Vitales Knochengewebe ist ständigen Umbauprozessen unterworfen. Entsteht ein Defekt, wird der Knochen durch neugeformte Strukturen repariert. In diesen Prozess sind verschiedene Zelltypen involviert, darunter Osteoblasten, Osteozyten und Osteoklasten (Teitelbaum, 2000a; Ross und Christiano, 2006; Zhang et al., 2012). In der Wiederherstellungs-Chirurgie ist Knochenersatz von großer Bedeutung, wenn schwere skelettale Schäden auftreten (Onoda et al., 2011). Auto- als auch Allotransplantationen von Knochengeweben sind aufgrund der guten osteoinduktiven und biochemischen Eigenschaften noch immer der Goldstandard (Parikh, 2002; Sen und Miclau, 2007; Zhang et al., 2012). Aufgrund der Knappheit der zur Verfügung stehenden muskuloskelettalen Spendermaterialien und der zugleich steigenden Anzahl von notwendigen Knochenmaterialtransplantationen wird vermehrt nach Materialersatz gesucht. Der ideale Knochentransplantatersatz ist biokompatibel, bioresorbierbar, dirigiert die Richtung der Knochenneubildung (osteokonduktiv), regt die Knochenneubildung an (osteoinduktiv), ist strukturell knochenähnlich, einfach anzuwenden und kosteneffektiv (Greenwald et al., 2001; Parikh, 2002; Chim und Schantz, 2005; Zhang et al., 2012). Tissue Engineering ist ein interdisziplinäres Gebiet der Wissenschaft, welches die Prinzipien des Ingenieurwesens und der Biowissenschaften auf die Entwicklung biologischer Ersatzmaterialien anwendet, die für die Wiederherstellung, Erhaltung oder Verbesserung von Gewebe- oder Organfunktionen eingesetzt werden (Langer, 1993; Nerem und Sambanis, 1995). Langfristig sollen für die Implantation geeignete Systeme entwickelt oder in vivo Geweberemodelling ermöglicht werden. Hauptkomponente des Tissue Engineering ist der Einsatz lebender Zellen und/oder extrazellulärer Matrixbestandteile in der Entwicklung solcher Systeme und Konstrukte, die implantiert zur Wiederherstellung oder zum Ersatz der biologischen Funktionen führen. Um das biologische Verhalten der Konstrukte kontrollieren zu können, erfordert die Entwicklung das Verständnis der Struktur-Funktions-Beziehung von Zellen, Geweben und Organen. Die extrazelluläre Matrix der biologischen Systeme ist ebenfalls von großer Bedeutung, da sie ihre mechanischen Eigenschaften bestimmt. Chemische und strukturelle Stabilität sind weitere notwendige Eigenschaften, um das Überleben der Zellen nach der Implantation in der in vivo Umgebung zu gewährleisten (Nerem und Sambanis, 1995). Denkansätze im Tissue Engineering beinhalten die Nutzung von Scaffolds, Zellen und deren Kombination. Häufigster Ansatz ist der Einsatz resorbierbarer oder biologisch abbaubarer Scaffolds, die an die Umgebung des lebenden Gewebes angepasst sind und mit lebenden Zellen besiedelt werden können. Die Zellen proliferieren und organisieren sich in der dreidimensionalen Struktur des Scaffolds und beginnen mit der Produktion adäquater extrazellulärer Matrix. Während der Formierung, Ablagerung und Organisation der neu generierten Matrix wird die Startmatrix des Scaffolds abgebaut, resorbiert und metabolisiert (Nerem und Sambanis, 1995; Stock und Vacanti, 2001). Die Zellen differenzieren sich auf dem Scaffold zu den gewünschten Organ- beziehungsweise Gewebezellen bevor die in vitro besiedelten Matrizen implantiert werden. Am Ende des Prozesses ist ein lebendes Gewebe oder Organ entstanden, welches die Funktion des Gewebes / Organs im Körper erhält, wieder herstellt oder verbessert. Das Risiko immunologischer Abwehrreaktionen, ebenso wie das Risiko viraler Infektionen wird beim Tissue Engineering durch den Einsatz autologer Spenderzellen umgangen. Die eingesetzten Scaffolds müssen zudem biokompatibel sein und den nutritiven als auch biologischen Ansprüchen der spezifischen Zellpopulation gerecht werden, die in der Gewebeformation involviert ist (Stock und Vacanti, 2001). Ein weiterer Ansatz ist es, Zellen von biologischer Matrix enzymatisch oder durch Detergenzien zu entfernen und diese dezellularisierte Matrix anschließend zu verwenden. Es handelt sich dabei um allogenes oder xenogenes Gewebe. Diese Matrix ist dann theoretisch biologisch abbaubar beziehungsweise resorbierbar und müsste sich gut für die Besiedlung mit Zellen eignen. Alternativ werden artifizielle Matrizen im Tissue Engineering eingesetzt (Stock und Vacanti, 2001; Heinemann et al., 2011). In Abbildung 1.1 ist das Prinzip des Tissue Engineering dargestellt (Drosse et al., 2008). Bei der Therapie von Knochendefekten in lasttragenden Regionen werden häufig nichtresorbierbare Materialien wie Metalle und Keramiken eingesetzt (Navarro et al., 2008). Der Einsatz von resorbierbaren Materialien ist erstrebenswert, da sich diese nach der Transplantation in den Prozess des Knochenremodellings integrieren und somit mit der Zeit durch körpereigenes Material ersetzt werden (Hutmacher, 2000; Boccaccini und Maquet, 2003; Navarro et al., 2008). Damit erlangt der Knochen langsam seine natürlichen biomechanischen Eigenschaften zurück (Baron, 1995; Teitelbaum, 2000b). Wichtig ist jedoch, dass die Resorption und der Ersatz durch körpereigenes Knochenmaterial ausgewogen stattfinden, sodass die mechanische Stabilität des Gewebes gewährleistet ist. Daher sind Untersuchungen zur Resorption von Biomaterialien von großer Bedeutung, bevor diese in der Klinik in vivo zum Einsatz kommen (Zhang et al., 2012). Osteoklasten sind für die Resorption von Knochen verantwortliche Zellen, weshalb sie in Zellexperimenten zur Untersuchung von Resorption eingesetzt werden. Typische Untersuchungsmethoden zum Nachweis von osteoklastärer Aktivität sind die Feststellung von Vielkernigkeit, die genanalytische Bestimmung von tartratresistenter saurer Phosphatase 5b (TRAP 5b) (Minkin, 1982; Ek-Rylander et al., 1991; Ljusberg et al., 2005; Detsch et al., 2010b), Carboanhydrase II (CAII) (Lehenkari et al., 1998; Detsch et al., 2010b; Schilling et al., 2004), Kathepsin K (Bossard et al., 1996; Littlewood-Evans et al., 1997; Votta et al., 1997; Söderström et al., 1999; Dodds et al., 2001; Ljusberg et al., 2005), des Kalzitoninrezeptors und des Vitronektinrezeptors (Detsch und Boccaccini, 2014; Blair, 1998; Schilling et al., 2004). Die enzymatische Messung von TRAP 5b (Halleen et al., 2000; Janckila et al., 2001) und CAII (Detsch et al., 2010a) und die Bestimmung der Kalziumkonzentration im Überstand der Zellkulturen (Neutzsky-Wulff et al., 2010; Reichert et al., 2013) sind weitere Marker, die zur Beschreibung osteoklastärer Zelldifferenzierung genannt wurden. Zudem können Kollagenspaltprodukte im Zellkulturüberstand nachgewiesen werden (Karsdal et al., 2003; Neutzsky-Wulff et al., 2010). Eine weitere große Rolle bei Resorptionsuntersuchungen an Biomaterialien spielt die Analyse von Resorptionspits. Allerdings gibt es hierbei einige Nachteile. Die mikroskopische Beurteilung der Resorptionslakunen ist sehr zeitaufwändig und kostenintensiv. Zudem ist eine sehr geringe Rauigkeit des eingesetzten Materials nötig, um die Resorption mikroskopisch anhand von Resorptionslakunen zu quantifizieren, da die Messmethoden die resorbierte Fläche und das resorbierte Volumen relativ zur originalen Oberflächenbeschaffenheit ermitteln. Ideal ist hierbei eine Rauigkeit von unter 1 m (Zhang et al., 2012) damit zwischen bereits vorher existierenden strukturellen Unebenheiten und neu entstandenen Pits unterschieden werden kann. Zudem können bisher bekannte Resorptionsassays nur die Resorption auf glatten Knochenstrukturen imitieren. Im Körper machen hingegen der trabekuläre oder spongiöse Knochen den größten Anteil aus, allerdings sind solche Strukturen in vitro schwer zu imitieren und Resorptionsstudien dazu sind noch nicht sehr zuverlässig (Zhang et al., 2012). Auf unregelmäßigen oder porösen Materialien können bisher noch keine quantifizierenden Aussagen über die Resorption gemacht werden. Die Motivation dieser Arbeit war es, biochemische Verfahren für die Quantifizierung von osteoklastärer Resorption zu entwickeln. Während die biochemischen Messungen der Aktivitäten von TRAP 5b und CAII bereits als osteoklastäre Marker eingesetzt werden, sollte hier erstmals die enzymatische Aktivität von Kathepsin K biochemisch bestimmt werden. Dazu wurden Osteoklasten auf verschiedenen Materialien kultiviert und untersucht. Durch biochemische Analyse sollten dann Rückschlüsse auf die Resorptionsaktivität der Zellen gezogen werden. Das Fernziel dieser Arbeit ist, das Resorptionsverhalten von Osteoklasten auf Biomaterialien zu quantifizieren, sodass die zeit- und kostenintensive mikroskopische Beurteilung ersetzt werden kann. Ein Schritt auf dem Weg zu diesem Ziel ist es, die Osteoklastogenese auf den Modellsubstraten genauer zu untersuchen und herauszufinden, wie die in vitro Resorption auf den verschiedenen Substraten beeinflusst werden kann. Die gemessenen Enzymaktivitäten sollten schließlich mit der Resorptionsaktivität der Osteoklasten in Korrelation gebracht werden.

Knochen ist ein lebendes Material, das seine Struktur an die mechanische Umgebung anpasst. Zur strukturellen Anpassung muss der Knochen die mechanische Belastung erfassen. Allerdings sind Knochen mechanisch so steif, dass die lokalen Verformungen zu klein sind um von den Knochenzellen direkt detektiert zu werden. Osteozyten sind Knochenzellen, die ein Zellnetzwerk in der mineralisierten Matrix bilden. Ihre Zellkörper sind in Lakunen untergebracht und ihre Zellprozesse in engen Kanälchen, den Canaliculi. Die Hypothese des Flüssigkeitsflusses besagt, dass der lastinduzierte Flüssigkeitsfluss durch dieses Lakunen-Canaliculi-Netzwerk (LCN) einen Verstärkungsmechanismus bereitstellt, der es den Osteozyten ermöglicht, die dynamische Belastung des Knochens zu erfassen. Wir stellen die Hypothese auf, dass die Architektur des LCN eine wesentliche Rolle in Bezug auf die Mechanosensitivität spielt, da sie den Flüssigkeitsfluss beeinflusst. Das zentrale Ziel dieser Arbeit ist es, diese Hypothese an realen LCN-Architekturen mit einem Modell des lastinduzierten Flüssigkeitsflusses zu testen und den resultierenden Fluss mit der Mechanoreaktion des Knochens zu vergleichen. Wir haben das LCN mithilfe konfokaler Laser-Scanning-Mikroskopie untersucht. Wir haben dann die auf den Kirchhoffschen Gesetzen basierende Schaltungstheorie verwendet, um die Geschwindigkeiten der Flüssigkeit in allen abgebildeten Canaliculi zu modellieren und darzustellen wie sich die verdrängte Flüssigkeit über das LCN verteilen würde. Basierend auf diesen Geschwindigkeiten wurde die Mechanoreaktion des Knochens vorhergesagt. In meiner Studie wurden die Knochen von Mäusen verwendet, wodurch kontrollierte in vivo Belastungsexperimente und die Messung der Mechanoreaktion in Bezug auf gebildeten bzw. resorbierten Knochen unter Verwendung von in vivo µCT möglich waren. Die Flüssigkeitsströmungsmuster durch das LCN korrelierten mit der gemessenen Mechanoreaktion. Das heißt, Knochenbildung wurde in Bereichen nahe höherem Fluss beobachtet, während Knochenabbau in Bereichen nahe geringem Fluss beobachtet wurde. Die Vorhersage der Mechanoreaktion unter Berücksichtigung der Architektur des LCN war quantitativ besser als eine Vorhersage, die nur auf mechanischer Belastung basiert. Qualitativ haben wir festgestellt, dass Gefäßkanäle im Kortex als lokale Senken des Flüssigkeitsflusses fungieren und daher den Fluss an der nahegelegenen Knochenoberfläche reduzieren. Im Gegensatz dazu nahmen die Strömungsgeschwindigkeiten für konvergente Netzwerkstrukturen zu, bei denen die Zahl der Kanäle zur Knochenoberfläche hin abnimmt. In einem zweiten Projekt konzentrierten wir uns auf gesunden, menschlichen osteonalen Knochen. Osteone sind zylindrische Strukturen um Gefäßkanäle, die praktisch vom umgebenden Knochen abgeschottet sind. Wir analysierten acht gewöhnliche Osteone mit einem nahezu homogenen LCN und neun Osteon-in-Osteonen, die durch eine ringartige Zone mit geringer Netzwerkkonnektivität zwischen dem inneren und dem äußeren Teil dieser Osteone gekennzeichnet sind. In Canaliculi, die die beiden Teile des Osteons in Osteonen überbrücken, wurde ein wesentlich höherer lastinduzierter Flüssigkeitsfluss beobachtet als in anderen Canaliculi. Dies führte dazu, dass der durchschnittliche Fluss 2,3-mal höher war als bei normalen Osteonen. Es ist daher wahrscheinlich, dass Osteon-in-Osteon-Konstruktionen besonders zur Mechanosensitivität des kortikalen Knochens beitragen. Die Untersuchungen in dieser Doktorarbeit legen nahe, dass die LCN-Architektur neben der mechanischen Belastung als Schlüsselfaktor für die Knochenanpassung dient. / Bone is a living material, which adapts its structure in response to the mechanical environment. For structural adaptation bone need to sense the mechanical loading. However, bone is so stiff that the local strains are too small to be directly sensed by bone cells. Osteocytes are bone cells that form a cell network located within the mineralized matrix. Their cell bodies are housed in lacunae and their cell processes in narrow canals, the canaliculi. According to the fluid flow hypothesis, load induced fluid flow through this lacunocanalicular network (LCN) provides an amplification mechanism which allows osteocytes to sense dynamic loading of the bone. We hypothesize that the network architecture of the LCN plays an essential role in bone’s mechanosensitivity, as it influences the fluid flow. We aimed to test these hypotheses by using real LCN architectures in a model of load induced fluid flow, and compare the resulting flow with the mechanoresponse of bone. We imaged the LCN using confocal laser scanning microscopy (CLSM). Image processing was then used to describe the LCN as a mathematical network consisting of edges and nodes, representing the canaliculi and their connections respectively. We then employed circuit theory, based on Kirchhoff’s laws, to model the velocities of the fluid in all the imaged canaliculi. Based on these velocities, the mechanoresponse of bone was predicted. Mice were used in my study, as this allowed a controlled in vivo loading and a measurement of the mechanoresponse in terms of formed/resorbed bone using in vivo µCT. Fluid flow patterns through the LCN of mice correlated with the measured mechanoresponse, i.e., bone formation was observed near surfaces of higher flow, while resorption was observed near surfaces with low flow. The prediction of the mechanoresponse considering the architecture of the LCN was quantitatively better than a prediction based on strains only. Qualitatively, we identified that vascular canals in the cortex act as local sinks of fluid flow and, therefore, reduce the flow at the nearby bone surface. In contrast, flow velocities increased in convergent network structures, where the flow is channeled into fewer canaliculi nearby the surface. In a second project we focused on healthy human osteonal bone. Osteons are cylindrical structures around vascular canals, which are practically sealed off from the surrounding bone. We analyzed 8 ordinary osteons with a rather homogeneous LCN, and 9 osteon-in-osteons, which are characterized by a ring-like zone of low network connectivity between the inner and the outer parts of these osteons. A substantially higher load-induced fluid flow was observed in canaliculi that bridge the two parts of the osteon-in-osteons. This resulted in an average flow, which was 2.3 times higher compared to ordinary osteons. It is therefore likely that osteon-in-osteons particularly contribute to the mechanosensitivity of cortical bone. Based on both studies in this PhD thesis we conclude that LCN architecture should be considered as a key determinant of bone adaptation besides mechanical loading.

Vitales Knochengewebe ist ständigen Umbauprozessen unterworfen. Entsteht ein Defekt, wird der Knochen durch neugeformte Strukturen repariert. In diesen Prozess sind verschiedene Zelltypen involviert, darunter Osteoblasten, Osteozyten und Osteoklasten (Teitelbaum, 2000a; Ross und Christiano, 2006; Zhang et al., 2012). In der Wiederherstellungs-Chirurgie ist Knochenersatz von großer Bedeutung, wenn schwere skelettale Schäden auftreten (Onoda et al., 2011). Auto- als auch Allotransplantationen von Knochengeweben sind aufgrund der guten osteoinduktiven und biochemischen Eigenschaften noch immer der Goldstandard (Parikh, 2002; Sen und Miclau, 2007; Zhang et al., 2012). Aufgrund der Knappheit der zur Verfügung stehenden muskuloskelettalen Spendermaterialien und der zugleich steigenden Anzahl von notwendigen Knochenmaterialtransplantationen wird vermehrt nach Materialersatz gesucht. Der ideale Knochentransplantatersatz ist biokompatibel, bioresorbierbar, dirigiert die Richtung der Knochenneubildung (osteokonduktiv), regt die Knochenneubildung an (osteoinduktiv), ist strukturell knochenähnlich, einfach anzuwenden und kosteneffektiv (Greenwald et al., 2001; Parikh, 2002; Chim und Schantz, 2005; Zhang et al., 2012). Tissue Engineering ist ein interdisziplinäres Gebiet der Wissenschaft, welches die Prinzipien des Ingenieurwesens und der Biowissenschaften auf die Entwicklung biologischer Ersatzmaterialien anwendet, die für die Wiederherstellung, Erhaltung oder Verbesserung von Gewebe- oder Organfunktionen eingesetzt werden (Langer, 1993; Nerem und Sambanis, 1995). Langfristig sollen für die Implantation geeignete Systeme entwickelt oder in vivo Geweberemodelling ermöglicht werden. Hauptkomponente des Tissue Engineering ist der Einsatz lebender Zellen und/oder extrazellulärer Matrixbestandteile in der Entwicklung solcher Systeme und Konstrukte, die implantiert zur Wiederherstellung oder zum Ersatz der biologischen Funktionen führen. Um das biologische Verhalten der Konstrukte kontrollieren zu können, erfordert die Entwicklung das Verständnis der Struktur-Funktions-Beziehung von Zellen, Geweben und Organen. Die extrazelluläre Matrix der biologischen Systeme ist ebenfalls von großer Bedeutung, da sie ihre mechanischen Eigenschaften bestimmt. Chemische und strukturelle Stabilität sind weitere notwendige Eigenschaften, um das Überleben der Zellen nach der Implantation in der in vivo Umgebung zu gewährleisten (Nerem und Sambanis, 1995). Denkansätze im Tissue Engineering beinhalten die Nutzung von Scaffolds, Zellen und deren Kombination. Häufigster Ansatz ist der Einsatz resorbierbarer oder biologisch abbaubarer Scaffolds, die an die Umgebung des lebenden Gewebes angepasst sind und mit lebenden Zellen besiedelt werden können. Die Zellen proliferieren und organisieren sich in der dreidimensionalen Struktur des Scaffolds und beginnen mit der Produktion adäquater extrazellulärer Matrix. Während der Formierung, Ablagerung und Organisation der neu generierten Matrix wird die Startmatrix des Scaffolds abgebaut, resorbiert und metabolisiert (Nerem und Sambanis, 1995; Stock und Vacanti, 2001). Die Zellen differenzieren sich auf dem Scaffold zu den gewünschten Organ- beziehungsweise Gewebezellen bevor die in vitro besiedelten Matrizen implantiert werden. Am Ende des Prozesses ist ein lebendes Gewebe oder Organ entstanden, welches die Funktion des Gewebes / Organs im Körper erhält, wieder herstellt oder verbessert. Das Risiko immunologischer Abwehrreaktionen, ebenso wie das Risiko viraler Infektionen wird beim Tissue Engineering durch den Einsatz autologer Spenderzellen umgangen. Die eingesetzten Scaffolds müssen zudem biokompatibel sein und den nutritiven als auch biologischen Ansprüchen der spezifischen Zellpopulation gerecht werden, die in der Gewebeformation involviert ist (Stock und Vacanti, 2001). Ein weiterer Ansatz ist es, Zellen von biologischer Matrix enzymatisch oder durch Detergenzien zu entfernen und diese dezellularisierte Matrix anschließend zu verwenden. Es handelt sich dabei um allogenes oder xenogenes Gewebe. Diese Matrix ist dann theoretisch biologisch abbaubar beziehungsweise resorbierbar und müsste sich gut für die Besiedlung mit Zellen eignen. Alternativ werden artifizielle Matrizen im Tissue Engineering eingesetzt (Stock und Vacanti, 2001; Heinemann et al., 2011). In Abbildung 1.1 ist das Prinzip des Tissue Engineering dargestellt (Drosse et al., 2008). Bei der Therapie von Knochendefekten in lasttragenden Regionen werden häufig nichtresorbierbare Materialien wie Metalle und Keramiken eingesetzt (Navarro et al., 2008). Der Einsatz von resorbierbaren Materialien ist erstrebenswert, da sich diese nach der Transplantation in den Prozess des Knochenremodellings integrieren und somit mit der Zeit durch körpereigenes Material ersetzt werden (Hutmacher, 2000; Boccaccini und Maquet, 2003; Navarro et al., 2008). Damit erlangt der Knochen langsam seine natürlichen biomechanischen Eigenschaften zurück (Baron, 1995; Teitelbaum, 2000b). Wichtig ist jedoch, dass die Resorption und der Ersatz durch körpereigenes Knochenmaterial ausgewogen stattfinden, sodass die mechanische Stabilität des Gewebes gewährleistet ist. Daher sind Untersuchungen zur Resorption von Biomaterialien von großer Bedeutung, bevor diese in der Klinik in vivo zum Einsatz kommen (Zhang et al., 2012). Osteoklasten sind für die Resorption von Knochen verantwortliche Zellen, weshalb sie in Zellexperimenten zur Untersuchung von Resorption eingesetzt werden. Typische Untersuchungsmethoden zum Nachweis von osteoklastärer Aktivität sind die Feststellung von Vielkernigkeit, die genanalytische Bestimmung von tartratresistenter saurer Phosphatase 5b (TRAP 5b) (Minkin, 1982; Ek-Rylander et al., 1991; Ljusberg et al., 2005; Detsch et al., 2010b), Carboanhydrase II (CAII) (Lehenkari et al., 1998; Detsch et al., 2010b; Schilling et al., 2004), Kathepsin K (Bossard et al., 1996; Littlewood-Evans et al., 1997; Votta et al., 1997; Söderström et al., 1999; Dodds et al., 2001; Ljusberg et al., 2005), des Kalzitoninrezeptors und des Vitronektinrezeptors (Detsch und Boccaccini, 2014; Blair, 1998; Schilling et al., 2004). Die enzymatische Messung von TRAP 5b (Halleen et al., 2000; Janckila et al., 2001) und CAII (Detsch et al., 2010a) und die Bestimmung der Kalziumkonzentration im Überstand der Zellkulturen (Neutzsky-Wulff et al., 2010; Reichert et al., 2013) sind weitere Marker, die zur Beschreibung osteoklastärer Zelldifferenzierung genannt wurden. Zudem können Kollagenspaltprodukte im Zellkulturüberstand nachgewiesen werden (Karsdal et al., 2003; Neutzsky-Wulff et al., 2010). Eine weitere große Rolle bei Resorptionsuntersuchungen an Biomaterialien spielt die Analyse von Resorptionspits. Allerdings gibt es hierbei einige Nachteile. Die mikroskopische Beurteilung der Resorptionslakunen ist sehr zeitaufwändig und kostenintensiv. Zudem ist eine sehr geringe Rauigkeit des eingesetzten Materials nötig, um die Resorption mikroskopisch anhand von Resorptionslakunen zu quantifizieren, da die Messmethoden die resorbierte Fläche und das resorbierte Volumen relativ zur originalen Oberflächenbeschaffenheit ermitteln. Ideal ist hierbei eine Rauigkeit von unter 1 m (Zhang et al., 2012) damit zwischen bereits vorher existierenden strukturellen Unebenheiten und neu entstandenen Pits unterschieden werden kann. Zudem können bisher bekannte Resorptionsassays nur die Resorption auf glatten Knochenstrukturen imitieren. Im Körper machen hingegen der trabekuläre oder spongiöse Knochen den größten Anteil aus, allerdings sind solche Strukturen in vitro schwer zu imitieren und Resorptionsstudien dazu sind noch nicht sehr zuverlässig (Zhang et al., 2012). Auf unregelmäßigen oder porösen Materialien können bisher noch keine quantifizierenden Aussagen über die Resorption gemacht werden. Die Motivation dieser Arbeit war es, biochemische Verfahren für die Quantifizierung von osteoklastärer Resorption zu entwickeln. Während die biochemischen Messungen der Aktivitäten von TRAP 5b und CAII bereits als osteoklastäre Marker eingesetzt werden, sollte hier erstmals die enzymatische Aktivität von Kathepsin K biochemisch bestimmt werden. Dazu wurden Osteoklasten auf verschiedenen Materialien kultiviert und untersucht. Durch biochemische Analyse sollten dann Rückschlüsse auf die Resorptionsaktivität der Zellen gezogen werden. Das Fernziel dieser Arbeit ist, das Resorptionsverhalten von Osteoklasten auf Biomaterialien zu quantifizieren, sodass die zeit- und kostenintensive mikroskopische Beurteilung ersetzt werden kann. Ein Schritt auf dem Weg zu diesem Ziel ist es, die Osteoklastogenese auf den Modellsubstraten genauer zu untersuchen und herauszufinden, wie die in vitro Resorption auf den verschiedenen Substraten beeinflusst werden kann. Die gemessenen Enzymaktivitäten sollten schließlich mit der Resorptionsaktivität der Osteoklasten in Korrelation gebracht werden.

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).

Das Ziel der Studien, die im Rahmen dieser Arbeit vorgestellt werden, war es neue Informationen über die elementare Zusammensetzung des mineralisierten Knochens zu gewinnen. In einer ersten Studie wurden zwei Parameter verglichen, die beide eng mit der Knochenmineralisierung verknüpft sind. So zeigte die Gegenüberstellung des mineral/matrix Raman-Wertes und der Kalziumkonzentration gute Übereinstimmung mit theoretischen Überlegungen. Diese Methoden wurden auch verwendet um Knochengewebe von Mäusen zu charakterisieren bei denen ein genetischer Defekt zu einem Mangel von Sclerostin führte. So war es möglich nachzuweisen, dass eine hierdurch verstärkte Knochenneubildung zu einer veränderten Mineralisationskinetik des Knochens führen kann. Nachdem zukünftig Sclerostinantikörper für die Behandlung von Knochenkrankheiten eingesetzt werden sollen, haben diese Erkenntnisse große medizinische Bedeutung. Es wurde auch die Mineraldichteverteilung eines Mausmodells mit fragilem Knochen (Osteogenesis Imperfecta, OI) untersucht. Die Mäuse wurden mit Sclerostinantikörpern behandelt. Es zeige sich ein signifikanter Knochenzuwachs doch die Mineraldichteverteilung veränderte sich gleichermaßen für gesunde und für OI Mäuse. In einer Studie am humanen Knochen konnten der Zusammenhang zwischen Osteozytennetzwerk und Knochenzusammensetzung untersucht werden. Elemente wie Na, Mg und S wiesen typische Konzentrationsverteilungen auf. Die Routinen wurden auch verwendet um Mineralisationsfronten zu charakterisieren. Es zeigte sich, dass die Konzentrationen von K, Mg, Na und Cl abhängig von dem analysierten anatomischen Ort, stark voneinander abweichen. Abschließend kann gesagt werden, dass durch die Entwicklung neuer Routinen zusätzliche Erkenntnisse über die Knochenmineralisierung und Zusammensetzung gewonnen werden konnten. Die Resultate sind von medizinischer und biologischer Bedeutung und tragen zu aktuellen Debatten über die Knochenentwicklung bei. / The purpose of the presented work was to gain new insight into the elemental composition of mineralized bone matrix at different sites of human bone tissue, and in mouse models linked to human genetic diseases. Using novel tools and routines, human (femur cross sections from healthy adults and children) and murine samples (femur long-and cross sections of two mouse models) were analyzed with focus on the elemental composition. In a methodological study the consistency of matrix mineralization measured by Raman microspectroscopy (e.g. the mineral/matrix ratio) and the Calcium content (wt%Ca) as measured by qBEI was proved. Both methods were applied to a mouse model exhibiting induced bone overgrowth due to a genetic defect causing a lack of Sclerostin, which is a negative regulator for bone formation. We found changes in the mineralization kinetics depending on the anatomical site. This result is of clinical importance since Sclerostin antibodies are suggested for future treatment of diseases characterized by fragile bone. Hence, also a mouse model of a brittle bone disease (Osteogenesis Imperfecta) was analyzed with and without Sclerostin antibody treatment. A significant increase in bone mass was documented while the mineralization pattern revealed no interaction between genotype and treatment. The correlation between OLCN and the composition of the mineralized matrix was examined in the same regions of human compact bone. Characteristic distributions of the minor elements (Mg, Na, S) were found. The developed tools were also used to investigate mineralization fronts, reflecting a critical stage of bone development. Differences in the Ca/P ratio and in the concentrations of K, Mg, Na and Cl depending on the anatomical site were revealed. In conclusion, using newly developed measurement routines, it was possible to gain novel information of bone mineralization and composition. The results contribute to actively debated issues of biological and medical importance.

Das menschliche Skelett besteht aus einem dynamischen Material welches in der Lage ist zu heilen, sowie sich durch strukturellen Umbau an mechanische Beanspruchung anzupassen. In dieser Arbeit ist die mechanische Regulierung dieser Prozesse untersucht worden. Hierfür ist ein Computermodell, sowie die dreidimensionale Abbildung des Knochens und die Auswertung dieser Bilder benutzt worden. An dem Heilungsprozesses von Knochen sind verschiedene Gewebetypen beteiligt. Dabei hängt die räumliche und zeitliche Anordnung dieser Gewebe von der mechanischen Belastung ab. Ein Computermodell, welches den vollständigen Verlauf der Heilung beschreibt, wurde mit der dokumentierten Gewebeentwicklung eines Tierexperimentes verglichen. Verschiedene Hypothesen, wie die mechanische Stimulation die Bildung verschiedene Gewebe beeinflusst, wurden getestet. Zwar ließen sich durch den Vergleich mit dem Experiment keine der Hypothesen verwerfen, jedoch konnten wir Vorschläge machen, worauf bei zukünftigen Experimenten verstärkt geachtet werden soll. Es wird angenommen dass der Umbauprozesses des Knochens vom dichten Netzwerk der Osteozyten mechanisch reguliert wird. Diese Zellen sind in den Knochen eingebettet und über ein dichtes Netzwerk aus engen Kanälen, den sogenannten Canaliculi, miteinander verbunden. Dieses Netzwerk mittels konfokaler Mikrokopie dreidimensional abgebildet. Spezielle Routinen zur Auswertung der Netzwerkorientierung sowie dessen Dichte wurden entwickelt. Die Hauptorientierung des Netzwerkes entspricht der Richtung in der Knochengewebe aufgebaut wird. Die Orientierung des zu dieser Richtung senkrechten Anteils des Netzwerkes rotiert abhängig von der Position entlang der Aufbaurichtung. Dies verdeutlicht den Zusammenhang zwischen der Netzwerkorientierung und der Vorzugsrichtung des Kollagens, dem faserigen Bestandteils des Knochens. Darüber hinaus zeigt die Auswertung der Daten weitere strukturelle Unterschiede im Netzwerk. / Our skeleton is composed of a dynamic material that is capable of healing and of adapting to changing mechanical loads through structural remodeling. In this thesis the mechano-regulation of these dynamic processes are addressed using computer modeling and 3-dimensional imaging and image analysis. During bone healing an intricate pattern of different newly formed tissues around the fracture site evolves in time and is influenced by the mechanical loading. Using a computer model which is describing this temporal-spatial evolution of tissue types for the full time-course of healing, this evolution is compared to the documented evolution of an animal experiment. Different hypotheses were tested how the mechanical stimulation results in the formation of different tissues. While the comparison with the outcome of the animal experiments does not allow to falsify any of the hypotheses, it suggests a different design of future animal experiments. Bone remodeling is thought to be mechano-regulated by the dense network of osteocytes. These osteocytes are embedded in bone and are connected to each other via a network of narrow canaliculi. The 3-dimensional structure of the network was imaged using rhodamine staining and laser scanning confocal microscopy. Image analysis tools were developed to determine the network topology and to analyze its density and orientation. The analysis focused on osteons, the building blocks of cortical bone. Within an osteon we found a large variability of the network density with extensive regions without network. Most of the network is oriented radially towards the center of the osteon, i.e.\ parallel to the direction in which the bone material is deposited. The network perpendicular to this direction twists when moving along the direction of bone deposition. A correlation with the main orientation the fibrous constituent of bone, collagen, was detected. Furthermore indicates our data additional structural changes in the network alignment.

Despite the continued development of specialized immunosuppressive therapies in the form of monoclonal antibodies, glucocorticoids remain a mainstay in the treatment of rheumatological and auto-inflammatory disorders. Therapeutic glucocorticoids are unmatched in the breadth of their immunosuppressive properties and deliver their anti-inflammatory effects at unparalleled speed. However, long-term exposure to therapeutic doses of glucocorticoids decreases bone mass and increases the risk of fractures – particularly in the spine – thus limiting their clinical use. Due to the abundant expression of glucocorticoid receptors across all skeletal cell populations and their respective progenitors, therapeutic glucocorticoids affect skeletal quality through a plethora of cellular targets and molecular mechanisms. However, recent evidence from rodent studies, supported by clinical data, highlights the considerable role of cells of the osteoblast lineage in the pathogenesis of glucocorticoid-induced osteoporosis: it is now appreciated that cells of the osteoblast lineage are key targets of therapeutic glucocorticoids and have an outsized role in mediating their undesirable skeletal effects. As part of this article, we review the molecular mechanisms underpinning the detrimental effects of supraphysiological levels of glucocorticoids on cells of the osteoblast lineage including osteocytes and highlight the clinical implications of recent discoveries in the field.

Der Typ-2-Diabetes mellitus (T2DM) wird mit einem erhöhten Frakturrisiko in Verbindung gebracht, welches auf krankheitsspezifische Defizite in der Knochenmikrostruktur und -qualität zurückzuführen ist. Da die zugrundeliegenden Mechanismen unzureichend verstanden sind, kommen präklinische Modelle, welche die diabetische Knochenerkrankung nachbilden, zur Erforschung der Pathogenese zum Einsatz. Die TallyHo/JngJ (TH)-Maus ist ein polygenes Modell für spontan auftretenden T2DM und Adipositas, welches den T2DM im Jugendalter beim Menschen rekapituliert. Aufgrund der unvollständigen Penetranz des Phänotyps entwickeln ~25 % der männlichen TH-Mäuse nie eine Hyperglykämie und können somit als nicht-diabetische Kontrolltiere mit identischen genetischen Background verwendet werden. Im Rahmen dieser Arbeit verwendeten wir männliche diabetische TH-Mäuse im Alter von zwölf Wochen für eine umfassende Charakterisierung des metabolischen und skelettalen Phänotyps und verglichen sie entweder mit altersgleichen nicht-diabetischen TH-Kontrollen oder mit den empfohlenen SWR/J-Kontrollen. Männliche TH-Mäuse mit T2DM zeigten eine Hyperglykämie und ein höheres Gewicht zusammen mit einer gestörten Glukosetoleranz und Insulinresistenz im Vergleich zu SWR/J und nicht-diabetischen TH-Kontrollen. Anhand der Mikro-Computertomographie (μCT) konnten festgestellt werden, dass TH-Mäuse mit T2DM ein erhöhtes kortikales Knochenvolumen und eine gesteigerte kortikale Knochendicke am Femur aufwiesen, während sie im Vergleich zu den SWR/J-Kontrollen einen trabekulären Knochenverlust sowohl im Femur als auch im Wirbelkörper zeigten. Trotz des trabekulären Knochenverlusts bei TH-Mäusen konnten wir keine Unterschiede im Bezug zum Knochenumbau feststellen, welcher anhand von Histomorphometrie und Serummarker zwischen diabetischen und nicht-diabetischen TH-Mäusen bestimmt wurde. Im Vergleich zu den SWR/J-Mäusen waren die Serum-Konzentrationen von Knochenumbaumarker P1NP und TRAcP5b bei TH-Mäusen niedriger, was darauf hindeutet, dass der SWR/J-Stamm per se einen höheren Knochenumsatz aufweisen könnte. Die biomechanischen Eigenschaften wurden mit einem 3-Punkt-Biegetest am Femur und einem Kompressionstest an der Wirbelsäule (L4) geprüft. Während es keine Unterschiede in der Knochenstärke des Femurs zwischen allen drei Gruppen gab, zeigte der Kompressionstest, dass der L4-Wirbelkörper von SWR/J-Mäusen im Vergleich zu den beiden Untergruppen der TH-Mäuse stärker waren. Im Rahmen der Osteozytencharakterisierung wurde eine niedrigere Anzahl von Osteozyten und ihren Dendriten bei TH-Mäusen mit T2DM durch Silbernitratfärbung im trabekulären Knochen des Femurs festgestellt. Die dreidimensionale Auswertung des ultrahochauflösenden μCT zeigte ein höheres Lakunenvolumen und eine höhere Lakunendichte bei SWR/J-Tieren im Vergleich zu beiden TH-Untergruppen im trabekulären und kortikalen Knochen des Femurs und des Wirbelkörpers. Weiterhin wurden Veränderungen in der Morphologie der Lakunen beobachtet wurden, wobei die Osteozyten bei TH-Mäusen mit T2DM im Vergleich zu SWR/J weniger kugelförmig, dafür aber gestreckter waren, was darauf hindeutet, dass die Form der Osteozyten ein Kompensationsmechanismus für die geringe Knochenmasse sein könnte. Eine hochkalorische Ernährung ist die Hauptursache für das Fortschreiten von Adipositas und T2DM. Daher ist eine diätetische Intervention, wie z. B. eine Kalorienrestriktion und eine Änderung der Ernährungszusammensetzung, ein wichtiger Behandlungsansatz zur Verbesserung der T2DM-Symptomatik. Es konnte gezeigt werden, dass eine ballaststoffreiche Ernährung die Hyperglykämie verbessert, die Hyperinsulinämie abschwächt und Entzündungen im Zusammenhang mit T2DM reduziert. Der Einfluss einer ballaststoffreiche Ernährung auf die Knochengesundheit im T2DM Kontext wurde jedoch bislang nicht erforscht. In unserer Studie verwendeten wir TH-Mäuse mit T2DM, die entweder mit einer Kontrolldiät oder einer ballaststoffreichen Diät gefüttert wurden. Wir konnten bestätigen, dass eine ballaststoffreiche Ernährung die T2DM-Symptome bei diabetischen TH-Mäusen verbessert. Während die ballaststoffreiche Ernährung keinen Effekt auf die kortikale oder trabekuläre Knochenstruktur im Femur bei diabetischen TH-Mäusen hatte, konnten wir eine geringere trabekuläre Knochenmasse in den Wirbelkörpern beobachteten. Eine ballaststoffreiche Ernährung hatte in beiden Gruppen keinen Einfluss auf die biomechanischen Eigenschaften von Oberschenkel- und Wirbelknochen. Anhand histomorphometrischer Analysen konnten wir eine Tendenz zur verstärkten Knochenformation nachweisen, jedoch war die Expression von Genen, die mit der Knochenbildung und dem WNT-Signalweg zusammenhängen, nicht verändert. Zusammenfassend zeigt diese Doktorarbeit die wesentlichen Charakteristika und potenziellen Einschränkungen der TALLYHO/JngJ- und SWR/J-Mausmodelle bei der Untersuchung von T2DM und dessen Auswirkungen auf die Knochengesundheit auf. Da sich die Knochenmikroarchitektur zwischen diabetischen und nichtdiabetischen TH-Mäusen nicht unterschied, ist diese Mauslinie kein ideales Modell zur Untersuchung diabetischer Knochenerkrankungen. Dennoch verbesserte eine ballaststoffreiche Ernährung den T2DM an sich, was bestätigt, dass TALLYHO/JngJ-Mäuse ein geeignetes präklinisches Modell sind, um die dem T2DM zugrundeliegenden Mechanismen abseits des Knochengewebes zu untersuchen. Diese Ergebnisse verdeutlichen uns die Notwendigkeit der Erforschung weiterer repräsentativerer Tiermodelle, um unser Verständnis von T2DM-bedingten Knochenerkrankungen zu verbessern.

Collagen and glycosaminoglycans, such as hyaluronan and chondroitin sulfate, are the major components of bone extracellular matrix, and extracellular matrix composites are being evaluated for a wide range of clinical applications. The molecular and cellular effects of native and sulfatemodified glycosaminoglycans on osteocytes were investigated as critical regulators of bone remodeling. The effects of glycosaminoglycans on viability, necrosis, apoptosis, and regulation of gene expression were tested in two osteocyte-like cell lines, the murine MLO-Y4 and the rat UMR 106-01 cells. Glycosaminoglycans were non-toxic and incorporated by osteocytic cells. In MLO-Y4 cells, sulfation of glycosaminoglycans led to a significant inhibition of osteocyte apoptosis, 42% inhibition for highly sulfated chondroitin sulfate and 58% for highly sulfated hyaluronan, respectively. Cell proliferation was not affected. While treatment with highly sulfated chondroitin sulfate increased cell viability by 20% compared to the native chondroitin sulfate. In UMR 106- 01 cells, treatment with highly sulfated hyaluronan reduced the receptor activator of nuclear factor-κB ligand/osteoprotegerin ratio by 58% compared to the non-sulfated form, whereas highly sulfated chondroitin sulfate led to 60% reduction in the receptor activator of nuclear factor-κB ligand/osteoprotegerin ratio in comparison to the native chondroitin sulfate. The expression of SOST, the gene encoding sclerostin, was reduced by 50% and 45% by highly sulfated hyaluronan and chondroitin sulfate, respectively, compared to their native forms. The expression of BMP- 2, a marker of osteoblast differentiation, was doubled after treatment with the highly sulfated hyaluronan in comparison to its native form. In conclusion, highly sulfated glycosaminoglycans inhibit osteocyte apoptosis in vitro and promote an osteoblast-supporting gene expression profile.