I. Die Rolle der 11-beta Hydroxysteroid-Dehydrogenase Typ 1 für die Entstehung der Altersosteoporose

Klinischer Hintergrund

Nach Erreichen der sog. Spitzenknochenmasse, etwa mit 30 Jahren, kommt es statistisch etwa ab dem 40. Lebensjahr zu einem allmählichen Abfall der Knochenmasse in beiden Geschlechtern um ca. 0.5 % im Jahr. Dieser altersabhängige Knochenmassenverlust, der ab einem bestimmten Ausmaß zur Altersosteoporose führt, ist ursächlich nicht geklärt, könnte jedoch mit den zahlreichen altersabhängigen Veränderungen des Hormonsystems, des Stoffwechsels und der physischen Aktivität zusammenhängen. Ein grundlegendes Verständnis dieses Prozesses und deren molekulare Ursachen könnten neue therapeutische und möglicherweise sogar prophylaktische Interventionen möglich machen.

Klinisches Projekt

Im Rahmen eines von der Elsbeth-Bonhoff-Stifung geförderten Projektes (Projekt Nr. 44: Rolle von Polymorphismen im Bereich des Glukokortikoid-Stoffwechsels bzw. der Glukokortkoid-Regulation im Knochen – Einfluss auf den supprimierten Cortisolspiegel in Osteoporosepatienten (SNP-Korrelationsstudie) konnten wir Analysen in 452 ambulanten Patienten mit Osteoporose durchführen. HSD11B1 und HSD11B2 Gene und deren Assoziation mit der Knochendichte (BMD) und dem Cortisolwert im Dexamethasonhemmtest (post dexamethasone cortisol = PDC, primärer Endpunkt) und der Frakturrate (sekundärer Endpunkt) in einer Untergruppe von 304 Patienten wurden analysiert. In einer Untergruppe von 148 Patienten wurde der "single nucleotide polymorphism" (SNP) rs11811440 identifiziert und mit dem BMD korreliert. In der publizierten Arbeit korrelierte SNP rs11811440 negativ zu den supprimierten Cortisolwerten nach Dexamethasoneinnahme (R=-0.128, p=0.03, n=304) and positiv zur BMD der Wirbelsäule (R=0.17, p<0.01, n=452). Die BMD war somit niedriger bei Patienten mit höheren Cortisolwerten, was für eine funktionelle Rolle von HSD11B1 für die BMD in Patienten mit Osteoporose spricht.

siggelkow cortisol

Abb: Höhe des Cortisol im Dexamethasonhemmtest abhängig vom Allel des SNP rs 11811440 des 11bHSD1 Gen

Für die SNPs für HSD11B2 fanden sich keine relevanten Korrelationen. Dies würde die experimentellen in vitro Ergebnisse an Osteoblasten unterstützen, die keine funktionelle Relevanz für 11beta-HSD2 im Knochen nachweisen konnten.

Zusammenfassend zeigen unsere Ergebnisse, dass HSD11B1 Polymorphismen mit supprimierten Cortisolspiegeln und BMD in Patienten mit Osteoporose assoziiert sind. Die Daten weisen dem Enzym 11βHSD1 eine Rolle in der physiologischen Glucokortikoid Regulation am Knochen und der Entwicklung und Ausprägung einer Osteoporose zu.


II. Expression und Funktion von 11βHSD1 und 11βHSD2 in-vitro in humanen osteogen differenzierten mesenchymalen Vorläuferzellen

Osteoblasten entwickeln sich aus multipotenten mesenchymalen Stammzellen, die sich auch in Adipozyten, Chondrozyten und Myoblasten differenzieren können. Zahlreiche Untersuchungen weisen darauf hin, dass eine besonders enge Koppelung zwischen Osteogenese und Adipogenese besteht. Sogar hoch differenzierte Osteokalzin-positive Osteoblasten konnten unter bestimmten Bedingungen zu Adipozyten umdifferenziert werden. Da mit zunehmender Abnahme der Knochenmasse im Alter gleichzeitig das Fettgewebe im Mark zunimmt, entwickelte sich die Hypothese, dass die Altersosteoporose möglicherweise einen Differenzierungsdefekt darstellt, im Sinne eines Ungleichgewichtes der Adipogenese auf Kosten der Osteogenese. In eigenen Untersuchungen konnten wir erstaunlicherweise eine parallele Expression der Osteogenese und Adipogenese bis hin zu hoch differenzierten Osteoblasten nachweisen, so dass anscheinend sowohl die Möglichkeit der Transdifferenzierung als auch der Kodifferenzierung besteht.

Der Mechanismus der die Transdifferenzierung bzw. Kodifferenzierung steuert, ist bisher nicht identifiziert. Eine zentrale Rolle hierbei scheinen Transkriptionsfaktoren zu spielen, die die Adipogenese bzw. die Osteogenese steuern. In unserem Projekt haben wir die Hypothese aufgestellt, dass eine im Alter zunehmende Aktivität der 11βHSD1 zu einer lokalen Erhöhung von biologisch aktivem Cortisol in Osteoblasten führt, gefolgt von einer Induktion der Adipogenese. Dieser Prozeß würde dann zu einem sich langsam entwickelnden Ungleichgewicht zwischen Osteogenese und Adipogenese mit einer Abnahme der aktiven Osteoblasten und einer Zunahme der Fettzellen im Knochenmark führen.

In vorangegangenen in vitro Studien, die von der Elsbeth-Bonhoff-Stiftung gefördert wurden (Die Rolle der 11-beta Hydroxysteroid-Dehydrogenase Typ1 und Typ 2 für die Entstehung der Altersosteoporose: Etablierung eines in-vitro-Modells), wurde die mRNA Expression von 11βHSD1 und 11βHSD2 mRNA in verschiedenen Modellen der Osteoblastendifferenzierung bestimmt (immortalisierte humane osteoblastäre Zellen (AHTO), Osteosarcomzellinie (HOS 58) [Siggelkow et al., 2002], immortalisierte mesenchymale Progenitorzellen (SCP-1) [Bocker et al., 2008] und primäre mesenchymale Progenitorzellen (hMSC) [Siggelkow et al., 1999]. Die Expression von 11β-HSD1 und 11β-HSD2 konnte in den primären MSCs nachgewiesen werden [Bland et al., 1999; Cooper et al., 2000; Cooper et al., 2001].

Im weiteren Verlauf wurden Cortisol und Cortison Messungen in Zellkulturüberständen mittels Massenspektroskopie etabliert sowie Westernblots zur Detektion des 11β-HSD1 and 11β-HSD2 Proteins erfolgreich entwickelt. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass nach osteogener Stimulation in MSCs 11β-HSD1 hauptsächlich die Reduktion des inaktiven Cortison zum aktiven Cortisol katalysiert wird. Die aktuelle Förderung (Elsbeth-Bonhoff-Stiftung Projekt 130) beschäftigt sich mit der Funktion beider Enzyme abhängig vom Differenzierungsverlauf der humanen primären MSCs, da in Adipozyten eine differenzierungsabhängige Funktion des Enzyms nachgewiesen wurde [Pierotti et al., 2008]. Das Wissen über den Zeitablauf wird helfen den Zeitpunkt für die Analyse von klinischen Proben festzulegen.

III. Osteoporose bei Morbus Crohn

Klinischer Hintergrund

Ca. 30 % aller Patienten mit M. Crohn zeigen eine Beteiligung des Knochenstoffwechsels. Hier kann es im Einzelfall zu einer Osteoporose und zu einer starken Einschränkung der Lebensqualität kommen. Welche Patienten mit M. Crohn betroffen sind, ist zum jetzigen Zeitpunkt nicht klar. In unserem Projekt haben wir die Hypothese aufgestellt, dass die Osteopenie/Osteoporose bei den Betroffenen von den lokalen Entzündungsfaktoren verursacht wird, die zu einer Funktionsänderung der mesenchymalen Vorläuferzellen während der Differenzierung zum Osteoblasten führt.

Klinisches Projekt: Untersuchung der Osteoporoseentstehung bei M. Crohn

In einer pathophysiologisch orientierten Untersuchung haben wir Patienten in einem akuten Schub des M. Crohn ohne jegliche immunsuppressive Therapie bezüglich des Knochenstoffwechsels der Zytokine und der Knochendichte untersucht. Diese Untersuchung wurde nach Eintreten der Remission ebenfalls ohne immunsupressive Therapie wiederholt. Es zeigten sich Hinweise für einen Zusammenhang der Knochenstoffwechselveränderung mit systemisch erhöhten Entzündungsfaktoren wie CRP und BSG unabhängig von dem eher klinischen Verlaufsparameter des Crohn disease activity index (CDAI) [Siggelkow et al., 2009].

In vitro Projekt:

Effekt von Serum von Patienten mit Morbus Crohn im akuten Schub Die Seren von den Patienten wurden in verschiedenen Experimenten eingesetzt, um den Effekt auf die Differenzierung von MSCs zu untersuchen. Es zeigte sich, dass das Serum von Patienten mit Osteoporose neben dem Effekt auf eine Vielzahl von anderen Genen zu einem stärkeren Anstieg von RANKL in primären humanen MSCs führte [Blaschke et al., 2007]. Wegen der hohen Variation der MSCs von verschiedenen Spendern haben wir im weiteren Verlauf die Untersuchungen an einer humanen Zelllinie fortgesetzt [Bocker et al., 2008]. Die aktuell geförderte Arbeit (Elsbeth-Bonhoff-Stiftung Projekt Nr. 105) untersucht nun den Effekt des Serum von Crohnpatienten im akuten Schub im Vergleich zum Serum desselben Patienten in Remission. Dabei kommen Microarray- und Proteomicsanalysen neben der quantitativen PCR Analyse zur Anwendung. Zusätzlich zu den humanen primären MSCs werden Osteoklasten in ihrer Differenzierung und Funktionalität untersucht.

I. Die Rolle der 11-beta Hydroxysteroid-Dehydrogenase Typ 1 für die Entstehung der Altersosteoporose

Klinischer Hintergrund

Nach Erreichen der sog. Spitzenknochenmasse, etwa mit 30 Jahren, kommt es statistisch etwa ab dem 40. Lebensjahr zu einem allmählichen Abfall der Knochenmasse in beiden Geschlechtern um ca. 0.5 % im Jahr. Dieser altersabhängige Knochenmassenverlust, der ab einem bestimmten Ausmaß zur Altersosteoporose führt, ist ursächlich nicht geklärt, könnte jedoch mit den zahlreichen altersabhängigen Veränderungen des Hormonsystems, des Stoffwechsels und der physischen Aktivität zusammenhängen. Ein grundlegendes Verständnis dieses Prozesses und deren molekulare Ursachen könnten neue therapeutische und möglicherweise sogar prophylaktische Interventionen möglich machen.

Klinisches Projekt

Im Rahmen eines von der Elsbeth-Bonhoff-Stifung geförderten Projektes (Projekt Nr. 44: Rolle von Polymorphismen im Bereich des Glukokortikoid-Stoffwechsels bzw. der Glukokortkoid-Regulation im Knochen – Einfluss auf den supprimierten Cortisolspiegel in Osteoporosepatienten (SNP-Korrelationsstudie) konnten wir Analysen in 452 ambulanten Patienten mit Osteoporose durchführen. HSD11B1 und HSD11B2 Gene und deren Assoziation mit der Knochendichte (BMD) und dem Cortisolwert im Dexamethasonhemmtest (post dexamethasone cortisol = PDC, primärer Endpunkt) und der Frakturrate (sekundärer Endpunkt) in einer Untergruppe von 304 Patienten wurden analysiert. In einer Untergruppe von 148 Patienten wurde der "single nucleotide polymorphism" (SNP) rs11811440 identifiziert und mit dem BMD korreliert. In der publizierten Arbeit korrelierte SNP rs11811440 negativ zu den supprimierten Cortisolwerten nach Dexamethasoneinnahme (R=-0.128, p=0.03, n=304) and positiv zur BMD der Wirbelsäule (R=0.17, p<0.01, n=452). Die BMD war somit niedriger bei Patienten mit höheren Cortisolwerten, was für eine funktionelle Rolle von HSD11B1 für die BMD in Patienten mit Osteoporose spricht.

siggelkow cortisol

Abb: Höhe des Cortisol im Dexamethasonhemmtest abhängig vom Allel des SNP rs 11811440 des 11bHSD1 Gen

Für die SNPs für HSD11B2 fanden sich keine relevanten Korrelationen. Dies würde die experimentellen in vitro Ergebnisse an Osteoblasten unterstützen, die keine funktionelle Relevanz für 11beta-HSD2 im Knochen nachweisen konnten.

Zusammenfassend zeigen unsere Ergebnisse, dass HSD11B1 Polymorphismen mit supprimierten Cortisolspiegeln und BMD in Patienten mit Osteoporose assoziiert sind. Die Daten weisen dem Enzym 11βHSD1 eine Rolle in der physiologischen Glucokortikoid Regulation am Knochen und der Entwicklung und Ausprägung einer Osteoporose zu.


II. Expression und Funktion von 11βHSD1 und 11βHSD2 in-vitro in humanen osteogen differenzierten mesenchymalen Vorläuferzellen

Osteoblasten entwickeln sich aus multipotenten mesenchymalen Stammzellen, die sich auch in Adipozyten, Chondrozyten und Myoblasten differenzieren können. Zahlreiche Untersuchungen weisen darauf hin, dass eine besonders enge Koppelung zwischen Osteogenese und Adipogenese besteht. Sogar hoch differenzierte Osteokalzin-positive Osteoblasten konnten unter bestimmten Bedingungen zu Adipozyten umdifferenziert werden. Da mit zunehmender Abnahme der Knochenmasse im Alter gleichzeitig das Fettgewebe im Mark zunimmt, entwickelte sich die Hypothese, dass die Altersosteoporose möglicherweise einen Differenzierungsdefekt darstellt, im Sinne eines Ungleichgewichtes der Adipogenese auf Kosten der Osteogenese. In eigenen Untersuchungen konnten wir erstaunlicherweise eine parallele Expression der Osteogenese und Adipogenese bis hin zu hoch differenzierten Osteoblasten nachweisen, so dass anscheinend sowohl die Möglichkeit der Transdifferenzierung als auch der Kodifferenzierung besteht.

Der Mechanismus der die Transdifferenzierung bzw. Kodifferenzierung steuert, ist bisher nicht identifiziert. Eine zentrale Rolle hierbei scheinen Transkriptionsfaktoren zu spielen, die die Adipogenese bzw. die Osteogenese steuern. In unserem Projekt haben wir die Hypothese aufgestellt, dass eine im Alter zunehmende Aktivität der 11βHSD1 zu einer lokalen Erhöhung von biologisch aktivem Cortisol in Osteoblasten führt, gefolgt von einer Induktion der Adipogenese. Dieser Prozeß würde dann zu einem sich langsam entwickelnden Ungleichgewicht zwischen Osteogenese und Adipogenese mit einer Abnahme der aktiven Osteoblasten und einer Zunahme der Fettzellen im Knochenmark führen.

In vorangegangenen in vitro Studien, die von der Elsbeth-Bonhoff-Stiftung gefördert wurden (Die Rolle der 11-beta Hydroxysteroid-Dehydrogenase Typ1 und Typ 2 für die Entstehung der Altersosteoporose: Etablierung eines in-vitro-Modells), wurde die mRNA Expression von 11βHSD1 und 11βHSD2 mRNA in verschiedenen Modellen der Osteoblastendifferenzierung bestimmt (immortalisierte humane osteoblastäre Zellen (AHTO), Osteosarcomzellinie (HOS 58) [Siggelkow et al., 2002], immortalisierte mesenchymale Progenitorzellen (SCP-1) [Bocker et al., 2008] und primäre mesenchymale Progenitorzellen (hMSC) [Siggelkow et al., 1999]. Die Expression von 11β-HSD1 und 11β-HSD2 konnte in den primären MSCs nachgewiesen werden [Bland et al., 1999; Cooper et al., 2000; Cooper et al., 2001].

Im weiteren Verlauf wurden Cortisol und Cortison Messungen in Zellkulturüberständen mittels Massenspektroskopie etabliert sowie Westernblots zur Detektion des 11β-HSD1 and 11β-HSD2 Proteins erfolgreich entwickelt. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass nach osteogener Stimulation in MSCs 11β-HSD1 hauptsächlich die Reduktion des inaktiven Cortison zum aktiven Cortisol katalysiert wird. Die aktuelle Förderung (Elsbeth-Bonhoff-Stiftung Projekt 130) beschäftigt sich mit der Funktion beider Enzyme abhängig vom Differenzierungsverlauf der humanen primären MSCs, da in Adipozyten eine differenzierungsabhängige Funktion des Enzyms nachgewiesen wurde [Pierotti et al., 2008]. Das Wissen über den Zeitablauf wird helfen den Zeitpunkt für die Analyse von klinischen Proben festzulegen.

III. Osteoporose bei Morbus Crohn

Klinischer Hintergrund

Ca. 30 % aller Patienten mit M. Crohn zeigen eine Beteiligung des Knochenstoffwechsels. Hier kann es im Einzelfall zu einer Osteoporose und zu einer starken Einschränkung der Lebensqualität kommen. Welche Patienten mit M. Crohn betroffen sind, ist zum jetzigen Zeitpunkt nicht klar. In unserem Projekt haben wir die Hypothese aufgestellt, dass die Osteopenie/Osteoporose bei den Betroffenen von den lokalen Entzündungsfaktoren verursacht wird, die zu einer Funktionsänderung der mesenchymalen Vorläuferzellen während der Differenzierung zum Osteoblasten führt.

Klinisches Projekt: Untersuchung der Osteoporoseentstehung bei M. Crohn

In einer pathophysiologisch orientierten Untersuchung haben wir Patienten in einem akuten Schub des M. Crohn ohne jegliche immunsuppressive Therapie bezüglich des Knochenstoffwechsels der Zytokine und der Knochendichte untersucht. Diese Untersuchung wurde nach Eintreten der Remission ebenfalls ohne immunsupressive Therapie wiederholt. Es zeigten sich Hinweise für einen Zusammenhang der Knochenstoffwechselveränderung mit systemisch erhöhten Entzündungsfaktoren wie CRP und BSG unabhängig von dem eher klinischen Verlaufsparameter des Crohn disease activity index (CDAI) [Siggelkow et al., 2009].

In vitro Projekt:

Effekt von Serum von Patienten mit Morbus Crohn im akuten Schub Die Seren von den Patienten wurden in verschiedenen Experimenten eingesetzt, um den Effekt auf die Differenzierung von MSCs zu untersuchen. Es zeigte sich, dass das Serum von Patienten mit Osteoporose neben dem Effekt auf eine Vielzahl von anderen Genen zu einem stärkeren Anstieg von RANKL in primären humanen MSCs führte [Blaschke et al., 2007]. Wegen der hohen Variation der MSCs von verschiedenen Spendern haben wir im weiteren Verlauf die Untersuchungen an einer humanen Zelllinie fortgesetzt [Bocker et al., 2008]. Die aktuell geförderte Arbeit (Elsbeth-Bonhoff-Stiftung Projekt Nr. 105) untersucht nun den Effekt des Serum von Crohnpatienten im akuten Schub im Vergleich zum Serum desselben Patienten in Remission. Dabei kommen Microarray- und Proteomicsanalysen neben der quantitativen PCR Analyse zur Anwendung. Zusätzlich zu den humanen primären MSCs werden Osteoklasten in ihrer Differenzierung und Funktionalität untersucht.

 

Bachelor/ Masterarbeiten und medizinische Doktorarbeiten:
Studenten und Studentinnen der Biologie und Medizin können zwecks Anfertigung einer Arbeit Kontakt aufnehmen.

 

KOOPERATIONEN

  • Mladen Tzvetkov, Jürgen Brockmüller, Institut für Klinische Pharmakologie
  • Nicolai Miosge, Poliklinik für Zahnärzliche Prothetik
  • Stephan Sehmisch, Klaus Michael Stürmer, Klinik Unfallchirurgie, Plastische-und Wiederherstellungschirurgie
  • Undine Lippert, Klinik für Dermatologie,Venerologie und Allergologie
  • Christine Hempel, Institut für Physiologische Chemie, Universität Dresden, Dresden
  • Matthias Schieker, ehemals: Chirurgische Klinik - Innenstadt, Klinikum der Universität München
  • Gabriele Armbrecht, Institut für Muskel- und Knochenforschung, Charite, Berlin
  • Marcus Quinkler, Endokrinologie in Charlottenburg, Berlin
  • Moustapha Kassem, Endocrinology and Metabolism, University Hospital of Odense, Denmark
  • Medivision Hamburg, MVZ Endokrinologikum Göttingen
  • Christof Lenz, Henning Urlaub, Abdul Rahman Asif, Institut für Klinische Chemie
  • Proteomics Research Group
  • Gabriela Salinas-Riester, Zentrum Biochemie Transkriptomanalyselabor
  • Frank Streit, LC-MS/MS Analyse Labor, Institut für Klinische Chemie

 

FUNDING

elsbethbonhoff


Referenzen

  • Maitra A, Hruban RH. (2008) Pancreatic cancer. Annu Rev Pathol 3: 157-188
  • Hingorani SR, Petricoin EF, Maitra A, Rajapakse V, King C, Jacobetz MA, Ross S, Conrads TP, Veenstra TD, Hitt BA, Kawaguchi Y, Johann D, Liotta LA, Crawford HC, Putt ME, Jacks T, Wright CV, Hruban RH, Lowy AM, Tuveson DA. (2003) Preinvasive and invasive ductal pancreatic cancer and its early detection in the mouse. Cancer Cell 4: 437-50
  • Mancini M, Toker A. (2009) NFAT proteins: emerging roles in cancer progression. Nat Rev Cancer 9:810–820.
  • Guerra C, Schuhmacher AJ, Cañamero M, Grippo PJ, Verdaguer L, Pérez-Gallego L, et al. (2007) Chronic pancreatitis is essential for induction of pancreatic ductal adenocarcinoma by K-Ras oncogenes in adult mice. Cancer Cell 11:291–302
  • Pylayeva-Gupta Y, Lee KE, Hajdu CH, Miller G, Bar-Sagi D (2012) Oncogenic Kras-induced GM-CSF production promotes the development of pancreatic neoplasia. Cancer Cell 21:836–847

Ansprechpartner

Prof. Dr. med. Heide Siggelkow

Email: Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!
Telefon: 0551-39-9747
siggelkow_umg_goettingen