Abstract Bone remodelling occurs in humans throughout life, therefore bone is continuously renewed to better respond to changes in weightbearing circumstances. Bone remodelling is extremely vulnerable during fracture healing and integration of prostheses into the surrounding bone. Bone remodelling is a complex system in which many growth factors, cytokines and enzymes, which are essential for the differentiation of osteoblasts and osteoclasts, are involved. Some widely used drugs can affect this sensitive system of remodellation in unexpected manner. Painkillers such as cyclooxygenase (COX) inhibitors have been demonstrated in animal studies to interfere with fracture healing and a few retrospective clinical studies confirm these observations. Bisphosphonates (BP), main target of which is the bone resorbing osteoclast, have been suggested to be the drug of choice to improve periprosthetic bone density and thus prevent aseptic loosening of implants. The exact mechanism of action of clodronate (CLO), a non-amino-BP, which was selected for the study, has not been clarified thus far. In order to gain a deeper understanding of the role of the COX enzyme in the differentiation of osteoblasts we studied human mesenchymal stem cell (hMSC) cultures in the presence of different COX-inhibitors; indomethacine, parecoxib and NS398, a specific COX-2 inhibitor. We used the liposome encapsulated CLO metabolite (AppCCl2p) to study in detail the mechanism of BP induced apoptosis in osteoclast. The effects of different BPs CLO, pamidronate (PAM) and zoledronic acid (ZOL), on the differentiation of osteoblasts and osteoclasts were tested in vitro. The optimal concentration for in situ CLO rinsing in clinical study was found. Finally, the effects of in situ and per oral CLO on the periimplant bone density and integration of prostheses were studied in vivo. All tested COX-inhibitors significantly inhibited osteoblast differentiation from hMSCs and stimulated the differentiation of adipocytes. It was also demonstrated that AppCCl2p inhibits mitochondrial function by a mechanism that involves competitive inhibition of ADP/ATP translocase. In the comparison of BPs, ZOL seemed to posses the properties of both non-amino- and amino-BPs and it thus belongs to a new class of BPs. Peroral and in situ CLO seemed to have different mechanisms of action. Peroral CLO delayed the integration of prosthesis to the bone and increased peri-implant osteolysis while is situ CLO accelerated integration. In conclusion, we can alter normal bone remodellation during fracture healing and prosthesis integration. On the other hand, we can also improve the circumstances for the integration of implant to the surrounding bone by in situ BP rinsing, thus creating a better environment for bone ingrowth. / Tiivistelmä Läpi elämän luustossa tapahtuu uudelleenmuotoutumista, remodelaatiota, jonka seurauksena luu pystyy paremmin vastaamaan muuttuneisiin kuormitusolosuhteisiin. Remodelaatioprosessi on hyvin haavoittuvainen murtuman luutumisen aikana sekä proteesin kiinnittyessä ympäröivään luuhun. Luun remodelaatioon osallistuvat kasvutekijät, sytokiinit ja entsyymit, jotka puolestaan ovat välttämättömiä osteoblastien ja osteoklastien erilaistumiselle. Monet lääkeaineet voivat yllättävällä tavalla vahingoittaa tätä herkkää remodelaatiosysteemiä. Kipulääkkeet, kuten syklo-oksygenaasi (COX) estäjät, voivat häiritä murtuman luutumista aikaisempien eläintöiden ja muutamien retrospektiivisten potilastutkimusten mukaan. Lisäksi bisfosfonaatit, joiden päävaikutuskohde on luuta hajoittava osteoklasti, voisivat olla lupaavia lääkkeitä myös parantamaan proteesia ympäröivän luun laatua ja siten estämään aseptista implantin irtoamista. Tutkimuksen yhtenä tarkoituksena oli selvittää klodronaatin, ensimmäisen polven typpi-ryhmää sisältämättömän bisfosfonaatin tarkka vaikutusmekanismi. Viljelemällä ihmisen luuytimen kantasoluja indometasiinia, parekoksibia tai spesifistä COX-2 estäjää NS 398:a, sisältävässä kasvatusliuoksessa selvitettiin COX-entsyymin merkitys osteoblastien erilaistumiselle. Liposomien sisälle pakattua klodronaatin metaboliittia (AppCCl2p) käytettiin tutkittaessa millä vaikutusmekanismilla klodronaatti aiheuttaa osteoklastien apoptoosin. Bisfosfonaattien; klodronaatin, pamidronaatin ja tsoledronaatin vaikutusta osteoklastien ja osteoblastien erilaistumiseen tutkittiin soluviljelmämallissa ja määritettiin kliinisessä potilastyössä paikallisesti käytettävän klodronaattiliuoksen pitoisuus. Lopuksi potilastyössä selvitettiin paikallisen klodronaattihuuhtelun ja suun kautta annostellun klodronaatin vaikutus proteesia ympäröivän luun tiheyteen ja proteesin kiinnittymiseen ympäristöönsä. Tutkimukseen valitut COX-estäjät vähensivät ihmisen kantasolujen erilaistumista osteoblasteiksi ja lisäsivät erilaistumista rasvasoluiksi. Lisäksi todettiin, että AppCCl2p estää mitokondrioissa tapahtuvaa hengitystä estämällä ADP/ATP-vaihtajan toiminnan, saaden aikaan solukuoleman. Vertailtaessa bisfosfonaatteja, tsoledronaatilla vaikutti olevan sekä ensimmäisen, että kolmannen polven (sisältää typpi-ryhmän) bispfosfonaattien vaikutuksia, joten tsoledronaatti kuuluu aivan uuteen bisfosfonaattiryhmään. Potilastutkimuksessa suun kautta ja paikallisesti reisiluun ytimeen annostellulla klodronaatilla oli täysin erilainen vaikutus. Suun kautta syötynä klodronaatti hidasti proteesin kiinnittymistä ja aiheutti osteolyysiä. Sen sijaan paikallinen klodronaatti nopeutti merkittävästi proteesin kiinnittymistä ympäröivään luuhun. Näiden tutkimustulosten perusteella voidaan olettaa, että COX-estäjät, samoin kuin peroraalinen bisfosfonaatti, voivat tahattomasti häiritä luun remodelaatiota.

Eine erhöhte COX-2-Expression wird bei Krankheiten wie rheumatoider Arthritis aber auch Parkinson, Alzheimer und Krebs beobachtet. Die nichtinvasive Visualisierung und Quantifizierung der COX 2-Expression in vivo mittels Positronen-Emissions-Tomographie (PET) könnte wertvolle Beiträge zur Diagnose dieser Krankheiten liefern. Zur Nutzung der PET-Technik werden geeignete COX-2-adressierende Radiotracer benötigt, deren Entwicklung auch die Identifizierung neuer, der Radiomarkierung zugänglicher COX-2-Inhibitoren als Leitstrukturen voraussetzt. Ziel dieser Arbeit war die Synthese von selektiven, der Radiomarkierung zugänglichen COX 2-Inhibitoren und deren In-vitro-Evaluierung, um Verbindungen zu identifizieren, die für eine weitere Entwicklung zu COX-2-adressierenden Radiotracern geeignet sind. Im Rahmen dieser Arbeit wurden ausgehend von literaturbekannten COX-2-Inhibitoren zwei grundlegende Strategien verfolgt: die Derivatisierung an der Peripherie sowie der Austausch von Strukturelementen im Grundgerüst der COX-2-selektiven Inhibitoren. In dieser Arbeit wird zum einen die Synthese der Zielverbindungen (Diphenyl-substituierte Indol-, Pyrazolo[1,5-b]pyridazin-, 1,2-Dihydropyrrolo[3,2,1-hi]indol- und Pyrrolo[3,2,1-hi]indol-Derivate sowie 2-Carbaboranyl-substituierte Indol-Derivate) und deren strukturanalytische Charakterisierung vorgestellt. Es konnte die McMurry-Cyclisierung als neuer Zugang für die Synthese von Carbaboranyl-substituierten Verbindungen und 1,2-Dihydropyrrolo[3,2,1-hi]indol-Derivaten sowie die Dehydrogenierung mittels DDQ als neue Variante zur Synthese von Pyrrolo[3,2,1-hi]indol-Derivaten etabliert werden. Durch Röntgeneinkristallstrukturanalyse wurde die Molekülstruktur von sechs Zwischenverbindungen und neun Zielverbindungen aufgeklärt. Zum anderen erfolgte die Charakterisierung der Verbindungen in vitro, wobei die COX-inhibitorischen Eigenschaften mit einem Fluoreszenz-basierten, einem Enzymimmunoassay (EIA)-basierten und einem [14C]Arachidonsäure-basierten COX-Assay bestimmt und zudem viele Verbindungen hinsichtlich ihrer Redoxeigenschaften untersucht wurden. Im Besonderen die hergestellten Indol-Derivate besitzen antioxidative Eigenschaften, die bei der Untersuchung der COX inhibitorischen Eigenschaften beachtet werden müssen. Die Derivatisierung an der Peripherie der bekannten Inhibitoren führte zur Identifizierung von zwei Aminosulfonyl-substituierten Indol-Derivaten und einem Fluorethoxy-substituierten Pyrazolo[1,5 b]pyridazin-Derivat, die grundsätzlich geeignete Kandidaten für eine weitere Entwicklung zum Radiotracer darstellen. Das Fluorethoxy-substituierte Pyrazolo[1,5 b]pyridazin-Derivat wurde im Rahmen dieser Arbeit mit Fluor-18 markiert und die initiale Charakterisierung des Radiotracers in vitro durchgeführt. Der Austausch von Strukturelementen im Grundgerüst der literaturbekannten COX-2-Inhibitoren mit voluminöseren Gruppen führte zum einen bei Austausch eines Phenylrings gegen einen Carbaboranyl-Cluster zum Verlust der COX-inhibitorischen Eigenschaften, was eine weitere Entwicklung dieser Verbindungen zum Radiotracer ausschließt. Zum anderen wurde ausgehend von 2,3-Diphenyl-1H-indol-Derivaten die bicyclische auf eine tricyclische Kernstruktur vergrößert. Dies lieferte hoch affine und selektive COX-2-Inhibitoren. Unter den hergestellten Verbindungen wurden ein 1,2-Dihydropyrrolo[3,2,1-hi]indol- und drei Pyrrolo[3,2,1-hi]indol-Derivate als vielversprechende Kandidaten für die weitere Entwicklung zum Radiotracer identifiziert.