurschaft von fünf euthanasierten C.j. (4 männliche, 1 weibliches) wurden histologisch, sowie immunhistologisch (Bestimmung von OPN, OC, RUNX 2, Kollagen Typ 1, Kollagen Typ 5) untersucht. Abschließend wurde bei 2 Tieren eine Therapie mittels Zufütterung von Ca und Vitamin D durchgeführt. Trotz Unterschieden in der Höhe des BMD zum Menschen, konnten Gemeinsamkeiten bei der Reaktion auf Gewichtsveränderungen und Alter festgestellt werden. Eine Zunahme des Gewichts führte zu einer signifikanten Zunahme des BMD. Männliche Weißbüschelaffen zeigten einen Anstieg des BMD bis zu einem Alter von 96 Monaten, was bei Menschen Knochenmassepeak genannt wird, und danach einen signifikanten Abfall. Das bedeutet, dass die Knochen im Alter, genau wie beim Menschen, eine größere Frakturneigung zeigen, als bei jungen Tieren. Desweiteren zeigten Tiere mit einem hohen BMD eine signifikant niedrigere AP, als Tiere mit einem niedrigen BMD. Somit konnte dargestellt werden, dass die AP auch beim C.j. einen Marker für die Osteopenie darstellt. Dies ist ebenfalls eine Gemeinsamkeit mit dem Menschen. Immunhistologisch konnten die Knochenformationsmarker OPN, OC und RUNX 2 nur in den stabilen, bruchfesten Knochen nachgewiesen werden. Kollagen Typ I und V wurden in allen Knochen detektiert. Eine Therapie mittels Ca und Vitamin D bei Tieren mit einem pathologisch niedrigem BMD und klinischen Symptomen, zeigte einen deutlichen Anstieg der Knochendichte nach einem halben Jahr, sowie ein Verschwinden der klinischen Symptome. Schlussfolgernd lässt sich sagen, dass der Weißbüschelaffe trotz unterschiedlicher Knochendichtewerte, ein sehr gutes Tiermodell darstellt zur Untersuchung von Erkrankungen, die sich im Knochen manifestieren (z.B. Osteoporose, Ostemalazie).

Weißbüschelaffen sind häufig verwendete Tiermodelle in der Forschung. Jedoch gibt es zu wenige Untersuchungen zu ihrem Knochenaufbau und Knochenstoffwechsel, um sie auch als Modell auf dem Gebiet der Knochenkrankheiten einsetzen zu können. Somit war es das Ziel dieser Studie, Richtwerte der Knochendichte von Weißbüschelaffen aufzustellen, diese mit denen des Menschen und anderer nichtmenschlicher Primaten zu vergleichen, sowie bestimmte Einflussfaktoren, wie Gewicht, Alter oder hormonelle Umstellungen auf die Knochendichte abzuklären. Desweiteren sollte mittels einer histologischen Darstellung der Knochen, sowie mittels immunhistologischen Nachweisen verschiedener knochenspezifischer Antigene, Gemeinsamkeiten oder Unterschiede zum Menschen im Hinblick auf Veränderungen im Knochen aufgedeckt werden. Abschließend stellte sich dann noch die Frage, ob ein therapeutisches Eingreifen bei niedriger messbarer Knochendichte möglich ist, um die Lebenssituation wieder zu verbessern. Hierzu wurde von 58 C.j. mit Hilfe des Aloka®-CT knochenspezifische Parameter im Bereich des vierten Lendenwirbels (L4) gemessen. Zusätzlich wurde Ca, Pi, AP und Östrogen im Blut bestimmt. Knochenschnitte von L4, Femurkopf/Femurhals und Femurschaft von fünf euthanasierten C.j. (4 männliche, 1 weibliches) wurden histologisch, sowie immunhistologisch (Bestimmung von OPN, OC, RUNX 2, Kollagen Typ 1, Kollagen Typ 5) untersucht. Abschließend wurde bei 2 Tieren eine Therapie mittels Zufütterung von Ca und Vitamin D durchgeführt. Trotz Unterschieden in der Höhe des BMD zum Menschen, konnten Gemeinsamkeiten bei der Reaktion auf Gewichtsveränderungen und Alter festgestellt werden. Eine Zunahme des Gewichts führte zu einer signifikanten Zunahme des BMD. Männliche Weißbüschelaffen zeigten einen Anstieg des BMD bis zu einem Alter von 96 Monaten, was bei Menschen Knochenmassepeak genannt wird, und danach einen signifikanten Abfall. Das bedeutet, dass die Knochen im Alter, genau wie beim Menschen, eine größere Frakturneigung zeigen, als bei jungen Tieren. Desweiteren zeigten Tiere mit einem hohen BMD eine signifikant niedrigere AP, als Tiere mit einem niedrigen BMD. Somit konnte dargestellt werden, dass die AP auch beim C.j. einen Marker für die Osteopenie darstellt. Dies ist ebenfalls eine Gemeinsamkeit mit dem Menschen. Immunhistologisch konnten die Knochenformationsmarker OPN, OC und RUNX 2 nur in den stabilen, bruchfesten Knochen nachgewiesen werden. Kollagen Typ I und V wurden in allen Knochen detektiert. Eine Therapie mittels Ca und Vitamin D bei Tieren mit einem pathologisch niedrigem BMD und klinischen Symptomen, zeigte einen deutlichen Anstieg der Knochendichte nach einem halben Jahr, sowie ein Verschwinden der klinischen Symptome. Schlussfolgernd lässt sich sagen, dass der Weißbüschelaffe trotz unterschiedlicher Knochendichtewerte, ein sehr gutes Tiermodell darstellt zur Untersuchung von Erkrankungen, die sich im Knochen manifestieren (z.B. Osteoporose, Ostemalazie).:Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis 1 Einleitung 1 2 Literaturübersicht 4 2.1 Der Knochenstoffwechsel 4 2.2 Tiermodelle für Untersuchungen zu Veränderungen im Knochenstoffwechsel 5 2.3 Der Weißbüschelaffe 8 2.4 Computertomografie 9 3 Ergebnisse 3.1 paper 1: “Analysis of the bone metabolism by quantitative computer tomography and clinical chemistry in a primate model (Callithrix jacchus)” (veröffentlicht im Journal of medical primatology 2011) 11 3.2 paper 2: “The conclusiveness of less-invasive imaging techniques (computer tomography, X-ray) with regard to their identification of bone diseases in a primate model (Callithrix jacchus)” (veröffentlicht im Journal of medical primatology 2012) 22 4 Diskussion 4.1 Basiswerte zu computertomografischen Untersuchungen des Knochens des Callithrix jacchus und dessen Vergleichbarkeit mit anderen nichtmenschlichen Primaten sowie mit dem Menschen 31 4.2 Einflussfaktoren auf den Knochenstoffwechsel des Weißbüschelaffen 33 4.3 Beurteilung der Aussagekraft gering invasiver Untersuchungsmethoden anhand histologischer und immunhistologischer Darstellungen von Lendenwirbel und Oberschenkelknochen bei klinisch auffälligen Weißbüschelaffen 39 4.4 Therapie bei auffällig niedriger Knochendichte mit Beeinträchtigungen des Allgemeinverhaltens 44 5 Zusammenfassung 46 6 Summary 48 7 Literaturverzeichnis 50 8 Anhang 8.1 Abstrakt zu einem Poster, vorgestellt auf dem FELASA 2010 Congress vom 14.-17. Juni 2010 in Helsinki 8.2 Abstrakt zu einem Poster (Posterpreis erhalten), vorgestellt auf dem 9. Research Festival for Life Sciences am 17. Dezember 2010 in Leipzig Danksagung

Die Hochdosischemotherapie stellt für Patienten unter 60 Jahren die Standardtherapie des multiplen Myeloms dar. Nach 600 Hochdosischemotherapiezyklen mit autologer peripherer Stammzelltransplantation zeigten sich erstmals Grundkrankheit, Alter und Zahl der transplantierten Stammzellen als unabhängige Einflußfaktoren für die Rate der dokumentierten Infektionen. Die Dauer der schweren Mukositis beeinflußte sowohl die Rate der Infektionen, als auch die therapieassoziierte Mortalität signifikant. Die Angiogenese im Knochenmark stellte bei Patienten mit multiplem Myelom einen unabhängigen Prognosefaktor für das Überleben dar. Myelom-Patienten wiesen im Vergleich zu gesunden Probanden eine signifikant erhöhte bFGF(basic fibroblast growth factor)-Konzentration im Serum auf. Es zeigte sich ein signifikanter Anstieg der bFGF Konzentration parallel zur Progression der Erkrankung vom Stadium I bis zum Stadium III. Eine effektive Chemotherapie ging mit signifikanten Reduktionen der Serum-Konzentrationen von drei angiogen wirksamen Zytokinen VEGF (vascular endothelial growth factor), bFGF und HGF (hepatocyte growth factor) sowie der Angiogenese im Knochenmark einher. Die Induktion der Knochenresorption stellt eines der wichtigsten weiteren Charakteristika von malignen Plasmazellen dar. In einer vergleichenden Untersuchung zeigte sich, daß unter den Knochenstoffwechselparametern ICTP (carboxyterminales quervernetztes Typ I Kollagen Telopeptid), NTx (aminoterminales Kollagen Typ I Telopeptid) und DPD (Desoxypyridinolin) das erstgenannte sich am besten zur Kontrolle der Progression eignet und dieser Parameter auch einen signifikanten Prognosefaktor für die Überlebenszeit darstellt. Die Hinweise, daß eine frühzeitige Bisphosphonattherapie die Progression des multiplen Myeloms hemmen könnte, hat uns veranlaßt, die erste prospektiv randomisierte Studie einer Bisphosphonattherapie beim multiplen Myelom im Stadium I in Zusammenarbeit mit der Deutschen Studiengruppe Multiples Myelom zu initiieren. Darüber hinaus wird in dieser Arbeit auf die prognostische Relevanz zytogenetischer und molekulargenetischer Befunde beim multiplen Myelom sowie auf die Möglichkeit immunphänotypischer Untersuchungen zur Differenzierung zwischen multiplem Myelom und monoklonaler Gammopathie unbestimmter Signifikanz (MGUS) eingegangen. / High-dose chemotherapy is the standard treatment for patients with multiple myeloma younger than 60 years. In 600 cycles of high-dose chemotherapy with autologous blood stem cell transplantation, we found that the type of the malignant disease, age and number of transplanted stem cells were independent prognostic factors for the rate of documented infections. The duration of severe mucositis was significantly associated both with the rate of infections and treatment-related mortality. The angiogenesis in bone marrow was found to be an independent prognostic factor for survival in patients with multiple myeloma. Myeloma patients had significantly elevated serum bFGF (basic fibroblast growth factor) levels in comparison to healthy controls. Serum bFGF levels increased parallel to the progression of multiple myeloma from stage I to stage III. Effective chemotherapy was associated with significant reductions in serum levels of three angiogenic cytokines VEGF (vascular endothelial growth factor), bFGF and HGF (hepatocyte growth factor) and the bone marrow angiogenesis. The induction of bone resorption is one of the most important characteristics of malignant plasma cells. In a comparative analysis of bone resorption parameters ICTP (carboxy-terminal telopeptide of type-I collagen), NTx (amino-terminal collagen type-I telopeptide) and DPD (deoxypyridinoline) we found that ICTP was the most suitable marker for the detection of progression in multiple myeloma and that ICTP was a significant prognostic factor for survival in this disease. The findings that an early start of a treatment with bisphosphonates might delay the progression of multiple myeloma has lead us to start the first prospective randomized trial of bisphosphonate treatment in stage I in collaboration with the German Study Group Multiple Myeloma. Furthermore the prognostic relevance of cytogenetic and moleculargenetic findings in multiple myeloma and the use of immunophenotypic analysis for the differentiation of multiple myeloma and monoclonal gammopathy of undetermined significance (MGUS) was discussed in this work.

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