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In vitro und ex vivo Effekt von Bisphosphonaten auf das osteogene Differenzierungspotential mesenchymaler Stammzellen osteoporotischer Hüftfrakturpatienten
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Autoren
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Richard A. Lindtner
- Universitätsklinik für Unfallchirurgie, Innsbruck, Austria
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André N. Tiaden
- CABMM, Universität Zürich, Zürich, Switzerland
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Konstantin Genelin
- Universitätsklinik für Unfallchirurgie, Innsbruck, Austria
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Hannes L. Ebner
- Universitätsklinik für Unfallchirurgie, Innsbruck, Austria
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Ingrid Sitte
- Universitätsklinik für Unfallchirurgie, Innsbruck, Austria
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Michael Blauth
- Universitätsklinik für Unfallchirurgie, Innsbruck, Austria
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Brigitte von Rechenberg
- Equine Hospital, Vetsuisse Faculty, Universität Zürich, CABMM, Universität Zürich, Zürich, Switzerland
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Peter J. Richards
- CABMM, Universität Zürich, Zürich, Switzerland
| Veröffentlicht: | 23. Oktober 2013 |
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Gliederung
Text
Fragestellung: Aminobisphosphonate (BP) gelten derzeit als Goldstandard zur Behandlung der Osteoporose und senken eindrucksvoll das Risiko osteoporose-assoziierter Frakturen. Als ihr Hauptmechanismus gilt die Hemmung der osteoklasten-vermittelten Knochenresorption. Ihr Einfluss auf die durch Osteoblasten und deren Vorläuferzellen (mesenchymale Stammzellen (BMSCs)) vermittelte Knochenformation osteoporotischer Patienten ist bisher völlig unklar. Rezente Studien konnten jedoch zeigen, dass die im Knochenmark ansässigen BMSCs von osteoporotischen Patienten funktionell beeinträchtigt sind und eine entscheidende Rolle in der Pathogenese des osteoporotischen Knochensubstanzverlustes spielen dürften.
Ziel dieser experimentellen Studie war es deshalb, zu untersuchen ob
(1) das BP Zoledronat die osteogene Differenzierung von BMSCs osteoporotischer Hüftfrakturpatienten in vitro steigert, und ob
(2) BMSCs osteoporotischer Hüftfrakturpatienten unter BP-Therapie ein höheres osteogenes Differenzierungspotential aufweisen als jene von gematchten Kontrollpatienten ohne BP-Medikation (ex vivo Effekt).
Methodik: BMSCs wurden von 7 osteoporotischen Patienten (T-score ≤ -2,5 SD) mit proximaler Femurfraktur isoliert. Drei dieser Patienten dienten als gematchte Kontrollen für 3 zusätzliche osteoporotische Patienten unter oraler Bisphosphonat Therapie (1x wöchentlich 70mg Alendronat). Die osteogene Differenzierung der BMSCs erfolgte über 21 Tage in osteogenem Medium ± dem BP Zoledronat (10nM und 100nM). Die mineralisierte Matrix wurde mit Alizarin Red S gefärbt, spektrophotometrisch quantifiziert und auf die BMSC Zellzahl bezogen (nM Alizarin Red/1000 BMSCs). Die Alkalische Phosphatase (ALP) Enzymaktivität wurde quantifiziert und die Expressionslevel der osteogenen Marker ALP, Knochen-Sialoprotein (IBSP), Fibroblasten-Wachstumsfaktor 2 (FGF-2) durch quantitative Real-Time PCR (qRT-PCR) bestimmt. Der Effekt von Zoledronat auf die BMSC Proliferation (WST-1 Assay) und Zellviabilität (Annexin-V/PI FACS Analyse) wurde nach 72-stündiger Kultivierung in Medium ± Zoledronat (10nM und 100nM) untersucht.
Ergebnisse und Schlussfolgerung: Das BP Zoledronat (10nM und 100nM) hatte keinen signifikanten Einfluss auf Proliferation und Viabilität der BMSCs osteoporotischer Hüftfrakturpatienten (n=7). Zoledronat steigerte jedoch die osteogene Differenzierung und Mineralisation am Tag 21 deutlich (p<0,01), ohne die ALP Enzymaktivität und die Expression der osteogenen Marker ALP, IBSP, FGF-2 signifikant zu beeinflussen.
BMSCs von Patienten unter BP-Therapie (1x wöchentlich 70mg Alendronat, n=3) zeigten 21 Tage nach osteogener Induktion ebenso eine erheblich gesteigerte Mineralisation verglichen mit osteoporotischen Kontrollpatienten ohne BP-Medikation (n=3) (p<0,01).
Die Ergebnisse dieser Studie liefern erstmals Hinweise für eine osteoanabole Wirkung von BP auf BMSCs osteoporotischer Hüftfrakturpatienten, welche zur Senkung des Frakturrisikos durch diese potenten Substanzen beitragen könnte.
