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- URN zum Zitieren dieses Dokuments:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-534008
- DOI zum Zitieren dieses Dokuments:
- 10.5283/epub.53400
| Dokumentenart: | Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation) |
|---|---|
| Open Access Art: | Primärpublikation |
| Datum: | 12 Dezember 2022 |
| Begutachter (Erstgutachter): | Prof. Dr. Susanne Grässel |
| Tag der Prüfung: | 18 Oktober 2022 |
| Institutionen: | Medizin > Lehrstuhl für Orthopädie |
| Stichwörter / Keywords: | cyclic stretch, mechanoregulation, murine macrophages, neuropetides, substance P, alpha-calcitonin gene-related peptide, neurokinin receptor, CGRP receptor, osteoclastogenesis |
| Dewey-Dezimal-Klassifikation: | 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin |
| Status: | Veröffentlicht |
| Begutachtet: | Ja, diese Version wurde begutachtet |
| An der Universität Regensburg entstanden: | Ja |
| Dokumenten-ID: | 53400 |
Zusammenfassung (Englisch)
Macrophages as precursor cells of osteoclasts are of importance during bone formation, whose physiologically well-balanced process is altered during osteoarthritis (OA). Mechanosensing within cells is necessary for growth and maturation of joints, whereas pathological stress can cause inflammation and disorders, such as articular cartilage degeneration or subchondral bone sclerosis in OA. The ...
Zusammenfassung (Englisch)
Macrophages as precursor cells of osteoclasts are of importance during bone formation, whose physiologically well-balanced process is altered during osteoarthritis (OA). Mechanosensing within cells is necessary for growth and maturation of joints, whereas pathological stress can cause inflammation and disorders, such as articular cartilage degeneration or subchondral bone sclerosis in OA. The neuropeptides Substance P (SP) and α-calcitonin gene-related peptide (αCGRP), acting on the neurokinin-1 receptor (NK1R) and the calcitonin receptor-like receptor (CRLR)/ receptor activity-modifying protein (RAMP1), are involved in joint physiology and OA-associated degenerative processes and were shown to modulate osteoclastogenesis. Regarding these mechanisms, the topic of this work was to elucidate the combination of both mechanical loading and sensory neuropeptide stimulation on metabolic parameters of murine macrophages.
RAW 264.7 macrophages were subjected to cyclic mechanical stretch. Neuropeptide receptor and neuropeptide gene and protein expression was assayed by PCR analysis and western blotting, respectively. Metabolic behavior of macrophages was analyzed by studying apoptosis, proliferation and adhesion, with and without neuropeptide stimulation after application of cyclic stretch. The expression of macrophage polarization markers and osteoclastogenesis-associated genes was examined after loading. Neuropeptide stimulation experiments were repeated on primary BMM after the surgical induction of OA.
This study demonstrated the involvement of SP and αCGRP and their receptors in macrophage mechanotransduction and -regulation. Mechanoregulation via αCGRP-CRLR/RAMP1 interaction had never been previously addressed. Our results further indicate the regulation of RAMP1 in experimental conditions of mechanically induced stress. In agreement with results from other groups, we observed an autocrine negative feedback mechanism of NK1R/SP signaling.
Furthermore, macrophages exposed to mechanical stress developed a sensitization for caspase 3/7-mediated apoptosis induction and an inhibited adhesion after αCGRP stimulation, pointing towards a preventive mechanism regarding detrimental inflammatory conditions by upregulation of macrophage apoptosis and a reduced macrophage migration. The M1 polarization after loading suggests a proinflammatory activity of mechanically stressed macrophages. If and how this would affect macrophage activity in vivo remains elusive. Furthermore, we observed that the gene expression of the RANK receptor was enhanced after mechanical loading leading to the assumption of a higher osteoclastogenic differentiation potential of macrophages.
Additionally, the induction of experimental OA appears to alter the mechanotransduction of primary murine BMM, as we observed a higher proliferation rate and an increased sensitivity to apoptosis induction of BMM at 8 weeks post OA surgical induction in comparison to BMM from Sham-operated animals. From that, we conclude that altered cellular biomechanics, induced by OA, affect bone resident macrophage populations. The underlying molecular mechanisms remain unknown so far. Future studies could help to identify regulatory processes involved in the altered cellular reactivity and might contribute to the development of new treatment options that target pathological signaling pathways of macrophage mechanoregulation and neuropeptide sensitivity.
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Als Vorläuferzellen von Osteoklasten spielen Makrophagen während der Osteogenese eine wichtige Rolle. Bei Patienten mit Osteoarthrose (OA) ist der balancierte Prozess aus Knochenaufbau, -umbau und -abbau im betroffenen Gelenk gestört. Mechanorezeption von Zellen ist unabdingbar für Wachstumsprozesse und den Gelenkaufbau, während pathologischer mechanischer Stress Entzündungen und Krankheiten wie ...
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Als Vorläuferzellen von Osteoklasten spielen Makrophagen während der Osteogenese eine wichtige Rolle. Bei Patienten mit Osteoarthrose (OA) ist der balancierte Prozess aus Knochenaufbau, -umbau und -abbau im betroffenen Gelenk gestört. Mechanorezeption von Zellen ist unabdingbar für Wachstumsprozesse und den Gelenkaufbau, während pathologischer mechanischer Stress Entzündungen und Krankheiten wie OA verursachen kann. Die sensiblen Neuropeptide Substanz P (SP) und α-calcitonin gene-related peptide (αCGRP), die eine hohe Spezifität für den Neurokinin-1 Rezeptor (NK1R) beziehungsweise den calcitonin receptor-like receptor (CRLR)/ receptor activity-modifying protein (RAMP) 1 aufweisen, sind an der Physiologie der Gelenke sowie an mit Arthrose assoziierten, degenerativen Vorgängen beteiligt und regulieren die Osteoklastogenese. SP und NK1R als Teil des Tachykinin-Systems wurden in anderen Zellen, z.B. Tenozyten, bereits als mechanoresponsiv beschrieben. Unter Beachtung dieser Mechanismen war das Thema dieser Arbeit, die Auswirkung der Kombination von mechanischer Belastung und der Stimulation mit Neuropeptiden auf das metabolische Verhalten von murinen Makrophagen zu untersuchen.
Makrophagen der murinen Zelllinie RAW 264.7 wurden zyklischer mechanischer Dehnung ausgesetzt. Die Genexpression der Neuropeptidrezeptoren wurde mittels RT-PCR-Analyse untersucht und die Proteinexpression der Neuropeptide per Western Blot und ELISA analysiert. Das metabolische Verhalten der Makrophagen wurde nach erfolgter mechanischer Belastung anhand von Apoptose, Proliferation und Adhäsion charakterisiert, sowohl mit als auch ohne Neuropeptidstimulation. Die Expression von Makrophagen-Polarisationsmarkern und Genen, assoziiert mit der Osteoklastogenese, wurden nach zyklischer mechanischer Dehnung untersucht. Die Stimulation mittels Neuropeptiden wurde an primären murinen Knochenmarksmakrophagen nach der chirurgischen Induktion von OA wiederholt.
Diese Studie zeigt die Beteiligung der Neuropeptide SP und αCGRP sowie deren Rezeptoren bei der Mechanotransduktion- und regulation von Makrophagen. Die Mechanoregulation über den αCGRP-CRLR/RAMP1-Komplex wurde damit zum ersten Mal nachgewiesen. Unsere Ergebnisse weisen zudem auf die Regulierung von RAMP1 unter mechanischem Stress hin. In Übereinstimmung mit den Ergebnissen anderer Forschungsgruppen konnten wir eine autokrin vermittelte negative Feedbackschleife des SP/NK1R-Signalweges beobachten.
Des Weiteren zeigten Makrophagen, die mechanischer Belastung ausgesetzt waren, eine erhöhte Caspase 3/7-vermittelte Apoptose und eine reduzierte Adhäsion unter Stimulation mit αCGRP, was auf einen Schutzmechanismus gegenüber schädlichen Entzündungsprozessen in Form von erhöhter Apoptose und reduzierter Migration der Makrophagen hinweisen könnte. Die nach Belastung beobachtete M1-Polarisierung lässt Rückschlüsse auf eine proinflammatorische Aktivität mechanisch belasteter Makrophagen zu. Ob und auf welche Weise dies Makrophagen unter in vivo-Bedingungen betrifft, bleibt noch ungeklärt. Zusätzlich konnten wir nach mechanischer Belastung eine erhöhte Genexpression des RANK-Rezeptors beobachten, was die Vermutung nahelegt, dass mechanischer Stress das Osteoklastogenesepotenzial von Makrophagen erhöht.
Weiterführend scheint die experimentelle Induktion von OA die Mechanotransduktion von murinen Knochenmarksmakrophagen (KMM) zu beeinflussen, da wir in KMM acht Wochen nach chirurgischer Arthroseinduktion eine erhöhte Apoptoserate unter mechanischer Belastung im Vergleich zu KMM von Sham-operierten Mäusen nachweisen konnten. Daraus ergibt sich die These, dass OA eine veränderte zelluläre Biomechanik induzieren kann und somit Makrophagenpopulationen beeinflusst. Die zugrundeliegenden Mechanismen sind noch nicht bekannt. Zukünftige Studien könnten dazu beitragen, Regulationsprozesse der veränderten Zellreaktivität unter mechanischem Stress zu identifizieren und damit neue Behandlungsmöglichkeiten bei OA zu entwickeln. Insbesondere pathologische Signalwege der Mechanoregulation im Zusammenspiel mit der Neuropeptidsensitivität von Makrophagen könnten dabei von Bedeutung sein.
Metadaten zuletzt geändert: 12 Dez 2022 11:33
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