Prothesennahe osteolytische Läsionen in Form von Lysesäumen und Zysten sind wegen des Risikos einer aseptischen Lockerung mitunter die häufigsten Gründe für ein Prothesenversagen in der Sprunggelenkendoprothetik. Die Genese dieser osteolytischen Läsionen ist aktuell noch nicht abschließend geklärt, bei weitestgehender Übereinstimmung in der Literatur jedoch multifaktoriell. Die Dissertation befasst sich mit dem Vergleich des kurz- bis mittelfristigen radiologischen Outcomes zweier unterschiedlicher Spunggelenkendoprothesen, welche jedoch - bis auf die Befestigungsart des Inlays - nahezu baugleich sind. Dabei wurde überprüft, ob die Befestigungsart des Inlays (mobil oder fixiert) einen Einfluss auf die Ausbildung periprothetischer Lysesäume und Zysten im Nachbeobachtungszeitraum hat. Es erfolgte zudem ein Vergleich der Survival Rates beider Gruppen. Zu den jährlichen Nachbeobachtungszeiträumen wurden die angefertigten Röntgenbilder auf die Ausbildung von relevanten prothesennahen Zysten und Lysesäumen hin untersucht. Zusammenfassend ergab sich zwischen den beiden Gruppen in Hinsicht auf die Entstehung prothesennaher Zysten sowohl bezüglich der Gesamtzahl sowie des betroffenen Knochens kein signifikanter Unterschied, obwohl Zysten in der Gruppe mit mobilem Inlay insgesamt häufiger auftraten. Auch in Hinsicht auf die Entstehung von Lysesäumen gab es bezüglich der Gesamtzahl keinen signifikanten Unterschied. In der Gruppe mit fixiertem Inlay kamen allerdings prothesennahe Lysesäume in der Tibia signifikant häufiger vor als in der Gruppe mit mobilem Inlay. In Hinsicht auf die Survival Rates zeigte sich ebenfalls kein signifikanter Unterschied. Weitere prospektive, randomisierte Studien mit größeren Patientenkollektiven und längerem Followup werden nötig sein, um im Verlauf einen zu erwartenden signifikanten Unterschied zwischen beiden Prothesengruppen bezüglich der Entstehung prothesennaher osteolytischer Läsionen und ein konsekutives Prothesenversagen feststellen zu können. / Osteolytic lesions in periprosthetic bone tissue – in the shape of radiolucent lines or cysts – are one of the greatest risks for overall survival in total ankle arthroplasty because they can lead to aseptic loosening in the long run. The genesis of such lesions is still not entirely clear but has been described as multifactorial in current literature. This dissertation aims to compare the short- to mid-term radiological results of two total ankle prostheses of nearly identical design except for the bearing of the inlay (mobile versus fixed). The main goal was to find out if the type of bearing has an influence on the formation of periprosthetic osteolytic lesions. Moreover, a survival rate analysis was performed. For the annual follow-up, x-rays were analyzed to detect above mentioned osteolytic lesions. In summary, there was no statistically significant difference between the two patient groups in terms of cyst formation regarding the total number and affected bone, although cyst formation in the mobile bearing group was more prevalent. There was no statistically significant difference between the two groups concerning the overall number of radiolucent lines, however they were significantly more frequent in the tibial bone in the fixed bearing group. There was also no statistically significant difference concerning the overall survival rates. Further randomized prospective studies with greater patient numbers and longer follow-up will be necessary to detect a significant difference concerning the formation of osteolytic lesions and overall survival in the two patient groups in the future.

Techn. Universiẗat, Diss., 2005--München.

Das Multiple Myelom (MM) ist eine hämatologische Erkrankung, welche sich durch eine Akkumulation von malignen Plasmazellen im Knochenmark auszeichnet und eine gestörte Hämatopoiese und Osteolyse zur Folge hat. Komplexe molekulare Interaktionen zwischen MM-Zellen und der Mikroumgebung/Nische im Knochenmark (bone marrow microenvironment, BMM) führen zu einer Aktivierung von verschiedenen Wachstums-, Überlebens- und anti-apoptotischen Signalwegen, die zur Entstehung bzw. Wirkstoffresistenz von MM-Zellen beitragen. IL-6R/STAT3, Ras/MAPK und PI3K/Akt sind die drei wichtigsten Signalwege, die mit dem Wachstum und der Entwicklung des MM assoziiert sind. Auf der anderen Seite sind Myelomzellen insensitiv gegenüber einer Blockade des IL6R/STAT3-Signalweges bzw. des Ras/MAPK-Signalwegs in der Gegenwart von Knochenmarksstromazellen (bone marrow stroma cells, BMSCs), was die Entbehrlichkeit dieser beiden Signalwege unter Ko-Kultur-Bedingungen nahelegt. Interessanterweise aber induziert die gleichzeitige Unterbrechung der IL6R/STAT3 und Ras/MAPK Signalwege Apoptose in MM-Zellen. Ziel der Arbeit war die Identifizierung und Analyse von Zielgenen, die von beiden Signalwegen und nicht durch einen Signalweg alleine reguliert werden. Genexpressionsanalysen zeigten eine deutliche Herunterregulierung der Proteine Hsp90alpha und Hsp90beta nach einer gleichzeitigen Inhibition der IL6R/STAT3 und Ras/MAPK Signalwege. In Hinblick auf die zentrale Rolle von Hsp90 in der Tumorbiologie fokussiert sich die vorliegende Arbeit auf die Erforschung der Rolle von Hsp90 im Multiplen Myelom. Die siRNA-vermittelte Herunterregulation der Proteinexpression von Hsp90-Proteinen zeigte, daß das Ausschalten von HsP90alpha alleine nur zu einer moderaten Apoptoseinduktion in INA-6- und MM.1s-Zellen führte. Die gleichzeitige Herunterregulation von HsP90beta hingegen führte zu einer Verstärkung dieses Effektes und deutet darauf hin, daß beide Proteine miteinander kooperieren. Die pharmakologische Inhibition der Hsp90-Funktion mittels eines neuen Hsp90-Inhibitors (17-DMAG) führte zu einer Verringerung von phospho-ERK1/2, zur Degradation von STAT3 und zu einem verminderten Überleben von MM-Zellen. Die pro-apoptotischen Effekte der gestörten Hsp90-Funktion konnten weder durch BMSCs und Osteoklasten noch durch ECs (??) abgeschwächt werden, obwohl für ECs beschrieben wurde, daß sie zum Wachstum und Überleben von MM-Zellen beitragen können. Diese Beobachtungen deuten auf einen positiven Rückkopplungskreislauf zwischen HsP90alpha/beta und den wichtigsten Signalwegen hin, welcher das Überleben von MM-Zellen gewährleistet. Desweiteren zeigten immunhistologische Analysen, daß Hsp90-Proteine im Vergleich zu MGUS (??) bzw. normalen Plasmazellen in MM-Plasmazellen hochreguliert sind. Zusammengefasst zeigen die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit die essentielle Rolle von Hsp90-Proteinen für die Überlebensfähigkeit von MM-Zellen. Ein neuer Mechanismus der Hsp90-Regulation durch das Zusammenwirken der Signalwege IL6R/STAT3 und Ras/MAPK in MM-Zellen konnte gezeigt werden. Darüber hinaus deuten die Ergebnisse darauf hin, daß ein positiver Rückkopplungskreislauf zwischen Hsp90-Proteinen und den wichtigsten Signalwegen existiert, welcher zum Wachstum und zur Entwicklung von MM-Zellen beiträgt. Die Inhibition der Hsp90-Funktion durch den pharmakologischen Inhibitor 17-DMAG führte zum Absterben von MM-Zellen und der pro-apoptotische Effekt der Hsp90-Depletion konnte nicht durch unterstützende BMM-Zellen aufgehoben werden. Diese Beobachtungen untermauern die multifunktionelle Rolle von Hsp90 in der MM-Biologie und zeigen die Wichtigkeit der Entwicklung neuer therapeutischer Wirkstoffe zur Inhibition der Hsp90-Funktion bei der Behandlung des MM. / Multiple myeloma (MM) is a haematological malignancy characterised by the accumulation of malignant plasma cells in the bone marrow leading to impaired haematopoiesis and osteolytic bone destruction. Intricate molecular interactions between MM cells and the BMM activate a diverse set of growth, survival and anti-apoptotic signaling cascades that mediate tumor progression and drug resistance. IL-6R/STAT3, Ras/MAPK and PI3K/Akt are the three major signal transduction pathways that are associated with MM growth and progression. However, myeloma cells have shown independence from IL-6R/STAT3 blockade or insensitivity towards Ras/MAPK pathway inhibition in the presence of BMSCs, indicating the dispensability of both in co-culture conditions. Interestingly, concomitant disruption of both IL-6R/STAT3 and Ras/MAPK pathways was successful to drive MM cells into significant apoptosis. This study aimed to identify and analyse the downstream target genes that are regulated by both pathways and not by either pathway alone. Gene expression profiling revealed prominent downregulation of Hsp90alpha and Hsp90beta proteins after combined inhibition of the IL-6R/STAT3 and Ras/MAPK pathways. Owing to the important role played by Hsp90 in cancer biology, this study was narrowed down to investigate the role of Hsp90 in MM. Specific siRNA-mediated knockdown of Hsp90 proteins showed that although knockdown of Hsp90beta was sufficient to induce moderate apoptosis in INA-6 and MM.1s cells, the effect was more pronounced when both Hsp90 proteins were targeted, indicating co-operation between them. Pharmacological inhibition of Hsp90 function by using a novel Hsp90 inhibitor (17-DMAG) down-regulated the levels of pERK1/2 and led to degradation of STAT3 and decreased viability of MM cells. The pro-apoptotic effects of compromised Hsp90 function could not be alleviated by either BMSCs, OCs or ECs, which are well-known to support myeloma growth and survival. These observations point to the existence of a positive feedback loop consisting of Hsp90alpha/beta and major signaling pathways supporting MM cell survival. Furthermore, immunohistochemical analysis unveiled the up-regulated status of Hsp90 proteins in MM PCs as compared to MGUS or normal PCs. Taken together, the results of this study explain the critical contribution of Hsp90 proteins to MM cell survival. A novel mechanism of Hsp90 regulation by co-operation between the IL-6R/STAT3 and Ras/MAPK pathways was discovered in myeloma cells. There is also strong evidence of the existence of a positive feedback loop between Hsp90alpha/beta proteins and major signaling pathways supporting MM growth and progression. Inhibition of Hsp90 function by using the Hsp90 inhibitory drug 17-DMAG proved to be lethal for myeloma cells and the pro-apoptotic effects of Hsp90 blockade could not be reversed by the presence of cells from the supportive BMM. These observations highlight a multi-functional role of Hsp90 in MM biology and strongly strengthen the notion that therapeutic strategies targeting Hsp90 may open new perspectives for anti-myeloma drug development.

Hyperthyroidism causes secondary osteoporosis through favoring bone resorption over bone formation, leading to bone loss with elevated bone fragility. Osteocytes that reside within lacunae inside the mineralized bone matrix orchestrate the process of bone remodeling and can themselves actively resorb bone upon certain stimuli. Nevertheless, the interaction between thyroid hormones and osteocytes and the impact of hyperthyroidism on osteocyte cell function are still unknown. In a preliminary study, we analyzed bones from male C57BL/6 mice with drug-induced hyperthyroidism, which led to mild osteocytic osteolysis with 1.14-fold larger osteocyte lacunae and by 108.33% higher tartrate-resistant acid phosphatase (TRAP) activity in osteocytes of hyperthyroid mice compared to euthyroid mice. To test whether hyperthyroidism-induced bone changes are reversible, we rendered male mice hyperthyroid by adding levothyroxine into their drinking water for 4 weeks, followed by a weaning period of 4 weeks with access to normal drinking water. Hyperthyroid mice displayed cortical and trabecular bone loss due to high bone turnover, which recovered with weaning. Although canalicular number and osteocyte lacunar area were similar in euthyroid, hyperthyroid and weaned mice, the number of terminal deoxynucleotidyl transferase–mediated deoxyuridine triphosphate nick end labeling (TUNEL)-positive osteocytes was 100% lower in the weaning group compared to euthyroid mice and the osteocytic TRAP activity was eightfold higher in hyperthyroid animals. The latter, along with a 3.75% lower average mineralization around the osteocyte lacunae in trabecular bone, suggests osteocytic osteolysis activity that, however, did not result in significantly enlarged osteocyte lacunae. In conclusion, we show a recovery of bone microarchitecture and turnover after reversal of hyperthyroidism to a euthyroid state. In contrast, osteocytic osteolysis was initiated in hyperthyroidism, but its effects were not reversed after 4 weeks of weaning. Due to the vast number of osteocytes in bone, we speculate that even minor individual cell functions might contribute to altered bone quality and mineral homeostasis in the setting of hyperthyroidism-induced bone disease. © 2022 The Authors. Journal of Bone and Mineral Research published by Wiley Periodicals LLC on behalf of American Society for Bone and Mineral Research (ASBMR).

In dieser Doktorarbeit wird die Hypothese geprüft, ob Osteozyten einen direkten Einfluss auf die Knocheneigenschaften in ihrer unmittelbaren Umgebung haben. Der zentrale Experimentieransatz ist dabei die Korrelation der Organisation des Osteozytennetzwerks mit den Mineraleigenschaften des Knochens auf der Submikrometerebene. Es wird gezeigt, dass bereits die anfängliche Ausrichtung der Osteoblasten entscheidend für die Synthese von hoch ausgerichtetem Knochenmaterial ist. Die dabei entstehenden Osteozytennetzwerke sind so organisiert, dass die Osteozyten und ihre Zellfortsätze jeweils einen möglichst kleinen Abstand zum Knochenmineral haben. Deshalb wird vermutet, dass genau diese Netzwerkorganisation mitentscheidend ist, wie gut die Zellen das Mineral in ih-rer Umgebung beeinflussen können. Messungen der Knochenmineraleigenschaften auf Submikrometerebene mit Röntgenkleinwinkelstreuung bestätigen diese Vermutung. Dabei wird deutlich, dass Knochenmaterial in der Nähe der Osteozyten durch andere Mineraleigenschaften geprägt ist. Um zu klären, wie Osteozyten Mineral in ihrer direkten Umgebung verändern können, werden Mechanismen der passiven Mineralherauslösung aus der mineralisierten Oberfläche des Osteozytennetzwerks untersucht. Es wird gezeigt, dass kalziumarme ionische Lösungen unter physiologischen Bedingungen große Mengen von Kalzium-Ionen aus dem Knochen lösen und diese dann durch die Osteozytennetzwerkstrukturen diffundieren können. Zum Abschluss wurde medullärer Knochen von Hühnern als ein Modellsystem für rasanten Knochenumbau untersucht. Dieser spezielle Knochentyp dient den Hennen als labiles Kalziumreservoir und ermöglicht dadurch die tägliche Eierschalenproduktion. Experimente am medullären Knochen-material zeigen insbesondere die Bedeutung von weniger stabilen Mineralstrukturen die benötigt werden um den Knochen an den schnellen, sich wiederholenden Knochenauf- sowie Abbau optimal anzupassen. / This thesis aims to test the hypothesis whether osteocytes have a direct influence on bone material properties in their vicinity. In this regard, the concomitant ana-lysis of osteocyte network organization and bone ultrastructural properties on the submicron level is the central approach to answer this question. In this work, it is shown that already initial cell-cell alignment during the process of bone formation is crucial for the synthesis of highly organized bone. Furthermore it is proposed that the occurrence of highly ordered osteocyte networks visualized with confocal laser scanning microscopy (CLSM) has a strong impact on the ability of osteocytes to directly influence bone material properties. These highly organized networks are another consequence of initial cell-cell alignment and are found to be arranged such as to feature short mineral cell distances. Examination of sub-micron mineral properties with scanning small angle x-ray scattering (sSAXS) shows that bone material in the direct vicinity of osteocytes and their cell proc-esses shows different mineral properties compared to bone further away in the depth of the tissue. Moreover, mechanisms of passive mineral extraction from the mineralized surface of the osteocyte network, due to the treatment with calcium poor ionic solutions, are investigated. It is shown that this chemical process occurring under physiological conditions leads not only to the dissolution of considerable amounts of calcium, but also to efficient diffusion of these ions through the osteocyte network structures. Finally, medullary bone which is intended as a labile calcium source for daily egg shell formation in hens is used as a model system for rapid bone turnover rates. This bone type in particular indicates the importance of uniquely adapted, less stable mineral structures to fit the requirements for rapid bone resorption as well as reformation.