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Fragestellung: Molekulare Bildgebung ermöglicht die nicht-invasive Darstellung von Molekular- und Zellbiologie im lebenden Organismus. Optische Bildgebungsverfahren wie die Biolumineszenz (BLI) erlauben es, am lebenden Mausmodell Heilungsprozesse des hochkomplexen Knochengewebes auf molekularer Ebene zu analysieren und quantitative Messungen einer spezifischen molekularen Expression mithilfe von Reportergenen vorzunehmen. Die präzise räumliche und zeitliche Analyse im individuellen Versuchstier wird hierdurch ermöglicht ('musculoskeletal molecular imaging'). Wir präsentieren nun die ausführlichen Folgeergebnisse des bereits vor einigen Jahren vorgestellten Etablierungsmodells.

Methodik: Unserer Studie basiert auf einem transgenetischen Mausmodell, bei dem das Reportergen Firefly- Luciferase (FLuc) unter Kontrolle des VEGF-Promotors (VEGF-FLuc) exprimiert wird. Das Reporterproteinsubstrat D-Luciferin wird nach i.p.-Injektion mittels Katalyse durch FLuc oxidiert, und die dabei entstandene überschüssige Energie wird in Form von Licht visualisiert und quantitativ gemessen. Dies ermöglicht die VEGF- Expression nicht-invasiv in der lebenden Maus über den Zeitraum der Knochendefektheilung zu detektieren. VEGF-FLuc- FVB/N- Mäusen (weiblich, 8 Wochen alt) wurde ein Femurtransplantat in vivo entnommen und in einen Femurdefekt derselben Größe in Kontrollmäuse implantiert. Der Vollständigkeit halber diente eine weitere Gruppe von Tieren zur immunohistochemischen Analyse der Femurdefektheilung.

Um Mediatoren von VEGF in Knochentransplantat zu analysieren, wurden aus dem Transplantat primäre Osteoblasten (GDOsts) isoliert. Diese wurden wiederum auf demineralisierter Knochenmatrix angezüchtet, zur molekularbiologischen Analyse.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Die VEGF-FLuc- Expression war mit einer initialen Verzögerung von 7 Tagen nach Transplantation über den folgenden gesamten Zeitraum der Knochendefektheilung mittels BLI robust nachweisbar. Zwischen dem 7. und 14. Tag post-Transplantation zeigte sich ein bis zu 6-facher signifikanter Anstieg. Die aus dem Transplantat gezüchteten GDOsts konnten als knöcherne Vorläuferzellen charakterisiert werden. Unter Hypoxie- Stimulation der GDOsts zeigte sich in der in vitro BLI Pathway- Analyse eine VEGF Hochregulierung. Sowohl auf transkriptioneller Ebene als auch auf Proteinlevel ließ sich dies maßgeblich über den PI3K Signalweg, und zu einem geringeren Grad auch über dem MEK Signalweg, nachweisen.

Die Ergebnisse geben Einblick in die über VEGF gesteuerte Angiogenese im Einheilungsprozess nach Knochentransplantation sowohl im lebenden Tier als auch im in vitro Zellmodell einer Knochenmatrix. Unsere Daten spielen besonders im Hinblick auf die zunehmend bedeutenden 'smart bone graft substitutes' eine entscheidende Rolle. Die innovative Methodik der optischen Bildgebungverfahren erlaubt das molekulare Zusammenspiel in unterschiedlichsten Geweben und ihren Prozessen besser zu verstehen und wird zukünftig eine bedeutende Rolle in der in vivo Analyse biologischer Abläufe spielen.