Sebastian Kuhnen

• Phosphat stellt einen essenziellen Bestandteil der Knochenhartsubstanz dar und ist zudem erforderlich, um mesenchymale Stammzellen osteogen zu differenzieren. Bei der Aufklärung molekularer Pathomechanismen von Störungen der Phosphathomöostase wurden in den vergangenen zehn Jahre mehrere Botenstoffe identifiziert, die spezifische Wirkungen auf den systemischen Phosphathaushalt haben. Die als „Phosphatonine“ bezeichneten Substanzen FGF23 (Fibroblastenwachstumsfaktor 23), sFRP4 (secreted frizzled related protein 4), FGF7Phosphat stellt einen essenziellen Bestandteil der Knochenhartsubstanz dar und ist zudem erforderlich, um mesenchymale Stammzellen osteogen zu differenzieren. Bei der Aufklärung molekularer Pathomechanismen von Störungen der Phosphathomöostase wurden in den vergangenen zehn Jahre mehrere Botenstoffe identifiziert, die spezifische Wirkungen auf den systemischen Phosphathaushalt haben. Die als „Phosphatonine“ bezeichneten Substanzen FGF23 (Fibroblastenwachstumsfaktor 23), sFRP4 (secreted frizzled related protein 4), FGF7 (Fibroblastenwachstumsfaktor 7) und MEPE (matrix extracellular phosphoglycoprotein) induzieren eine negative Phosphatbilanz, indem sie an der Niere phosphaturisch wirken. Ziel dieser Arbeit war es, eventuell vorhandene Interaktionen zwischen knochenbildenden Zellen, Phosphat und den inzwischen bekannten Substanzen mit Wirkung auf den Phosphathaushalt zu charakterisieren. Dazu wurden immortalisierte Zelllinien mesenchymaler Stammzellen (hMSC-TERT) und fetaler Osteoblasten (hFOB) konzentrations- und zeitabhängig mit Phosphat stimuliert (von 1,25 mM bis 20 mM, von 0 bis 48 h). Die quantitative real-time-PCR zur relativen mRNA-Quantifizierung wurde dabei in der Arbeitsgruppe als Methode etabliert, um den Einfluss dieser erhöhten Phosphatspiegel im Nährmedium auf die Expression von Genen des Phosphatstoffwechsels und Markern der osteogenen Differenzierung zu analysieren. Untersucht wurden Col1 (Kollagen 1), OC (Osteokalzin), AP (Alkalische Phosphatase) und OP (Osteopontin) als Differenzierungsmarker, Pit-1 (Natrium-Phosphattransporter), sFRP4, MEPE und FGF23 als Schlüsselsubstanzen im Phosphatstoffwechsel sowie Aktin und EF1a als Housekeeping-Gene. Die real-time-PCR wurde mit der SYBR® Green-Methode durchgeführt, die Effizienzbestimmung erfolgte mit LinRegPCR, die Auswertung mit REST© und REST 2005, jeweils für die ermittelte Effizienz und die als optimal angenommene Effizienz (E=2). Zunächst konnte die Expression des Natrium-Phosphattransporters Pit-1 in den Zellen hMSC-TERT und hFOB nachgewiesen werden. Bei beiden Zelllinien zeigte sich, dass die Expression von sFRP4 mit steigender Phosphatkonzentration bzw. steigender Stimulationsdauer nach unten reguliert wird. Beim Vergleich aller stimulierten Proben mit den unstimulierten Kontrollen fiel das Expressionsverhältnis bei hMSC-TERT ungefähr auf die Hälfte des Ausgangswertes (0,52; p<0,05), bei hFOB reduzierte es sich auf zwei Drittel (0,67; p<0,05). Es ist somit anzunehmen, dass Phosphat in der Lage ist, die Genexpression von sFRP4 in hMSC-TERT und hFOB nach unten zu regulieren. Für Pit-1 ergab sich bei hMSC-TERT der Hinweis auf eine gesteigerte mRNA-Expression unter Phosphateinwirkung, für hFOB-Zellen konnte diese Beobachtung nicht gemacht werden. Beide Zelllinien zeigten unter Phosphat-Stimulation und maximaler Einwirkzeit von 48 h kein einheitliches Expressionsmuster, das auf eine beginnende Differenzierung hinweisen würde. Der in dieser Arbeit gefundene Hinweis auf eine Phosphatsensitivität von sFRP4 in mesenchymalen Stammzellen und Osteoblasten lässt somit die Vermutung einer physiologischen Beteiligung von sFRP4 an der Phosphatregulation zu. Es bleibt zu klären, inwieweit andere Phosphatonine an solchen Signalachsen beteiligt sind. Spekuliert werden kann, dass sFRP4 auch als Antagonist des Wnt-Signalweges bei Differenzierungsvorgängen eine größere Rolle spielt als bisher angenommen. Des Weiteren sollte in der vorliegenden Arbeit ein Genexpressionssystem (Tet-On™ Konstrukt) in mesenchymalen adulten Stammzellen (hMSC-TERT) etabliert werden, mit dem im Endzustand die Expression beliebiger Gene Tetracyclin-abhängig induziert werden kann. Diese Arbeiten konnten bis zur ersten Transfektion erfolgreich durchgeführt werden: Für einen Referenz-Vektor zeigte sich eine ausgeprägte Induzierbarkeit durch Doxycyclin. Als erstes Gen sollte sFRP4 überexprimiert werden, das dafür zunächst isoliert, sequenziert und kloniert wurde und nun für den Einsatz in diesem Genexpressionssystem zur Verfügung steht. Die Aufklärung der Regulationsmechanismen und auch der Wirkungsweise von Phosphat wird ein wichtiges Ziel zukünftiger Forschung sein und eventuell neue therapeutische Möglichkeiten zur Behandlung von krankhaften Abweichungen der Phosphathomöostase eröffnen.…
• Phosphate is an exceptionally important component of bone mineral and is necessary for the osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells. In the last decade, several substances have been identified by the analysis of pathological mechanisms that underlie disorders in phosphate homeostasis. These substances, the so-called “phosphatonins”, seem to have a specific function in the regulation of phosphate metabolism. Phosphatonins, such as FGF23 (fibroblast growth factor 23), sFRP4 (secreted frizzled related protein 4), FGF7 (fibroblastPhosphate is an exceptionally important component of bone mineral and is necessary for the osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells. In the last decade, several substances have been identified by the analysis of pathological mechanisms that underlie disorders in phosphate homeostasis. These substances, the so-called “phosphatonins”, seem to have a specific function in the regulation of phosphate metabolism. Phosphatonins, such as FGF23 (fibroblast growth factor 23), sFRP4 (secreted frizzled related protein 4), FGF7 (fibroblast growth factor 7) and MEPE (matrix extracellular phosphoglycoprotein) are able to induce a state of negative phosphate balance by reducing renal phosphate reabsorption. The aim of this study was to elucidate possible interactions between bone forming cells, phosphate, and the known signal molecules of phosphate homeostasis. To this end, immortalized experimental cell lines of mesenchymal stem cells (hMSC-TERT) and fetal osteoblasts (hFOB) were stimulated in a dose- and time-dependent manner with augmented levels of phosphate (1.25 mM to 20 mM, 0 to 48 h). In order to detect the influence of increased phosphate levels on the expression of genes, which are markers of osteogenic differentiation and components of phosphate homeostasis, the method of quantitative real-time PCR was established in the workgroup. Col1 (collagen 1), OC (osteocalcin), AP (alkaline phosphatase) and OP (osteopontin) were analyzed as markers of differentiation; Pit-1 (sodium-phosphate transporter), sFRP4, MEPE and FGF23 as key-players in phosphate homeostasis; while Aktin and EF1a were used as housekeeping-genes. Real-time PCR was proceeded following the SYBR® Green method; the PCR efficiency was evaluated with LinRegPCR; finally the expression-ratios were calculated by REST© and REST 2005 - once using the evaluated efficiency and once using the optimal efficiency (E=2). It was shown that Pit-1 is expressed in hMSC-TERT and hFOB cells. For both cell lines it was obvious that the expression of sFRP4 is down-regulated by increasing phosphate concentrations or increasing duration of phosphate stimulation. Comparing all stimulated samples with all unstimulated controls, the expression ratio of sFRP4 decreased at half the initial value (0.52; p<0.05) in hMSC-TERT, and decreased at two-thirds of the initial value (0.67; p<0.05) in hFOB. This seems to be a strong indication that phosphate is able to down-regulate the expression of sFRP4 in hMSC-TERT and hFOB. Concerning Pit-1, one could suppose that the mRNA-expression was increased in hMSC-TERT cells following the stimulation with phosphate. In hFOB cells, this observation could not be made. Within both cell lines, no gene-expression pattern could be found that indicates the beginning of a differentiation process. The observed phosphate-sensitivity of sFRP4 in mesenchymal stem cells and osteoblasts permits us to assume that sFRP4 is involved in the physiological regulation of phosphate metabolism. Whether other phosphatonins are involved in such signaling-axis remains to be elucidated. By acting as a Wnt-antagonist, it can be assumed that sFRP4 plays a more important role in differentiation than previously known. Furthermore, the aim of this work was to establish a gene-expression-system (Tet-On™-system) in adult mesenchymal stem cells, by which it is possible to induce the expression of a target-gene in a tetracycline-dependent manner. The first transfection was accomplished successfully; the expression of a test-reference-vector was induced notedly by doxycycline. sFRP4 was projected as first gene being overexpressed by the Tet-On™-system. For this aim, sFRP4 was isolated, sequenced and cloned and is now ready to use in this manner. Revealing the mechanisms of regulation and the biological effects of phosphate in organisms will remain one topic of further investigation and will perhaps offer new therapeutic strategies for the treatment of disorders in phosphate homeostasis.…