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Fragestellung: Mit zunehmendem Alter lassen die Funktion und Regeneration verschiedener Organe stark nach. Im Skelett zeigt sich sich dies durch eine altersbedingte Osteopenie oder Osteoporose sowie einer verzögerten Frakturheilung. Die Literatur gibt Hinweise, dass erhöhter oxidativer Stress dabei eine entscheidende Rolle spielt. Ziel dieser Arbeit war es deshalb altersbedingte Veränderungen im Redox-System primärer humaner Osteoblasten zu identifizieren, welche die Proliferation und Funktion dieser Zellen negativ beeinflussen.

Methodik: Primäre humane Osteoblasten wurden aus spongiösem Knochen junger (< 40 Jahre) und alter (> 70 Jahre) Spender mittels Kollagenaseverdau isoliert, expandiert und osteogen differenziert. Es wurde die Proliferation (Proteinmenge, Ki-67/PCNA Expression), mitochondriale Aktivität, AP Aktivität und Matrix Mineralisierung (von Kossa, Alizarin Rot und Calcein Färbung) bestimmt. Die Expression von oxidativen Stress regulierenden Genen wurde mittels eines qRT-PCR basierten Arrays analysiert. Osteoklasten wurden aus THP-1 Zellen differenziert und durch die TRAP Aktivität charakterisiert und auf Proteinebene verifiziert. Die statistische Auswertung erfolgte mittels der GraphPad Prism Software (Mann-Whitney Test / p < 0,05).

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Mit zunehmendem Spenderalter sank die Expression von Ki-67 und PCNA signifikant, was auf eine verminderte Proliferationskapazität dieser Zellen hinweist. Des Weiteren war die AP Aktivität und Matrix Mineralisierung signifikant erniedrigt in Osteoblasten älterer Spender. Interessanterweise zeigten die Osteoblasten älterer Spender während des gesamten Differenzierungsprozess eine signifikant erhöhte mitochondriale Aktivität, was auf erhöhten oxidativen Stress hinweisen könnte. Um herauszufinden ob dies durch eine Dysregulation anti- bzw. pro-oxidativer Enzyme hervorgerufen wird wurde eine erweiterte Genexpressionanalyse (RT2 Profiler Array) durchgeführt. Dies zeigte eine signifikant erhöhte Expression von Catalase und Nox4 sowie eine erniedrigte Expression von GSR, GPX3 und SOD2 in den Osteoblasten älterer Spender mit vermindertem osteogenem Differenzierungspotential. Interessanterweise wurde durch den Zellkulturüberstand dieser Zellen signifikant mehr THP-1 Zellen zu Osteoklasten differenzieren als durch den Zellkulturüberstand jüngerer Osteoblasten.

Unsere Daten zeigen eine Dysregulation insbesondere der Gene SOD2, Catalase und Nox4 in den Osteoblasten älterer Spender. Die beobachteten Genexpressionsänderungen gehen mit einer verminderten Proliferation und osteogenen Differenzierung dieser Zellen sowie erhöhten Osteoklastogenese durch diese Zellen einher. So ist es denkbar, dass die identifizierten Genen eine Schlüsselrolle in der Osteoblastenproliferation und -funktion spielen und darüber hinaus dass durch die gezielte Modulation dieses zellulären Redox-Systems die Knochenfunktion uns -regeneration verbessert werden könnte.