| Lizenz: Veröffentlichungsvertrag für Publikationen mit Print on Demand (6MB) |
- URN zum Zitieren dieses Dokuments:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-336606
- DOI zum Zitieren dieses Dokuments:
- 10.5283/epub.33660
| Dokumentenart: | Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation) |
|---|---|
| Open Access Art: | Primärpublikation |
| Datum: | 27 April 2016 |
| Begutachter (Erstgutachter): | Prof. Dr. Susanne Grässel |
| Tag der Prüfung: | 10 Februar 2016 |
| Institutionen: | Medizin > Lehrstuhl für Orthopädie |
| Stichwörter / Keywords: | Rheumatoide Arthritis, sympathisches Nervensystem, Noradrenalin, Acetylcholin, vasoaktives intestinales Peptid, Knochenmark-Makrophagen, Osteoklasten, |
| Dewey-Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin |
| Status: | Veröffentlicht |
| Begutachtet: | Ja, diese Version wurde begutachtet |
| An der Universität Regensburg entstanden: | Ja |
| Dokumenten-ID: | 33660 |
Zusammenfassung (Deutsch)
Makrophagen sind Vorläuferzellen von Osteoklasten, deren übermäßige Aktivierung in Rheumatoider Arthritis (RA) zur Erosion des gelenknahen Knochens beiträgt. Neurotransmitter des sympathischen Nervensystems wie Noradrenalin (NA), Acetylcholin (ACh) und vasoaktives intestinales Peptid (VIP) wirken als Modulatoren der Arthritis. Arthritis induziert Veränderungen in der lokalen synovialen ...
Zusammenfassung (Deutsch)
Makrophagen sind Vorläuferzellen von Osteoklasten, deren übermäßige Aktivierung in Rheumatoider Arthritis (RA) zur Erosion des gelenknahen Knochens beiträgt. Neurotransmitter des sympathischen Nervensystems wie Noradrenalin (NA), Acetylcholin (ACh) und vasoaktives intestinales Peptid (VIP) wirken als Modulatoren der Arthritis. Arthritis induziert Veränderungen in der lokalen synovialen Innervierung, die ein lokal verändertes Neurotransmitter-Mikromilieu erzeugen. Knochen- und Periostzellen können Faktoren exprimieren, die in der Lage sind, eine Veränderung des katecholaminergen Phänotyps von Nervenfasern in einen cholinerg / peptidergen (VIP) Phänotyp zu induzieren und somit eine neue regulatorische Neurotransmitterumgebung zu schaffen. In einem DA-Rattenmodell der Kollagen Typ II-induzierten Arthritis (CIA) sollte daher der Einfluss der Neurotransmitter ACh, NA und VIP auf zelluläre und metabolische Eigenschaften von Knochenmark-Makrophagen (KMM) und deren Osteoklastogenesekapazität in verschiedenen Arthritisstadien untersucht werden.
Sowohl KMM als auch Osteoklasten exprimieren Rezeptoren für ACh, NA und VIP und können somit auf Neurotransmitterreize reagieren. Die Genexpressionsrate verschiedener Rezeptorgene wird durch CIA in Osteoklastenkulturen größtenteils gehemmt, aber auf Proteinebene wurden nach qualitativer Auswertung keine Unterschiede in der Rezeptorexpression und -lokalisation der Adrenozeptoren alpha1D, alpha2B und beta2, dem muskarinergen ACh Rezeptor M5 sowie dem alternativen VIP-Rezeptor PACAP-Rezeptor 1 festgestellt. Bemerkenswert ist, dass die Expression muskarinerger ACh Rezeptoren zuvor noch nicht auf Osteoklasten nachgewiesen wurde. Einflüsse von CIA auf die intrazelluläre Signalkaskade können aber nicht ausgeschlossen werden und sind in dieser Arbeit nicht analysiert worden.
Auffällig war, dass nach Isolierung über Plastikadhärenz, die Anzahl der KMM aus akut arthritischen Ratten signifikant kleiner war im Vergleich zu Kontrollratten. Parallel war dagegen der Anteil der myeloiden Zellpopulation im nativen Knochenmark durch akute CIA stark erhöht, was den erhöhten Bedarf an Immunzellen in Entzündungsreaktionen widerspiegelt. Als Ursache der reduzierten KMM-Anzahl nach Isolierung konnte eine starke Hemmung der Plastikadhäsion von KMM aus arthritischen Ratten beobachtet werden. Parallel dazu war die Adhäsion an Komponenten der extrazellulären Matrix wie Kollagen Typ I und Fibronektin in der chronischen Phase der Arthritis gehemmt, die in vivo zu einer Inhibition der Migration von KMM im Gelenk führen kann und somit das Aufflammen einer erneuten Entzündung verhindern könnte. Die Adhäsion an Kollagen Typ I und Laminin wurde in KMM aus Kontrolltieren durch NA gehemmt, während CIA-KMM keine Reaktion zeigten. Die Plastikadhäsion wurde dagegen durch NA in Kontroll-KMM verstärkt, während CIA-KMM keine Reaktion nach NA-Stimulation zeigten, dafür aber eine verstärkte Plastikadhärenz nach VIP-Stimulation. Dadurch konnte deutlich gezeigt werden, dass CIA die NA-gesteuerte Adhäsion moduliert und dass zumindest bezüglich der Adhärenz an Plastik, VIP die Anergie der CIA-KMM gegenüber NA-Stimulation kompensieren kann.
Des weiteren wurden schon früh nach der Immunisierung Mechanismen induziert, die zu einer Hemmung der Proliferationskapazität von KMM hauptsächlich in CIA-Phasen mit geringer oder keiner Entzündung führen. Im akuten CIA-Stadium wird der hemmende Einfluss durch unbekannte Mechanismen aufgehoben und führt, unter Berücksichtigung der reduzierten Adhäsion, eher zu einer verstärkten Proliferation von KMM. Anti-proliferative Effekte von NA, ACh und VIP auf Kontroll-KMM wurden durch CIA moduliert und teilweise gehemmt. Bezüglich der Caspase 3/7 Aktivität induziert CIA mit dem Auftreten erster Symptome einen Switch in der Reaktivität nach Stimulation mit ACh, NA und VIP, der protektiv auf KMM wirkt. Damit haben wir deutliche Hinweise auf eine CIA-induzierte Regulation der Neurotransmitter-Reaktivität von KMM erhalten, die abhängig von der jeweiligen CIA-Phase ist und zelluläre Prozesse wie Adhäsion, Apoptose und Proliferation betrifft.
Ein weiterer wichtiger Punkt, der in dieser Arbeit untersucht wurde, ist die Osteoklastogenese von KMM in verschiedenen Stadien experimenteller Arthritis und der gleichzeitige Einfluss der Neurotransmitter ACh, NA und VIP. CIA verändert die Osteoklastogenese von KMM nicht auf der Differenzierungs-, aber auf der Aktivitätsebene, wie durch eine Hemmung der Kathepsin K-Aktivität im Kulturüberstand von Osteoklasten gezeigt wurde. Eine Hemmung der Produktion oder Aktivität von Kathepsin K wäre als eine Gegenmaßnahme des Organismus zu verstehen, die einen weiteren Abbau der Knochenmatrix verhindern oder verlangsamen könnte. Eine verstärkte Caspase 3/7-Aktivität nach M-CSF/Rankl-Deprivation in Osteoklastenkulturen aus CIA-Ratten, könnte ebenfalls eine regulatorische Maßnahme des Organismus darstellen, um der großen Anzahl von Osteoklasten in den gelenknahen Regionen entgegenzuwirken. Die Genexpressionsrate verschiedener Differenzierungs- und Aktivierungsmarker wurde durch CIA phasenabhängig gehemmt, scheint sich aber nicht auf Proteinebene zu manifestieren.
Zusätzlich dazu konnten wir einen starken inhibierenden Effekt von NA und VIP auf die Osteoklastenaktivität beobachten, der vor allem auf einer Hemmung der Kathepsin K-Aktivität beruhte und in vivo protektiv für die Knochenmatrix wäre. Vermittelt wird dieser Effekt zumindest teilweise über den cAMP-Signalweg, wie wir durch entsprechende Experimente mit einem Adenylatzyklase-Agonisten nachweisen konnten. Konträr dazu wurde durch ACh die Kathepsin K-Aktivität und die Matrixresorption verstärkt, sowie die Anzahl der gebildeten Osteoklasten erhöht. Die im Gegensatz dazu beobachtete dosisabhängige Hemmung der Osteoklastogenese und verstärkte Caspase 3/7-Aktivität nach Stimulation mit NA/VIP unterstützt den Befund, dass das cholinerge und adrenerge Nervensystem Gegenspieler in der in vitro-Osteoklastogenese und womöglich auch in der CIA-Pathogenese darstellen.
Die Modulation der Sensitivität gegenüber der Stimulation mit ACh, NA und VIP durch CIA ermöglicht Osteoklasten eine Adaptation an Veränderungen in der lokalen Neurotransmitterzusammensetzung in den verschiedenen arthritischen Erkrankungsphasen.
Übersetzung der Zusammenfassung (Englisch)
Macrophages are key players in Rheumatoid Arthritis (RA) and provide the source of precursor cells for osteoclasts. Osteoclasts are bone resorbing cells responsible for the destruction of periarticular bone in rheumatoid lesions. Neurotransmitters of the sympathetic nervous system like acetylcholine (ACh), noradrenaline (NA) and vasoactive intestinal peptide (VIP) act as modulators of RA. Changes ...
Übersetzung der Zusammenfassung (Englisch)
Macrophages are key players in Rheumatoid Arthritis (RA) and provide the source of precursor cells for osteoclasts. Osteoclasts are bone resorbing cells responsible for the destruction of periarticular bone in rheumatoid lesions. Neurotransmitters of the sympathetic nervous system like acetylcholine (ACh), noradrenaline (NA) and vasoactive intestinal peptide (VIP) act as modulators of RA. Changes in local innervation induced by arthritis change local neurotransmitter composition and concentration and provide a novel regulatory environment for osteoclasts and their respective precursors, bone marrow-derived macrophages (BMM). This thesis therefore intended to analyze the influence of ACh, NA and VIP on intrinsic metabolic properties of BMM and their osteoclastogenic capacity in the context of various stages of a collagen type II-induced arthritis (CIA) model in DA rats.
Both, osteoclasts and BMM express receptors for and therefore respond to ACh, NA and VIP stimulation. We detected that gene expression is affected by CIA but the effects do not manifest on protein level as we have shown for adrenoceptors alpha1D, alpha2B, beta2, muscarinic ACh receptor M5 and the alternative VIP receptor PACAP receptor 1. Nevertheless, an influence of CIA on intracellular signaling cascades of these receptors cannot be excluded.
One striking observation of this thesis was the reduced number of isolated BMM after separation from native bone marrow via plastic adherence at the acute CIA stage in comparison to control BMM numbers. This observation was in strong contrast to enhanced numbers of myloid cells (belonging to the macrophage proportion) in native bone marrow preparations, reflecting the enhanced need for immune cells in inflammatory conditions. As the reason for this observation we identified a strongly decreased adhesion of BMM to plastic induced by CIA in the acute stage of disease. This effect was accompanied by a strong reduction of adhesion to collagen type I and fibronectin in the chronic stage which may inhibit the in vivo migration of BMM and therefore prevent the induction of new inflammatory processes. NA inhibited adhesion to collagen type I and laminin in BMM from control animals whereas CIA BMM were anergic to NA stimulation. Translation into in vivo conditions suggests that local NA cannot prevent CIA BMM from migration and thus promotes inflammation. Oppositely, NA enhanced plastic adhesion of control BMM and had again no effect on CIA BMM. In CIA BMM, VIP instead leads to enhanced plastic adhesion possibly representing a compensatory mechanism. The results point to CIA as a modulator of NA-driven adhesion to plastic and other molecules of the extracellular matrix, like collagen type I and laminin. Furthermore, starting early after immunization, CIA initiates mechanisms that lead to impaired proliferative activity exclusively at non- and low-inflammatory stages. Inflammatory conditions in vivo may override the underlying effects and restore or even enhance proliferation. Anti-proliferative effects of NA, ACh and VIP on BMM from control rats were altered and dampened by CIA. Regarding caspase 3/7 activity, CIA induced a switch in BMM reactivity towards stimulation with ACh, NA and VIP, clearly protecting BMM from apoptosis induced by these neurotransmitters. These data suggest that CIA stage-dependently induces changes in neurotransmitter reactivity of BMM leading to alterations in metabolic properties like adhesion, apoptosis and proliferation.
We also observed changes in osteoclastogenesis of BMM induced by CIA acting rather on activity than on differentiation. We detected inhibition of cathepsin K activity in the cell culture supernatant of osteoclasts generated from BMM of arthritic rats thereby possibly providing a countermeasure of the organism to prevent further bone destruction. Another regulatory mechanism which could prevent excessive osteoclast formation is the enhanced sensitivity of CIA osteoclasts to deprivation of M-CSF and RankL that was apparent early after induction of CIA. Although CIA clearly affects gene expression of osteoclast activity and differentiation markers in a time-dependent manner, those alterations do not become evident on cellular level.
Additionally, we suggest that NA and VIP have mostly protective effects preventing bone matrix degradation by inhibition of cathepsin K activity, an observation which is probably attributed to an increased cAMP signaling via Gs protein-coupled receptors. Oppositely, we report an enhancing effect of ACh on cathepsin K and resorptive activity presumably mediated via muscarinic receptors. Increased osteoclast numbers upon ACh stimulation and a dose-dependent decrease in osteoclast numbers and increased caspase 3/7 reactivity by NA/VIP stimulation corroborates the assumption of opposite effects of the cholinergic and adrenergic nervous system on in vitro osteoclastogenesis and consequently CIA severity. We suggest that CIA modulates sensitivity towards neurotransmitter stimulation in osteoclasts enabling adaptation to locally changing neurotransmitter concentrations during disease pathogenesis.
Metadaten zuletzt geändert: 25 Nov 2020 22:45
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