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Das Zytokin Bone Morphogenetic Protein-2 (BMP-2) gehört als Mitglied der Transforming Growth Factor ß-Superfamilie zu einer großen Gruppe eng verwandter Wachstums- und Differenzierungsfaktoren. Es spielt eine entscheidende Rolle bei Bildung und Regeneration von Knorpel und Knochen und während verschiedener Prozesse der embryonalen Entwicklung. Durch Sezernierung des Proteins und anschließende Diffusion in der extrazellulären Matrix (EZM) ausgehend vom Ort der Sekretion unterliegt sein Wirkungsgrad einem abnehmenden Konzentrationsgradienten. BMP-2 bindet neben der hochaffinen Bindung an seinen spezifischen Rezeptor unter anderem auch an die extrazelluläre Matrix. So konnte in Vorarbeiten bereits durch Deletion der basischen Heparinbindungsstelle des BMP-2, die sich im N-terminalen Bereich befindet, eine Wirkungsverstärkung des Proteins in einem in vitro- Experiment, dem Hühnergliedmaßentest, erreicht werden, da die konkurrierende Bindung an Heparinbindungsstellen der EZM wegfällt. Im Tiermodell konnte jedoch ein genau umgekehrter Effekt dieser Mutante im Vergleich mit dem Wildtyp gezeigt werden, da in vivo die Diffusion des Moleküls durch Bindung an die EZM begrenzt und es so lokal an seinem Wirkungsort konzentriert wird. Von diesen Vorbefunden ausgehend war das Ziel der Arbeit die Klonierung und Expression von Mutanten des BMP-2, bei denen durch schrittweise Modifizierung der Heparinbindungsstelle die Bindung des Proteins an Heparin und deren Einfluß auf die Rezeptorbindung charakterisiert werden sollte. Dazu wurden zwei Mutanten des BMP-2 mit Verdopplung eines bzw. beider basischer Aminosäuretripletts kloniert, da diesem basischen Bereich im N-Terminus die eigentliche Bindung an Heparin zugeschrieben wird. Nach Expression, Renaturierung und säulenchromatographischer Aufreinigung der Proteine konnte in dieser Arbeit in drei verschiedenen funktionellen in vitro-Tests eine abnehmende Wirkung der Mutanten gezeigt werden. Neben dem biophysikalischen Nachweis der apparenten Affinitäten der Mutanten zu Rezeptor und Matrix in Biacore-Messungen konnte die Änderung des Wirkungsgrades auch in einem Zellkulturassay mit einer Maus-Fibroblasten-Zellinie durch Messung der Alkalischen Phosphatase und im Hühnergliedmaßentest gezeigt werden. In in vivo Experimenten bleibt eine entsprechende zu erwartende Wirkungsverstärkung dieser beiden Mutanten nachzuweisen, die im Hinblick auf einen therapeutischen Einsatz bei gewünschtem Ersatz zerstörten Knochens relevant werden könnte.
Adult human skeletal stem cells are considered to give rise to the bone marrow stromal
compartment, including bone-forming osteoblasts and marrow adipocytes. Reduced osteogenesis
and enhanced adipogenesis of these skeletal progenitors may contribute to the bone loss and
marrow fat accumulation observed during aging and osteoporosis, the main disorder of bone
remodeling. Concordantly, in vitro evidence indicates that adipogenic and osteogenic
differentiation of human bone marrow stromal cells (hBMSCs) display an inverse relationship
under numerous conditions. Hence, the identification of factors modulating inversely both
differentiation pathways is of great therapeutic interest.
Based on mRNA expression analysis of inversely regulated genes after switching differentiation
conditions, our group had previously proposed that fibroblast growth factor 1 (FGF1) might play
such a modulator role in hBMSC differentiation. The main aim of this work was, therefore, to
investigate the role of FGF1 signaling in the adipogenic and osteogenic differentiation of hBMSCs
using a three-dimensional (3D) culture system based on collagen type I hydrogels in order to
better mimic the natural microenvironment.
Adipogenic and osteogenic differentiation of hBMSCs embedded in collagen gels was successfully
established. Treatment with recombinant human FGF1 (rhFGF1), as well as rhFGF2, throughout
differentiation induction was found to exert a dose-dependent inhibitory effect on adipogenesis
in hBMSCs. This inhibitory effect was found to be reversible and dependent on FGF receptors
(FGFR) signaling, given that simultaneous pharmacological blockage of FGFRs rescued adipogenic
differentiation. Additionally, matrix mineralization under osteogenic induction was also inhibited
by rhFGF1 and rhFGF2 in a dose-dependent manner. A transient treatment with rhFGF1 and
rhFGF2 during an expansion phase, however, enhanced proliferation of hBMSCs without affecting
the differentiation capacity, although matrix mineralization under osteogenic conditions was
hindered.
Additionally, rhFGF1 and rhFGF2 treatments affected the matrix remodeling ability of hBMSCs,
which displayed alterations in the cytoskeletal phenotype and the expression patterns of matrix
metalloproteinases (MMPs) and tissue inhibitors of metalloproteinases (TIMPs).
On the other hand, inhibition of FGFR signaling throughout differentiation induction elicited a
strong enhancement of matrix mineralization under osteogenic conditions but had no significant
effect on adipocyte formation under adipogenic induction.
IX
In conclusion, FGF1 and FGF2 signaling was found to support the expansion of bone marrow
stromal precursors with adipogenic and osteogenic capacities, to hinder adipogenic and
osteogenic differentiation if continuously present during differentiation induction and to alter the
matrix remodeling ability of hBMSCs within a 3D collagenous microenvironment.
Hintergrund: Heterotope Ossifikation (HO) stellt, mit einer Inzidenz von bis zu 90 %, eine häufige Komplikation nach Hüfttotalendoprothetik dar. Für höhergradige HO mit klinischer Relevanz (schwere HO) wird eine Inzidenz von bis zu 20 % berichtet. Durch eine Prophylaxe, mit nichtsteroidalen Antirheumatika (NSAID) oder Strahlentherapie, kann die Inzidenz für schwere HO auf 1 bis 5 % gesenkt werden. Aus ökonomischen und logistischen Gesichtspunkten erfolgt bevorzugt eine Prophylaxe mit NSAID. Es liegen jedoch nur wenige Informationen zur Auswahl des Wirkstoffes, der Therapiedauer und der Dosierung vor.
Methoden: Ziel war die Bewertung der Wirksamkeit und Sicherheit verschiedener Interventionen mit NSAID, für die primären Endpunkte schwere HO und unerwünschte Arzneimittelwirkung (UAW). Hierzu war eine systematische Übersichtsarbeit mit Netzwerk-Metaanalyse geplant.
Es wurden 31 Studien mit 5128 Patienten eingeschlossen. Hieraus wurde ein Netzwerk aus 15 Knotenpunkten mit 44 Vergleichen erstellt. Die Studien wiesen eine ausgeprägte Heterogenität auf. Das Biasrisiko wurde häufig als unklar oder hoch bewertet. Eine Netzwerk-Metaanalyse konnte aufgrund der festgestellten Inkohärenz mit schwachen Verbindungen nicht durchgeführt werden. Es erfolgten ausschließlich Analysen der direkten Vergleiche.
Ergebnisse: Die Analysen zeigten, dass bereits eine kurze Interventionsdauer (bis 7 Tage) mit geringer Tagesdosis einen signifikanten Effekt zur Prophylaxe vor schwerer HO, bei nicht erhöhtem Risiko für schwere UAW aufweist. Ein überlegener Wirkstoff konnte nicht identifiziert werden.
Zusammenfassung: Die Evidenz dieser Dissertation wird als gering eingestuft, da aufgrund der spezifischeren Fragestellung als in den eingeschlossenen Studien, eine unzureichende Power bei den Analysen vorlag. Weitere qualitativ hochwertige RCT mit klinisch orientierter Fragestellung sind erforderlich, um die Frage nach einer optimalen Prophylaxe vor schwerer HO zu beantworten.
Eine prämature Kraniosynostose bezeichnet eine vorzeitige Verknöcherung einer oder mehrerer Schädelnähte. Ihre Entstehung ist von multiplen Faktoren abhängig. So scheinen genetische Faktoren, das Rauchen der Mutter oder die Einnahme bestimmter Medikamente in der Schwangerschaft, Schilddrüsen- und Stoffwechselerkrankungen einen Einfluss zu haben. Die Koronarnahtsynostose stellt mit einer Inzidenz von 20 % die zweithäufigste Form der prämaturen Synostosen dar. Bei dem vorzeitigen unilateralen Nahtverschluss kommt es zur Entwicklung eines anterioren Plagiozephalus. Bei einer beidseitigen Koronarnahtsynostose entsteht ein brachy-turrizephaler Schädel. Die frühzeitige Diagnose ist wichtig, damit die betroffenen Kinder frühestmöglich in ein optimales Betreuungs- und Therapiekonzept eingebunden werden können. Bei Einzelnahtsynostosen sind meist bereits die untersuchten klinischen Parameter zur Diagnosestellung ausreichend und sollten um eine Sonographie und Röntgenaufnahmen in zwei Ebenen erweitert werden. Eine Indikation zur operativen Intervention stellt der Nachweis einer pathologischen intrakraniellen Drucksteigerung dar. Das Frontoorbitale Advancement ist die Operationstechnik der Wahl bei der Koronarnahtsynostose.
Ziel der vorliegenden Dissertationsarbeit war die Weiterentwicklung bestehender kephalometrischer und kraniometrischer Messverfahren nach Slomic et al.. Dabei sollten der operative Therapieerfolg und der weitere Verlauf hinsichtlich einer Rezidivgefahr bewertet werden. In der vorliegenden Arbeit wurden Röntgenbilder des Carniofacialen Centrums Würzburg kraniometrisch ausgewertet. Das Patient*innenkollektiv wurde in zwei Gruppen untergliedert, und zwar Patient*innen mit einseitiger, nonsyndromaler Koronarnahtsynostose und Patient*innen mit beidseitiger, syndromaler Koronarnahtsynostose. Zur statistischen Auswertung erfolgte in beiden Patient*innengruppen die Untersuchung der Röntgenbilder zu vier festgelegten Zeitpunkten (00, 01, 02, 03). Die statistische Auswertung erfolgte mit dem Programm SPSS. Untersucht wurden der Gruppeneffekt und der Zeiteffekt hinsichtlich der 13 Strecken (LI, BRSt, BRPa, NO, PIS; SN, PIN, HI, NSt, SBR, PIBR, WI, AS) und fünf Winkel (ANS, SNBR, PIBRPa, BRNST, PISN). Da es in der Literatur eine unzureichende Erfassung von Strecken und Winkeln gibt, die die Veränderungen des Schädelwachstums erfassen, wurden die Strecken BRSt, BRPa, NSt, PIBR und AS sowie die fünf oben genannten Winkel neu definiert und entwickelt. Für die Röntgenzeitpunkte 00 und 01 zeigten sich für die Strecken und Winkel LI, BRSt, HI, NSt, SBR, PIBR, WI, PIBRPa und BRNST signifikante Unterschiede. Dies kann als OP-Erfolg gewertet werden. Der Kopf wird intraoperativ flacher und schmäler. Im weiteren Verlauf zeigte sich bei den Strecken BRSt, HI, PIBR und WI sowie bei den Winkeln PIBRPa und BRNST ein signifikanter Unterschied. Der Kopf wächst rezidivierend turrizephal. Im weiteren Untersuchungszeitraum wurde lediglich für die Strecken BRPa und AS ein signifikanter Unterschied ausgemacht. Zum einen Anzeichen eines im Wachstumsverlauf einsetzenden Rezidivs. Der Kopf wird wieder turrizephaler (BRPa). Zum anderen ist es Ausdruck einer beginnenden Mittelgesichtshypoplasie (AS). Weiterhin konnte über die Strecken SBR und PIBR gezeigt werden, dass Patient*innen mit beidseitiger Synostose eine turrizephalere Kopfform als die Vergleichsgruppe mit einseitiger Synostose aufweisen. Auffällig war außerdem das Ergebnis der beiden Winkel ANS und SNBR. Sie belegen, dass Patient*innen mit beidseitiger Synostose und Syndrom eine Mittelgesichtshypoplasie aufweisen. Als Fazit lässt sich sagen, dass die Strecken LI, BRSt, BRPa, HI, SBR, WI und AS sowie die Winkel SNBR, PIBRPa und ANS für weitere Untersuchungen geeignet scheinen.