Thesis (doctoral)--University of Göteborg, 1995. / Includes bibliographical references.

Das Multiple Myelom ist eine Neoplasie die (fast) ausschließlich im Knochenmark lokalisiert ist. Verschiedene lösliche Faktoren und Zellinteraktionen sind für das Wachstum der Myelomzellen notwendig. Gute Untersuchungen zum Support der Myelomzellen gibt es für die Knochenmarkstromazellen. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass auch Osteoklasten zum Zellwachstum der Myelomzellen beitragen. Es gibt Hinweise darauf dass dies z.T. durch Zell-zell-Interaktionen vermittelt wird. In der Analyse der Signalwege (MAPK-ERK-, STAT-3-, NF-Kappa-B- und AKT-Signalweg)zeigt sich ein unterschiedliches Aktivierungsmuster bei Support durch Osteoklasten oder Knochenmarkstromazellen. Weitere Signalwege sind wahrscheinlich an der Unterstützung des Wachstums der Myelomzellen beteiligt. Diese bedürfen einer weiteren Analyse. / The Multiple Myeloma is a neoplasia located in the bone marrow. Various soluble factors and cell-cell-Interactions contribute to multiple myeloma cell growth. There are good investigations for the support through bone marrow stroma cells. In this thesis is shown, that osteoclast contribute to the Myeloma cell growth as well. There are good suspicions that this is partly mediated through cell-cell-interactions. In the analysis of the signaling cascades (MAPK-ERK, STAT-3, NF-kappa-B and AKT)revealed a different activation pattern for support through osteoclasts or bone marrow stroma cells. Further signalling cascades might be involved in the support of Myeloma cell growth. Ongoing analysis on this subject is required.

Für die Behandlung von Knochendefekten kritischer Größe gibt es heute eine Reihe von Therapiemöglichkeiten. Neuartige Ansätze mit Magnesiumphosphat- (MPC) und Calciummagnesiumphosphatzementen (CMPC) haben sich als echte Alternativen zu den etablierten Calciumphosphaten erwiesen. Ziel war es, die Osteoklastogenese in vitro auf 3D-pulvergedrucktem CMPC und MPC zu induzieren und die zelluläre Resorption (zR) zu analysieren. Polystyrol (PS), Glas, β-TCP und Brushit-bildender Zement dienten als Referenzen. Als Proben wurden Zemente der allgemeinen stöchiometrischen Summenformel CaxMg(3–x)(PO4)2 (x = 0; 0,25; 0,75; 3) verwendet, die Struvit oder Newberyit enthielten. Für die Osteoklastogenese wurden monozytenangereicherte PBMCs aus Buffy-Coat mittels dreifacher Dichtegradientenzentrifugation isoliert, auf die Prüfoberflächen ausgesät und über einen Zeitraum von 22 Tagen mit Zytokinen (M-CSF und RANKL) stimuliert. Die Interaktion der Zellen mit den Zementen bzw. PS/Glas wurde mittels TRAP-Färbung und -Aktivität, DNA- und Ionenkonzentrationen (Ca2+, Mg2+, PO43–, pH-Wert), Rasterelektronen-, Durchlicht-, Auflicht- und Fluoreszenzmikroskopie analysiert. Auf den Struvit- und Newberyit-bildenden Zementen konnten keine für Osteoklasten typischen Riesenzellen nachgewiesen werden. Auf den Struvit-bildenden Zementen wurde deutlich mehr mononukleäre Zellen nachgewiesen wurden als auf den Newberyit-bildenden Zementen. Während die Freisetzung von Mg2+ und PO43– ausschließlich durch die chemische Degradation erfolgte, wurde Ca2+ zunächst adsorbiert und anschließend durch zR freigesetzt. Die erhöhte Ca2+-Adsorption im Vergleich zur Ca2+-Resorption führte insgesamt zu einer Calcium-Präzipitation. Da lediglich auf β-TCP Resorptionslakunen beobachtet wurden, wird angenommen, dass auf den CMPC, MPC und Brushite-bildenden Zementen die zellvermittelte Ca2+-Freisetzung von den Präzipitaten ausging, die von Makrophagen auf den Zementen und/oder Riesenzellen auf den Wellplatten resorbiert wurden. / There are a number of therapeutic options available today for the treatment of critical size bone defects. Novel approaches using magnesium phosphate (MPC) and calcium magnesium phosphate cements (CMPC) have proven to be real alternatives to the established calcium phosphates. The aim was to induce osteoclastogenesis in vitro on 3D powder-printed CMPC and MPC and to analyse cellular resorption (zR). Polystyrene (PS), glass, β-TCP and brushite-forming cement served as references. Cements of the general stoichiometric molecular formula CaxMg(3-x)(PO4)2 (x = 0; 0.25; 0.75; 3) containing struvite or newberyite were used as samples. For osteoclastogenesis, monocyte-enriched PBMCs were isolated from buffy coat by triple density gradient centrifugation, seeded onto the test surfaces and stimulated with cytokines (M-CSF and RANKL) over a period of 22 days. The interaction of the cells with the cements or PS/glass was analysed by TRAP staining and activity, DNA and ion concentrations (Ca2+, Mg2+, PO43-, pH), SEM, transmitted light, reflected light and fluorescence microscopy. No giant cells typical of osteoclasts could be detected on the struvite- and newberyite-forming cements. On the struvite-forming cements, significantly more mononuclear cells were detected than on the newberyite-forming cements. While the release of Mg2+ and PO43- was exclusively by chemical degradation, Ca2+ was first adsorbed and then released by zR. The increased Ca2+ adsorption compared to Ca2+ resorption led to calcium precipitation overall. Since resorption lacunae were only observed on β-TCP, it is assumed that on the CMPC, MPC and Brushite-forming cements, the cell-mediated Ca2+ release originated from the precipitates resorbed by macrophages on the cements and/or giant cells on the well plates.

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Introduction: Extracellular DNA (ecDNA) is a common component of blood plasma. Increased levels of ecDNA in plasma can be found in some autoimmune diseases like systemic lupus erythematosus (SLE), rheumatoid arthritis or celiac disease which are associated with inflammatory processes. These diseases are also associated with an increased risk of osteoporosis. Bone is a dynamic structure undergoing constant modelling caused by osteoblasts, osteocytes and osteoclasts. Shifting their equilibrium can lead to pathological conditions such as osteoporosis. In this thesis we focused on elucidating whether ecDNA, an inflammatory agent with proven immunoregulatory effects can alter differentiation potential of monocytes and alternatively lead to osteoclastogenesis via TLR9. Material and methods: We obtained monocytes from peripheral blood of healthy donors and cultivated them with four types of ODNs control (CO), stimulatory (ST), inhibitory (INH, telomeric (TLM) with phosphodiester (-pO) or phosphorothioate (-pS) backbone for two weeks to establish their effect on differentiation potential of monocytes into osteoclasts. Osteoclastogenesis was evaluated by number of yielded osteoclasts observed on a light microscope. To establish the effect of ODNs on osteoclast activity samples were analysed by qPCR for...

Lysosomes are acidic, hydrolase-rich vesicles capable of degrading most biological macromolecules. During the past several decades, much has been learned about different aspects of lysosome biogenesis. The selective phosphorylation of mannose residues on lysosomal enzymes, in conjunction with specific receptors for the mannose-6-phosphate recognition marker, has been found to be largely responsible for the targeting of newly synthesized lysosomal enzymes to lyzosomes. It is known that lysosomes receive input from both the endocytotic and biosynthetic pathways. Nevertheless the exact molecular mechanisms responsible for sorting of the biosynthetic imput involved in the lysosome biogenesis is still a matter of debate. Because osteoclast precursors do not secrete their lysosomal enzymes and osteoclasts do, the observation of modifications occuring during osteoclastogenesis is a good model to observe mechanisms responsible for lysosomal enzymes traffic. Osteoclasts are bone-degrading cells. To perform this specific task they have to reorganise the sorting of their lysosomal enzymes to be able to target them toward the bone surface in mature cells. Since few years, the differentiation of osteoclasts in vitro did help to study these cells. Osteoclast morphology has been therefore already well studied, and the nature of their specific membrane domains is now established. Sensing the proximity of a bone-like surface the cell reorganises its cytoskeleton, and creates specific membrane domains: an actin-rich ring-like zone (named actin ring) surrounded by highly ruffled membrane (named the ruffled border) where enzymes are secreted, while subsequent bone degradation products are endocytosed. Endocytosed material is then transported through the cell inside transcytotic vesicles and released at the top of the cell in an area named the functional secretory domain. Several molecular machineries are thought to control these different phenomena. The main purpose of this thesis was to identify the major regulators of lysosomal enzymes secretion and therefore to identify the molecular switches responsible for such a membrane traffic re-organisation.

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.

Introduction: Bone is a highly active tissue throughout life and is a subject to constant remodelling. Main cells responsible for continuous resorption and de novo synthesis of bone matrix are osteoclast, osteoblasts and osteocytes. Osteoclasts are the only known type of cells able to resorb bone. These cells are formed by fusion of precursor cells in bone marrow or peripheral blood in a process called osteoclastogenesis. Formation of osteoclasts may be of importance concerning chronic inflammatory diseases that are linked with higher risk of developing osteoporosis during lifespan. Celiac disease is one of those diseases, which is characterized by destruction of intestinal mucosa after ingestion of gluten by susceptible individuals followed by induction of chronic inflammation. In this work, we focused on the potential role of osteoclastogenesis in the development of osteoporosis in patients with celiac disease and we studied roles of selected inflammatory agents (TNF-α, IL-6, IFN-γ a cfDNA) with supposed or hypothesised effects on osteoclastogenesis. Material & Methods: We obtained plasma and serum samples from newly diagnosed patients with celiac disease, patients on gluten free diet and healthy controls and analysed concentrations of cfDNA and inflammatory cytokines TNF-α, IL-6 and IFN-γ in...

Lysosomes are acidic, hydrolase-rich vesicles capable of degrading most biological macromolecules. During the past several decades, much has been learned about different aspects of lysosome biogenesis. The selective phosphorylation of mannose residues on lysosomal enzymes, in conjunction with specific receptors for the mannose-6-phosphate recognition marker, has been found to be largely responsible for the targeting of newly synthesized lysosomal enzymes to lyzosomes. It is known that lysosomes receive input from both the endocytotic and biosynthetic pathways. Nevertheless the exact molecular mechanisms responsible for sorting of the biosynthetic imput involved in the lysosome biogenesis is still a matter of debate. Because osteoclast precursors do not secrete their lysosomal enzymes and osteoclasts do, the observation of modifications occuring during osteoclastogenesis is a good model to observe mechanisms responsible for lysosomal enzymes traffic. Osteoclasts are bone-degrading cells. To perform this specific task they have to reorganise the sorting of their lysosomal enzymes to be able to target them toward the bone surface in mature cells. Since few years, the differentiation of osteoclasts in vitro did help to study these cells. Osteoclast morphology has been therefore already well studied, and the nature of their specific membrane domains is now established. Sensing the proximity of a bone-like surface the cell reorganises its cytoskeleton, and creates specific membrane domains: an actin-rich ring-like zone (named actin ring) surrounded by highly ruffled membrane (named the ruffled border) where enzymes are secreted, while subsequent bone degradation products are endocytosed. Endocytosed material is then transported through the cell inside transcytotic vesicles and released at the top of the cell in an area named the functional secretory domain. Several molecular machineries are thought to control these different phenomena. The main purpose of this thesis was to identify the major regulators of lysosomal enzymes secretion and therefore to identify the molecular switches responsible for such a membrane traffic re-organisation.

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.