Advanced glycation end products (AGEs) irreversibly cross-link proteins with sugars and accumulate at a higher age and in diabetes, processes which can interfere with the integration of implants into the tissue. Glyoxal is a highly reactive glycating agent involved in the formation of AGEs and is known to induce apoptosis, as revealed by the upregulation of caspase-3 and fractin (caspase-3 being a key enzyme activated during the late stage of apoptosis and fractin being a caspase-cleaved actin fragment). In this study, we investigated the influence of collagen type I coating on the cytotoxic effect of glyoxal on rat calvarial osteoblastic cells and on human osteosarcoma cells (Saos-2) grown on titanium alloy, Ti6Al4V. Activation of caspase-3 and fractin was measured by counting immunohistochemically stained cells and by flow cytometry with propidium iodide (detection of the apoptosis indicating a sub-G1 peak). Our results showed an increased number of apoptotic osteoblasts after incubation with glyoxal on Ti6Al4V discs. However, the number of apoptotic cells on collagen-coated titanium was significantly smaller than on uncoated titanium after the same treatment. The present findings demonstrate that osteoblasts treated with glyoxal undergo apoptosis, whereas collagen type I coating of titanium alloys (used for implants) has an antiapoptotic function. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

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.

Osteoporosis, a classical age-related disease and known to be more common in women than in men, has been reported increasingly often in men during the past few years. Although men at all ages after puberty have larger bones than women, resulting in greater bending strength, mortality after a hip fracture, one of the major complications of osteoporosis, is more common in men than in women. Sex hormone deficiency is associated with unrestrained osteoclast activity and bone loss. Even though estrogen deficiency is more pronounced in women, it appears to be a major factor in the pathogenesis of osteoporosis in both genders. In contrast to osteoporosis in postmenopausal women, the treatment of osteoporosis in men has been scarcely reported. Nevertheless, some drugs commonly used for the treatment of osteoporosis in women also appear to be effective in men. The aim of this study is to review primary osteoporosis in the elderly with particular emphasis on gender-related aspects. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

To test nanosize surface patterning for application as implant material, a suitable titanium composition has to be found first. Therefore we investigated the effect of surface chemistry on attachment and differentiation of osteoblast-like cells on pure titanium prepared by pulsed laser deposition (TiPLD) and different Ti alloys (Ti6Al4V, TiNb30 and TiNb13Zr13). Early attachment (30 min) and alkaline phosphatase (ALP) activity (day 5) was found to be fastest and highest, respectively, in cells grown on TiPLD and Ti6Al4V. Osteoblasts seeded on TiPLD produced most osteopontin (day 10), whereas expression of this extracellular matrix protein was an order of magnitude lower on the TiNb30 surface. In contrast, expression of the corresponding receptor, CD44, was not influenced by surface chemistry. Thus, TiPLD was used for further experiments to explore the influence of surface nanostructures on osteoblast adhesion, differentiation and orientation. By laser-induced oxidation, we produced patterns of parallel Ti oxide lines with different widths (0.2–10 μm) and distances (2–20 and 1,000 μm), but a common height of only 12 nm. These structures did not influence ALP activity (days 5–9), but had a positive effect on cell alignment. Two days after plating, the majority of the focal contacts were placed on the oxide lines. The portion of larger focal adhesions bridging two lines was inversely related to the line distance (2–20 μm). In contrast, the portion of aligned cells did not depend on the line distance. On average, 43% of the cells orientated parallel towards the lines, whereas 34% orientated vertically. In the control pattern (1,000 μm line distance), cell distribution was completely at random. Because a significant surplus of the cells preferred a parallel alignment, the nanosize difference in height between Ti surface and oxide lines may be sufficient to orientate the cells by contact guiding. However, gradients in electrostatic potential and surface charge density at the Ti/Ti oxide interface may additionally influence focal contact formation and cell guidance. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Advanced glycation end products (AGEs) irreversibly cross-link proteins with sugars and accumulate at a higher age and in diabetes, processes which can interfere with the integration of implants into the tissue. Glyoxal is a highly reactive glycating agent involved in the formation of AGEs and is known to induce apoptosis, as revealed by the upregulation of caspase-3 and fractin (caspase-3 being a key enzyme activated during the late stage of apoptosis and fractin being a caspase-cleaved actin fragment). In this study, we investigated the influence of collagen type I coating on the cytotoxic effect of glyoxal on rat calvarial osteoblastic cells and on human osteosarcoma cells (Saos-2) grown on titanium alloy, Ti6Al4V. Activation of caspase-3 and fractin was measured by counting immunohistochemically stained cells and by flow cytometry with propidium iodide (detection of the apoptosis indicating a sub-G1 peak). Our results showed an increased number of apoptotic osteoblasts after incubation with glyoxal on Ti6Al4V discs. However, the number of apoptotic cells on collagen-coated titanium was significantly smaller than on uncoated titanium after the same treatment. The present findings demonstrate that osteoblasts treated with glyoxal undergo apoptosis, whereas collagen type I coating of titanium alloys (used for implants) has an antiapoptotic function. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Bones are essential vertebrate structures that arise during embryonic development from mesenchymal condensations. In the skull vault, bones arise from condensations above the eye, which later expand to cover the brain. Contrarily to most bones in the axial skeleton, which develop through an intermediate cartilage template, the skull vault develops from the direct differentiation of mesenchymal progenitors into bone cells, or osteoblasts. The molecular details of this process have however remained elusive, since systems allowing the dynamical observation of cells while they undergobone differentiation have been lacking. Recent data in the Tabler lab, acquired by imaging skull caps ex vivo, has uncovered that differentiation takes place during expansion stages, and that a progressive wave of differentiation underlies the presence of intermediate states between progenitors and osteoblasts. In this thesis, we focused on the cranial mesenchyme to study the differentiation trajectory of skull bone progenitors at single cell resolution. By harnessing single cell RNA-Sequencing, we elucidated the heterogeneity of cells in the cranial mesenchyme, describing in molecular terms meningeal, dermal, osteoblastic and progenitor populations. By modelling dynamics from single cell RNA-Seq data, we inferred that a population expressing intermediate levels of cartilage specific genes, such as Col2a1, underlies differentiation towards dermal, meningeal and bone fate. Using single cell resolution in situ RNA hybridisation, we mapped the anatomical location of progenitors in a layer between the meninges and the bone. To better understand the relationship between the phenotype of these progenitors and differentiated cartilage, we examined the presence of cartilage-like ECM in the tissue. Finally, we asked whether similar progenitors may be present in other intramembranous bones outside the skull by re-applying these tools on the clavicle. Taken together, our data lead us to hypothesise a mechanism for differentiation of the cranial mesenchyme, which can explain previous phenotypes reported in the literature and supports a role for cartilage-like cells in intramembranous ossification.

BACKGROUND: Bone remodeling relies on the tightly regulated interplay between bone forming osteoblasts and bone digesting osteoclasts. Several studies have now described the molecular mechanisms by which osteoblasts control osteoclastogenesis and bone degradation. It is currently unclear whether osteoclasts can influence bone rebuilding. METHODOLOGY/PRINCIPAL FINDINGS: Using in vitro cell systems, we show here that mature osteoclasts, but not their precursors, secrete chemotactic factors recognized by both mature osteoblasts and their precursors. Several growth factors whose expression is upregulated during osteoclastogenesis were identified by DNA microarrays as candidates mediating osteoblast chemotaxis. Our subsequent functional analyses demonstrate that mature osteoclasts, whose platelet-derived growth factor bb (PDGF-bb) expression is reduced by siRNAs, exhibit a reduced capability of attracting osteoblasts. Conversely, osteoblasts whose platelet-derived growth factor receptor beta (PDGFR-beta) expression is reduced by siRNAs exhibit a lower capability of responding to chemotactic factors secreted by osteoclasts. CONCLUSIONS/SIGNIFICANCE: We conclude that, in vitro mature osteoclasts control osteoblast chemotaxis via PDGF-bb/PDGFR-beta signaling. This may provide one key mechanism by which osteoclasts control bone formation in vivo.

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.

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A number of studies have demonstrated the pivotal role of collagen in modulating cell growth and differentiation. In bone, where the extracellular matrix is composed of approximately 85% type I collagen, cellular interaction with matrix components has been shown to be important in the regulation of the osteoblast phenotype. Preservation or enhancement of normal osteoblast function and appositional bone formation after implant placement represents a strategy that can be useful for the purpose of improving osseointegration. In order to further improve biocompatibility, we combined two known favorable compounds, namely the titanium alloy, Ti6A14V, with type I collagen. We assessed the in vitro behavior of primary osteoblasts grown on both fibrillar collagen-coated and tropocollagen-coated Ti6A14V in comparison with uncoated titanium alloy, using an improved adsorption procedure. As parameters of biocompatibility, a variety of processes, including cell attachment, spreading, cytoskeletal organization, focal contact formation, proliferation and expression of a differentiated phenotype, were investigated. Our results demonstrated for the first time that in comparison to uncoated titanium alloy, collagen-coated alloy enhanced spreading and resulted in a more rapid formation of focal adhesions and their associated stress fibers. Growing on collagen-coated Ti6A14V, osteoblasts had a higher proliferative capacity and the intracellular expression of osteopontin was upregulated compared to uncoated titanium alloy. Type I collagen-coated titanium alloy exhibits favorable effects on the initial adhesion and growth activities of osteoblasts, which is encouraging for its potential use as bone graft material. Moreover, collagen type I may serve as an excellent biocompatible carrier for osteotropic factors such as cell adhesion molecules (e.g. fibronectin) or bone-specific growth factors. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.