Lucia Glück

• Die Osteoporose ist eine Erkrankung, die durch verminderte Dichte und erhöhte Fragilität des Knochens gekennzeichnet ist. Sie zählt zu den häufigsten Erkrankungen weltweit und geht mit erheblicher Einschränkung der Lebensqualität und erhöhter Mortalität einher. Eine Behandlungsmöglichkeit dieses schwerwiegenden Krankheitsbilds ist die Therapie mit Bisphosphonaten. Diese hemmen mit ihren antiresorptiven Eigenschaften den Knochenabbau und fördern vermutlich gleichzeitig den Knochenaufbau. Obwohl schon lange die Wirkungsweise der BisphosphonateDie Osteoporose ist eine Erkrankung, die durch verminderte Dichte und erhöhte Fragilität des Knochens gekennzeichnet ist. Sie zählt zu den häufigsten Erkrankungen weltweit und geht mit erheblicher Einschränkung der Lebensqualität und erhöhter Mortalität einher. Eine Behandlungsmöglichkeit dieses schwerwiegenden Krankheitsbilds ist die Therapie mit Bisphosphonaten. Diese hemmen mit ihren antiresorptiven Eigenschaften den Knochenabbau und fördern vermutlich gleichzeitig den Knochenaufbau. Obwohl schon lange die Wirkungsweise der Bisphosphonate erforscht wird, ist noch nicht sicher geklärt, wie beispielsweise osteoanabole oder antitumoröse Effekte vermittelt werden. Einen Erklärungsansatz bietet der MEK5/ Erk5-Signalweg. Diesem werden unter anderem antiangiogenetische, antiinflammatorische und antiproliferative Eigenschaften zugesprochen. In früheren Studien konnte gezeigt werden, dass Statine Erk5 und Erk5-abhängige Gene aktivieren können. Statine wiederum inhibieren ebenfalls den Mevalonatstoffwechsel, jedoch weiter upstream als Bisphosphonate. Da Statine zudem osteoanabole Effekte aufweisen, lag die These nahe, dass auch Bisphosphonate ihre Wirkung über den MEK5/Erk5-Signalweg vermitteln könnten. Die These konnte im Rahmen dieser Arbeit bestätigt werden: Stickstoffhaltige, nicht aber stickstofffreie Bisphosphonate aktivieren Erk5 sowohl in Endothelzellen als auch in Osteoblasten. Es gilt jedoch zu bedenken, dass eine Weiterentwicklung der Substanzen mit verbesserter Aufnahme in die Zelle zur Vermeidung von Apoptose-Induktion anzustreben ist. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass ein Knock-down der FDPS, dem Angriffspunkt der Bisphosphonate im Mevalonatstoffwechsel, ebenfalls eine Erk5-Phosphorylierung zur Folge hat. Durch Inhibition der FDPS wird die Prenylierung kleiner G-Proteine wie Cdc42 unterbunden, was eine veränderte Funktion der Proteine zur Folge hat. Ein Knock-down von Cdc42 mittels siRNA führt wiederum zu einer Aktivierung von Erk5. Auf diese Weise wurde nicht nur ein neuer Wirkungsweg der Bisphosphonate identifiziert, sondern auch ein möglicher Aktivierungsmechanismus der MEK5/ Erk5-Signalkaskade aufgedeckt. Erk5 wandert nach seiner Aktivierung in den Zellkern und beeinflusst dort die Genexpression. Im Rahmen dieser Arbeit wurden knochenrelevante Gene identifiziert, die durch Zoledronat-Stimulation induziert werden konnten. Zu diesen zählen INPP4B, das die Osteoklastogenese inhibiert, und PTHLH sowie FOSL1, welche die Osteoblastogenese fördern. Somit kann davon ausgegangen werden, dass die Aktivierung des MEK5/ Erk5-Signalwegs durch Zoledronat eine Geninduktion zur Folge hat, die sowohl die osteoanabole Wirkung unterstützt, als auch die katabolen Effekte hemmt. Auf diese Weise konnte neben den bereits bekannten Wirkungswegen der Bisphosphonate ein neuer identifiziert werden, der auch einen möglichen Ansatz für weitere, bisher ungeklärte Effekte von Bisphosphonaten darstellt.…
• Osteoporosis is a disease characterised by decreased bone density and increased fragility. It is one of the most frequent diseases worldwide and leads to a considerable reduction in quality of life and increased mortality. One option to treat this severe illness is a therapy based on bisphosphonates. These drugs inhibit bone resorption while possibly stimulating bone formation. Although a lot of research has been done to elucidate the cellular mechanisms of bisphosphonates, it remains unclear how they might mediate for instance osteoanabolic orOsteoporosis is a disease characterised by decreased bone density and increased fragility. It is one of the most frequent diseases worldwide and leads to a considerable reduction in quality of life and increased mortality. One option to treat this severe illness is a therapy based on bisphosphonates. These drugs inhibit bone resorption while possibly stimulating bone formation. Although a lot of research has been done to elucidate the cellular mechanisms of bisphosphonates, it remains unclear how they might mediate for instance osteoanabolic or antitumor effects. One possible explanation offers the MEK5/ Erk5 signal cascade which has been implicated in the regulation of anti-angiogenetic, anti-inflammatory and anti-proliferative effects. Previous studies have shown that statins can activate Erk5 as well as Erk5-dependent genes. Moreover, statins inhibit, like bisphosphonates, the mevalonate pathway further upstream. In addition, statins show osteoanabolic effects which led to the assumption that bisphosphonates might mediate some of their effects by the MEK5/ Erk5 signal cascade as well. Within this thesis, we confirmed this assumption by revealing that nitrogen-containing, but not non-nitrogen-containing bisphosphonates activate Erk5 in endothelial cells as well as osteoblasts. But we have to be aware of the need to optimize the substances to gain a better uptake into the cells and to avoid apoptosis. Furthermore, it has been shown that a knock-down of the FDPS, which is the molecular target of bisphosphonates in the mevalonate pathway, induced a phosphorylation of Erk5 as well. Inhibition of FDPS suppresses the prenylation of small G-proteins such as Cdc42 which leads to a modified function of the proteins. A knock-down of Cdc42 by siRNA in turn leads to activation of Erk5. Thus, it has not only been identified a new molecular target of bisphosphonates, but also a possible activation mechanism of the MEK5/ Erk5 signal cascade. After its activation, Erk5 migrates to the nucleus to influence gene expression. Within this thesis we identified zoledronic acid to induce bone relevant genes such as INPP4B which inhibits osteoclastogenesis and PTHLH or FOSL1 which support osteoblastogenesis. Thus, the activation of the MEK5/ Erk5 signal cascade by zoledronic acid induces gene induction which might support anabolic and inhibit catabolic effects in bone. Like this, a new molecular mechanism of action has been identified which might represent a new approach to understand effects of bisphosphonates that have not been explained thus far.…