Refine
Has Fulltext
- yes (4)
Is part of the Bibliography
- yes (4)
Document Type
- Journal article (3)
- Doctoral Thesis (1)
Keywords
- mesenchymal stem cells (2)
- Altern (1)
- Alterung (1)
- Knochen (1)
- Mesenchymale (1)
- Mesenchymzelle (1)
- Microarray (1)
- Osteoporose (1)
- RT-PCR (1)
- Stammzelle (1)
Institute
The role of serum amyloid A (SAA) proteins, which are ligands for toll-like receptors, was analyzed in human bone marrow-derived mesenchymal stem cells (hMSCs) and their osteogenic offspring with a focus on senescence, differentiation andmineralization. In vitro aged hMSC developed a senescence-associated secretory phenotype (SASP), resulting in enhanced SAA1/2, TLR2/4 and proinflammatory cytokine (IL6, IL8, IL1\(\beta\), CXCL1, CXCL2) expression before entering replicative senescence. Recombinant human SAA1 (rhSAA1) induced SASP-related genes and proteins in MSC, which could be abolished by cotreatment with the TLR4-inhibitor CLI-095. The same pattern of SASP-resembling genes was stimulated upon induction of osteogenic differentiation, which is accompanied by autocrine SAA1/2 expression. In this context additional rhSAA1 enhanced the SASP-like phenotype, accelerated the proinflammatory phase of osteogenic differentiation and enhanced mineralization. Autocrine/paracrine and rhSAA1 via TLR4 stimulate a proinflammatory phenotype that is both part of the early phase of osteogenic differentiation and the development of senescence. This signaling cascade is tightly involved in bone formation and mineralization, but may also propagate pathological extraosseous calcification conditions such as calcifying inflammation and atherosclerosis.
Primary osteoporosis is an age-related disease characterized by an imbalance in bone homeostasis. While the resorptive aspect of the disease has been studied intensely, less is known about the anabolic part of the syndrome or presumptive deficiencies in bone regeneration. Multipotent mesenchymal stem cells (MSC) are the primary source of osteogenic regeneration. In the present study we aimed to unravel whether MSC biology is directly involved in the pathophysiology of the disease and therefore performed microarray analyses of hMSC of elderly patients (79-94 years old) suffering from osteoporosis (hMSC-OP). In comparison to age-matched controls we detected profound changes in the transcriptome in hMSC-OP, e.g. enhanced mRNA expression of known osteoporosis-associated genes (LRP5, RUNX2, COL1A1) and of genes involved in osteoclastogenesis (CSF1, PTH1R), but most notably of genes coding for inhibitors of WNT and BMP signaling, such as Sclerostin and MAB21L2. These candidate genes indicate intrinsic deficiencies in self-renewal and differentiation potential in osteoporotic stem cells. We also compared both hMSC-OP and non-osteoporotic hMSC-old of elderly donors to hMSC of similar to 30 years younger donors and found that the transcriptional changes acquired between the sixth and the ninth decade of life differed widely between osteoporotic and non-osteoporotic stem cells. In addition, we compared the osteoporotic transcriptome to long term-cultivated, senescent hMSC and detected some signs for pre-senescence in hMSC-OP. Our results suggest that in primary osteoporosis the transcriptomes of hMSC populations show distinct signatures and little overlap with non-osteoporotic aging, although we detected some hints for senescence-associated changes. While there are remarkable inter-individual variations as expected for polygenetic diseases, we could identify many susceptibility genes for osteoporosis known from genetic studies. We also found new candidates, e.g. MAB21L2, a novel repressor of BMP-induced transcription. Such transcriptional changes may reflect epigenetic changes, which are part of a specific osteoporosis-associated aging process.
The canonical Wnt/beta-catenin pathway plays a key role in the regulation of bone remodeling in mice and humans. Two transmembrane proteins that are involved in decreasing the activity of this pathway by binding to extracellular antagonists, such as Dickkopf 1 (Dkk1), are the low-density lipoprotein receptor related protein 5 (Lrp5) and Kremen 2 (Krm2). Lrp 5 deficiency (Lrp5(-/-)) as well as osteoblast-specific overexpression of Krm2 in mice (Col1a1-Krm2) result in severe osteoporosis occurring at young age. In this study, we analyzed the influence of Lrp5 deficiency and osteoblast-specific overexpression of Krm2 on fracture healing in mice using flexible and semi-rigid fracture fixation. We demonstrated that fracture healing was highly impaired in both mouse genotypes, but that impairment was more severe in Col1a1-Krm2 than in Lrp5(-/-) mice and particularly evident in mice in which the more flexible fixation was used. Bone formation was more reduced in Col1a1-Krm2 than in Lrp5(-/-) mice, whereas osteoclast number was similarly increased in both genotypes in comparison with wild-type mice. Using microarray analysis we identified reduced expression of genes mainly involved in osteogenesis that seemed to be responsible for the observed stronger impairment of healing in Col1a1-Krm2 mice. In line with these findings, we detected decreased expression of sphingomyelin phosphodiesterase 3 (Smpd3) and less active beta-catenin in the calli of Col1a1-Krm2 mice. Since Krm2 seems to play a significant role in regulating bone formation during fracture healing, antagonizing KRM2 might be a therapeutic option to improve fracture healing under compromised conditions, such as osteoporosis.
Mesenchymale Stammzellen (MSC) stellen die Grundlage der Knochenformation dar, indem sie als multipotente Zellen in viele, für die Knochenhomöostase benötigte Zelltypen differenzieren können, wie z.B. Osteoblasten. Während der Alterung des Menschen kommt es zu einem Ungleichgewicht zwischen Knochenaufbau und Knochenabbau, resultierend in einer verringerten Knochenmasse. Noch ist unklar, ob MSC an dem verminderten Knochenaufbau direkt beteiligt sind, indem sie z.B.im Laufe der Zeit Funktionsstörungen akkumulieren oder in die Seneszenz eintreten, und somit nicht mehr als Stammzellpool für die Osteoblastendifferenzierung zur Verfügung stehen. In der vorliegenden Arbeit wurde das Genexpressionsmuster gealterter Zellen mittels Mikroarray-Analysen untersucht, um die Alters-bedingten Veränderungen detektieren zu können. Hierfür wurde ein in-vitro-Alterungsmodell von humanen MSC (hMSC) etabliert, um die seneszenten Zellen mit hMSC früher Kultivierungspassagen zu vergleichen. Auch Zellen aus Spendern hohen Alters wurden untersucht, um einen Vergleich zwischen ex-vivo- und in-vitro-gealterten hMSC anstellen zu können. Da Osteoporose eine polygenetische Erkrankung des gealterten Knochens darstellt, wurden auch mit hMSC aus Osteoporose-Patienten Genexpressionsanalysen durchgeführt. Die Mikroarray-Analysen und anschließende systembiologische Auswertung zeigten, dass in-vitro-gealterte, seneszente hMSC starke Veränderungen im Transkriptom aufweisen, die auf Defizite in der Proliferation, Differenzierungskapazität und Migration schließen lassen. Neben bekannten Markern für replikative Seneszenz konnten in hMSC auch neue detektiert werden, wie z.B. HELLS, POU5F1 (OCT4) und FGFR2, deren Expression mit der Seneszenz abnimmt, oder CDH1 und PSG5, deren Expression zunimmt. Gene für Akute-Phase-SAA wurden stark erhöht exprimiert vorgefunden. Bei der funktionellen Charakterisierung konnte jedoch gezeigt werden, dass SAA1 und SAA1 durch Stress induziert werden, der der Seneszenz vorausgeht, und dass sie die Mineralisierung bei der osteogenen Differenzierung von hMSC fördern. Akute-Phase-SAA könnten somit eine Verbindung zwischen Alterung bzw. Inflammation und extra-skelettaler Verkalkung darstellen, die im Alter häufig auftritt, z.B. in Form von Arteriosklerose. In-vivo-gealterte hMSC wiesen ebenfalls Defizite im Expressionsmuster von Proliferations- und Migrations- relevanten Genen auf. Des Weiteren konnten nur wenige Gemeinsamkeiten zwischen in-vivo-gealterten hMSC und in-vitro-gealterten hMSC festgestellt werden. Dies lässt vermuten, dass die in-vivo-Alterung nicht zwangsläufig zu seneszenten Stammzellen führt, da Alterung eines Organismus ein multizellulärer Prozess ist, der durch viele Faktoren beeinflusst wird, wie z.B. Akkumulation von Mutationen und Krebsabwehr. Auch osteoporotische hMSC wiesen Veränderungen im Genexpressionsmuster auf, die mit den Daten zur in-vivo-Alterung verglichen wurden, um die rein Alters-assoziierten Änderungen herausfiltern zu können. Die übrig gebliebenen Gene repräsentierten Veränderungen allein aufgrund der Krankheit. Osteoporose bewirkte somit distinkte Genexpressions-änderungen in hMSC, die auf Förderung der Osteoklastogenese und Defizite in Proliferation, Migration und Differenzierungskapazität schließen lassen. Es konnten vielversprechende Kandidaten-gene für osteoporotische hMSC gefunden werden. Die prämature Expression des WNT-Inhibitors SOST (Sclerostin) und die Überexpression des BMP-Signalweg-Inhibitors MAB21L2 deuten auf eine Autoinhibition der Stammzellen hin, die letztlich die gestörte Knochenformation bei Alters-assoziierter Osteoporose begründen könnte. Zusammenfassend zeigt die vorliegende Arbeit, dass intrinsische Defizite von Stammzellen an der Pathophysiologie von Alterung und Osteoporose beteiligt sind. Sie eröffnet tiefgreifende Einblicke in die systembiologischen Veränderungen in Stammzellen aufgrund von Alterung oder Osteoporose, und setzt somit einen soliden Grundstein für weiterführende Analysen.