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Die BMP-Antagonisten Gremlin-1 und Noggin stimulieren die RANKL abhängige Osteoklastogenese
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Autoren
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Eliza Sophie Hartmann
- Department Klinische Forschung, Gruppe Für Knochenbiologie, Bern, Switzerland
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John Choy
- Department Klinische Forschung, Gruppe Für Knochenbiologie, Bern, Switzerland
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Silvia Dolder
- Department Klinische Forschung, Gruppe Für Knochenbiologie, Bern, Switzerland
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Klaus-Arno Siebenrock
- Inselspital Bern, Klinik für Orthopädische Chirurgie und Traumatologie, Bern, Switzerland
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Willy Hofstetter
- Department Klinische Forschung, Gruppe Für Knochenbiologie, Bern, Switzerland
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Frank M. Klenke
- Klinik für Orthopädische Chirurgie und Traumatologie, Inselspital, Universitätsspital Bern, Bern, Switzerland
| Veröffentlicht: | 10. Oktober 2016 |
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Gliederung
Text
Fragestellung: BMP-2 und BMP-7 werden zur Stimulation der Knochenheilung eingesetzt. Allerdings sind hohe BMP Konzentration nötig, um die gewünschten osteoinduktiven Effekte zu erzielen. Diese hohen Konzentrationen werden mit Nebenwirkungen wie Osteolysen und der Bildung von zystischen Knochenläsionen in Verbindung gebracht und sind möglicherweise durch die Induktion von BMP Antagonisten bedingt. Osteolysen und zystische Knochenläsionen, die mit vermehrter Osteoklastenneubildung und -aktivität assoziiert sind können den Erfolg der BMP Therapie gefährden. Ziel dieser Studie war es daher die Induktion von BMP Antagonisten durch exogenes BMP-2 und den Einfluss der BMP Antagonisten Gremlin-1 und Noggin auf die Osteoklastogenese in vitro zu untersuchen.
Methodik: Primäre murine Osteoblasten (OB) wurden mit 1,25(OH)2D3 (0, 10-9, 10-8 M) mit/ohne BMP-2 (33, 166 nM) kultiviert, um die Expression der BMP Antagonisten zu untersuchen. M-CSF- abhängige nicht-adhärente Osteoklastenvorläuferzellen (OPC) wurden mit Macrophagen Kolonien Stimulierenden Faktor (M-CSF 30 ng/ml) und Rezeptor Aktivator von Nuklear Faktor κ B Ligand (RANKL 0, 2.5, 20 ng/ml) mit/ohne Gremlin-1 (33 nM) oder Noggin (33 nM) für 4 bis 6 Tage kultiviert. Als Negativkontrolle wurden Zellen nur mit M-CSF (30 ng/ml) kultiviert. Um den Einfluss der BMP-Antagonisten auf die unterschiedlichen Phasen der Osteoklastenbildung zu untersuchen wurden Noggin und Gremlin-1 an den Tagen 0-6, 0-3 (Proliferationsphase) und 4-5 (Differenzierungsphase) zur Kultur gegeben. Die Bildung von Osteoklasten (OC) wurde mittels TRAP Färbung und Messung der TRAP Aktivität quantifiziert.
Ergebnisse und Schlussfolgerung: BMP-2 führte zu einer Induktion der mRNA Expression von Gremlin und Noggin in Osteoblasten und zu einer Inhibition der Expression von BMP-3. Die BMP Antagonisten DAN, Chordin, Twsg1 und Wise wurden in Osteoblasten exprimiert, zeigten aber keine BMP-2 abhängige Expression. Gremlin-1 und Noggin induzierten eine Stimulation der RANKL abhängigen Osteoklastenformation [OC/well: RANKL 2.5 ng/ml: 14 ± 5, RANKL 20 ng/ml: 162 ± 33, RANKL 2.5 ng/ml + Gremlin: 160 ± 42, RANKL 2.5 ng/ml + Noggin: 95 ± 23; p<0.001 RANKL 2.5 ng/ml + Gremlin vs. RANKL 2.5 ng/ml, p<0.001 RANKL 2.5 ng/ml + Noggin vs. RANKL 2.5 ng/ml]. Die Zugabe von Gremlin-1 und Noggin während der Proliferationsphase der OC Kultur führte zur Osteoklastenbildung von 60-70% im Vergleich zur Positivkontrolle, dagegen zeigte sich während der Differenzierungsphase eine relative Osteoklastenbildung von 20-30% der Positivkontrolle.
Die durch exogenes BMP-2 induzierten Antagonisten Gremlin-1 und Noggin stimulieren die RANKL abhängige Osteoklastenformation. Der Effekt der BMP Antagonisten zeigte sich vor allem in der Proliferationsphase der Osteoklastenentwicklung während die Differenzierungsphase der Osteoklasten wenig beeinflusst wird. Die Induktion von BMP Antagonisten und deren stimulierender Effekt auf die Osteoklastenbildung könnte eine Ursache für die bei BMP Anwendungen beobachtete Knochenresorption sein.
