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Fragestellung: Proinflammatorische Zytokine beeinflussen das Gleichgewicht zwischen Knochenaufbau und -abbau und spielen somit eine wichtige Rolle bei verschiedenen Knochenstoffwechselerkrankungen. In vorherigen Publikationen haben wir bereits gezeigt, dass die Zytokine IL-1β und TNF-α die Mineralisierung der Osteoblasten (OB) signifikant steigerten. Der Knochenaufbau erfordert einen erhöhten Energieaufwand der Zellen, weshalb während der Osteogenese zur Energiegewinnung verschiedene Stoffwechselwege aktiviert werden, wie die oxidative Phosphorylierung (OxPhos) oder die Glykolyse. In dieser Studie haben wir den Stoffwechsel primärer humaner OB während der osteogenen Differenzierung untersucht und den Einfluss der mineralisierungsfördernden Zytokine IL-1 β und TNF-α auf den Energiemetabolismus analysiert.

Methodik: Primäre OB wurden aus den Hüftköpfen von 18 Patienten (T-Score ≥ -1.0) isoliert und für 14 Tage in der Zellkultur mit und ohne die rekombinanten Zytokine IL-1β und TNF-α (250 U) in Differenzierungsmedium behandelt. Am 1. und 14. Tag wurde der Sauerstoffverbrauch (OCR) der Zellen zur Untersuchung der OxPhos mittels Seahorse XF Cell Mito Stress Test und die extrazelluläre Azidifizierung (ECAR) zur Untersuchung der Glykolyse mittels Seahorse XF Glycolysis Stress Test gemessen. Die statistische Auswertung erfolgte durch den Mann-Whitney-U-Tests.

Ergebnisse und Schlussfolgerung: Nach 14 Tagen der Differenzierung nahm die basale Respiration und ATP-Produktion in den OB durch OxPhos zu. Gleichzeitig wurde eine signifikante Inhibition der Glykolyse beobachtet. Die Behandlung mit den Zytokinen hatte interessanterweise unterschiedliche Auswirkungen auf den Energiemetabolismus der Zellen. Die mit TNF-α behandelten OB wiesen eine signifikante Steigerung sowohl der basalen Respiration als auch der ATP-Produktion durch OxPhos um das etwa 1,5-Fache auf. Im Gegensatz dazu führte IL-1β zu einer etwa 1,9-fachen Erhöhung der Glykolyse sowie zu einer signifikanten Zunahme der nicht-glykolytischen Azidifizierung im Vergleich zu den differenzierten OB ohne Zytokine.

Die Ergebnisse dieser Studie bestätigen, dass der Energiemetabolismus der OB während der Differenzierung an einen erhöhten Energiebedarf angepasst wird (Gao et al., 2018; Lee et al., 2017), wobei an Tag 14 bevorzugt die OxPhos gegenüber der Glykolyse genutzt wurde. Die erhöhte Glykolyse durch IL-1β könnte darauf hindeuten, dass sich die OB in einem späteren Differenzierungsstadium befinden (Guntur et al., 2014). Die dadurch verursachte höhere extrazelluläre Azidifizierung könnte wiederum zu einer Aktivierung der Osteoklastenaktivität im Knochen führen (Pompo et al., 2021). Trotz der ebenso beobachteten erhöhten Mineralisierung hatte TNF-α eine signifikante Steigerung der OxPhos zur Folge. Diese Ergebnisse verdeutlichen die komplexe Regulation des Knochenstoffwechsels durch verschiedene entzündliche Signale.