Untersuchung zum relativen Einfluss mechanisch-kompressiver Deformation bzw. hypoxischer Zustände auf das Expressionsverhalten parodontaler Ligamentfibroblasten im Rahmen der kieferorthopädischen Zahnbewegung
Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation)
Open Access Art:
Primärpublikation
Datum:
27 April 2020
Begutachter (Erstgutachter):
PD Dr. Dr. Christian Kirschneck
Tag der Prüfung:
18 März 2020
Zusätzliche Informationen (Öffentlich):
Erstveröffentlichung der Ergebnisse (auf Englisch): Ullrich N, Schröder A, Jantsch J,
Spanier G, Proff P, Kirschneck C. The role of mechanotransduction versus hypoxia during
simulated orthodontic compressive strain-an in vitro study of human periodontal ligament
fibroblasts. Int J Oral Sci. 2019 Nov 5;11(4):33. doi: 10.1038/s41368-019-0066-x.
https://www.nature.com/articles/s41368-019-0066-x. Creative Commons Attribution 4.0
International License (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) – deutsche
Zusammenfassung des Originalartikels im Rahmen einer Qualifikationsarbeit (Dissertation).
Hintergrund. Bei der kieferorthopädischen Zahnbewegung (KZB) wird eine mechanische Kraft auf die Zähne ausgeübt, die pseudoinflammatorische, osteoklastogene Prozesse und Knochenremodelling im parodontalen Ligament (PDL) induziert, welche von humanen arodontalligamentfibroblasten (hPDLF) über die Expression verschiedener Signalmoleküle vermittelt werden. Bisher ist allerdings nicht bekannt, ob ...
Zusammenfassung (Deutsch)
Hintergrund. Bei der kieferorthopädischen Zahnbewegung (KZB) wird eine mechanische Kraft auf die Zähne ausgeübt, die pseudoinflammatorische, osteoklastogene Prozesse und Knochenremodelling im parodontalen Ligament (PDL) induziert, welche von humanen arodontalligamentfibroblasten (hPDLF) über die Expression verschiedener Signalmoleküle vermittelt werden. Bisher ist allerdings nicht bekannt, ob diese Prozesse maßgeblich durch mechanische Zellverformung (Mechanotransduktion) oder durch begleitende hypoxische Bedingungen durch eine Kompression der parodontalen Blutgefäße induziert werden.
Material und Methode. hPDLF wurden randomisiert auf konventionelle 6-Well-Zellkulturplatten mit
O2-undurchlässigen Polystyrolmembranen und auf spezielle Platten mit gasdurchlässigen Membranen (Lumox®, Sarstedt) ausgesät, was eine experimentelle Trennung von mechanotransduktiven und hypoxischen Effekten ermöglichte, die während der KZB gleichzeitig auftreten. Um physiologische
kieferorthopädische Druckkräfte in Kompressionszonen des PDL während der KZB zu simulieren, wurden hPDLF nach 24h Vorinkubation für 48h bei 2g/cm2 mechanisch stimuliert. Quantifiziert wurden die Zellviabilität mittels MTT-Assay sowie die Gen- und Proteinexpression für die KZB relevanter
Markergene mittels RT-qPCR bzw. Western Blot/ELISA. Darüber hinaus wurde die hPDLF-vermittelte
Osteoklastogenese (TRAP+-Zellen) in einer 72h-Kokultur mit RAW264.7-Osteoklastenvorläuferzellen bestimmt.
Ergebnisse. Die Expression von HIF-1α, COX-2, PGE2, VEGF, COL1A2, Kollagen, ALPL, das RANK-L/OPG-Verhältnis auf mRNA/Protein-Ebene sowie die hPDLF-vermittelte Osteoklastogenese wurden durch die mechanische Belastung sauerstoffunabhängig signifikant erhöht, während Hypoxie
keinen signifikanten zusätzlichen Effekt zeigte.
Schlussfolgerungen. Die zellulär-molekulare Vermittlung der KZB durch hPDLF über die Expression verschiedener Signalmoleküle scheint überwiegend durch die Krafteinwirkung selbst (Mechanotransduktion) gesteuert zu werden, während hypoxische Effekte nur eine untergeordnete Rolle zu spielen scheinen. Im Rahmen der KZB scheint der Hypoxiemarker HIF-1α nicht primär durch eine reduzierte O2-Versorgung stabilisiert zu werden, sondern unterliegt vielmehr einer mechanisch induzierten Stabilisierung.
Übersetzung der Zusammenfassung (Englisch)
Background. For orthodontic tooth movement (OTM), mechanical forces are applied to teeth triggering
pseudo-inflammatory, osteoclastogenic and remodelling processes in the periodontal ligament (PDL), mediated by PDL fibroblasts via the expression of various signalling molecules. So far it is unknown, whether these processes are mainly induced by mechanical cellular deformation ...
Übersetzung der Zusammenfassung (Englisch)
Background. For orthodontic tooth movement (OTM), mechanical forces are applied to teeth triggering
pseudo-inflammatory, osteoclastogenic and remodelling processes in the periodontal ligament (PDL), mediated by PDL fibroblasts via the expression of various signalling molecules. So far it is unknown, whether these processes are mainly induced by mechanical cellular deformation (mechanotransduction) or by concomitant hypoxic conditions via a compression of periodontal blood vessels.
Material and Methods. Human primary PDL fibroblasts were randomly seeded onto conventional 6-well cell culture plates with O2-impermeable polystyrene membranes and on special plates with gaspermeable membranes (lumox®, Sarstedt), enabling an experimental separation of mechanotransductive
and hypoxic effects, which occur concomitantly during OTM. To simulate physiological orthodontic compressive forces, PDL fibroblasts were stimulated mechanically at 2g/cm2 for 48h after 24h of preincubation.
We quantified cell viability by MTT assay as well as gene and protein expression of OTMrelevant marker genes by RT-qPCR and Western-Blot/ELISA. In addition, PDL-fibroblast-mediated
osteoclastogenesis (TRAP+ cells) was determined in 72h coculture with RAW264.7 osteoclast precursor
cells.
Results. Expression of HIF-1α, COX-2, PGE2, VEGF, COL1A2, Collagen, ALPL, the RANK-L/OPG ratio at the mRNA/protein level as well as PDL-fibroblast-mediated osteoclastogenesis were significantly elevated by mechanical loading irrespective of the oxygen supply present, whereas hypoxic conditions had no significant additional effect.
Conclusions. The cellular-molecular mediation of OTM by PDL-fibroblasts via the expression of various signalling molecules is expected to be predominantly controlled by the force application itself (mechanotransduction), whereas hypoxic effects seem to play only a minor role. In the context of OTM the hypoxic marker HIF-1α does not appear to be primarily stabilised by reduced O2 supply, but rather
mechanically.
Downloadstatistik