Einfluss des sensiblen und sympathischen Nervensystems über die Neurotransmitter Substanz P, α-Calcitonin gene-related peptide und Noradrenalin auf den Metabolismus und die Differenzierung von Osteoblasten und Osteoklasten

Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Date:	8 March 2019
Referee:	Prof. Dr. Susanne Grässel and PD Dr. Richard Bauer
Date of exam:	24 January 2019
Institutions:	Medicine > Lehrstuhl für Orthopädie
Keywords:	Nervensystem, Substanz P, α-Calcitonin gene-related peptide, Noradrenalin, Osteoblasten, Osteoklasten
Dewey Decimal Classification:	600 Technology > 610 Medical sciences Medicine
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	38381

Abstract (German)

Durch den Auf- und Abbau von Knochenmatrix sind Osteoblasten und Osteoklasten für die Funktion des Knochens von essenzieller Bedeutung. Dieser physiologische Knochenturnover ermöglicht es dem Knochengewebe sich an verschiedene Belastungsituationen anzupassen, Schäden zu reparieren und sich zu regenerieren. Über die Ausschüttung von Neurotransmittern moduliert das Nervensystem den Umbauprozess ...

Abstract (German)

Durch den Auf- und Abbau von Knochenmatrix sind Osteoblasten und Osteoklasten für die Funktion des Knochens von essenzieller Bedeutung. Dieser physiologische Knochenturnover ermöglicht es dem Knochengewebe sich an verschiedene Belastungsituationen anzupassen, Schäden zu reparieren und sich zu regenerieren.
Über die Ausschüttung von Neurotransmittern moduliert das Nervensystem den Umbauprozess (remodeling) im Knochen. Osteoblasten und Osteoklasten, die wichtigsten Zellen des remodeling exprimieren geeignete Neurotransmitterrezeptoren, um auf diese Stimuli reagieren zu können. Wir konnten in dieser Arbeit zeigen, dass das sensible und sympatische Nervensystem durch die Neurotransmitter Substanz P (SP), α-Calcitonin gene-related peptide (α-CGRP) und Noradrenalin (NA) in Abhängigkeit von der Neurotransmitterkonzentration und dem Differenzierungsstadium der Zellen den Metabolismus und die Differenzierung von Osteoblasten und Osteoklasten modulieren.
In murinen Osteoblasten begünstige SP, vermittelt über den NK1R-Rezeptor, in niedrigen Konzentrationen das Überleben. Die ALP-Aktivität der Osteoblasten zeigte sich in einem sehr frühen Differenzierungsstadium reduziert. Nur geringe Auswirkungen waren auf die Genexpression selektiver osteoblastenspezifischer Gene erkennbar, möglicherweise aufgrund der kurzen Stimulationsdauer. Osteoblasten zeigten nach SP-Stimulation in hoher Konzentration eine erhöhte mRNA-Expression von RANKL. Eine Stimulation mit SP in hoher Konzentration führte auch zu einer erhöhten Apoptoserate von Osteoklasten. Hinweise auf eine Begünstigung der Aktivität von Osteoklasten waren insbesondere in hohen Konzentrationen durch erhöhte Genexpressionen von Aktivitätsmarkern wie Kathepsin K und MMP-9 erkennbar.
Wir konnten zeigen, dass α-CGRP seine Wirkung über den CGRP-Rezeptor (CRLR) vermittelt und bereits nach kurzer Stimulationsdauer die Apoptose von Osteoblasten reduziert. In sehr frühen Differenzierungphasen hemmte α-CGRP deren ALP-Aktivität. Durch eine erhöhte Genexpression prominenter Differenzierungsmarker wie Osterix waren auch Hinweise auf einen positiven Effekt auf die osteogene Differenzierung erkennbar. Bei hoher α-CGRP-Konzentration zeigte sich ein positiver Einfluss auf die Genexpression von RANKL. Die Anzahl an TRAP-positiven multinukleären Zellen aber war deutlich reduziert. Somit scheint α-CGRP die Differenzierung der Knochenmarksmakrophagen eher negativ zu beeinflussen. Zudem war die Proliferation reduziert. In niedrigen α-CGRP-Konzentrationen zeigte sich jedoch auch eine erhöhte mRNA-Expression von bekannten Aktivitäts- und Differenzierungsmarkern, wie Kathepsin K und NFATC1.
Eine Stimulation mit NA führte zu einer deutlichen Zunahme der Proliferationsrate der Osteoblasten. Dabei bestand eine Anhängigkeit von der Konzentration, höhere NA-Konzentrationen verstärkten den Effekt. Gleichzeitig zeigte sich eine reduzierte Apoptoserate, vermittelt sowohl über α1-AR als auch β-AR. Dies lässt vermuten, dass NA die Anzahl an Osteoblasten erhöht und somit einen anabolen Effekt auf den Knochenmetabolismus hat. Über den α1-AR erhöhte NA in niedriger Konzentration die mRNA-Expression selektiver Marker für die matrixbildende Aktivität. In hohen Konzentrationen zeigten Osteoblasten eine vermehrte Genexpression von RANKL. Die Proliferation der Osteoklastenvorläuferzellen war in beiden verwendeten NA-Konzentrationen nach kurzer Stimulation deutlich reduziert. Vermittelt wird dieser Effekt möglicherweise über α-AR. Zudem zeigte sich die mRNA-Expression des Transkriptionsfaktors NFATC1 erhöht. Dies könnte auf einen positiven Effekt auf die Osteoklastogenese hindeuten. NA begünstigte in beiden verwendeten Konzentrationen auch die Genexpressionen von Aktivitätsmarkern der Osteoklasten, wie Kathepsin K und MMP-9.

Wir konnten in unserer Arbeit damit zeigen, dass die Neurotransmitter SP, α-CGRP und NA den Metabolismus und die Aktivität der Osteoblasten und Osteoklasten modulieren und somit einen beträchtlichen Einfluss auf den remodeling-Prozess des Knochens haben.

Translation of the abstract (English)

Osteoblasts and osteoclasts are essential for bone remodeling, a process which is important for the functioning and regeneration of bone. The nervous system plays a critcal role in the regulation of the bone remodeling and both sensory and sympathetic nerve fibers are allready detected in bone, bone marrow and periost. The nervous system modulates the bone remodeling via neurotransmitters. ...

Translation of the abstract (English)

Osteoblasts and osteoclasts are essential for bone remodeling, a process which is important for the functioning and regeneration of bone. The nervous system plays a critcal role in the regulation of the bone remodeling and both sensory and sympathetic nerve fibers are allready detected in bone, bone marrow and periost. The nervous system modulates the bone remodeling via neurotransmitters. Osteoblasts and osteoclasts express receptors for these neurotransmitters.
In this paper, we show the influence of the nervous system on murine osteoblasts and osteoclasts through substance P, α-calcitonin gene-related peptide and norepinephrine
We discovered that stimulation with substance P decreases the ALP-activity and extends the lifetime of murine osteoblasts. Furthermore we showed that substance P accelerates apoptosis in murine osteoclasts. However, there was also evidence of an increased activity of osteoclasts.
α-CGRP stimulation reduced both apoptosis and ALP-activity in osteoblasts. In addition we demonstrated a strong decrease in osteoclastogenesis and fusion of osteoclast precursors after α-CGRP-Stimulation and proliferation of bone marrrow macrophages was reduced.
Stimulation with NE led to an increase of osteoblast proliferation and to a decrease of osteoblast apoptosis. mRNA-expression of activity markers of osteogenesis was increased. In bone marrrow macrophages NE reduced the proliferation. However we found evidence that NE promotes activity of osteoclasts.

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