Molekularbiologische Charakterisierung und funktionelle Analyse des in Kopf-Hals-Tumoren überexprimierten Proteins OSF-2

Im Rahmen dieser Arbeit wurde das in Kopf-Hals-Tumoren überexprimierte, hinsichtlich seiner Funktion jedoch kontrovers diskutierte Protein OSF-2 (Osteoblast specific factor-2) molekularbiologisch charakterisiert und funktionell analysiert. Die endogene OSF-2-Expression wurde in verschiedenen Zelllinien, Geweben, sowie in Primärzellen untersucht. Die durch das N-terminale Sekretionssignal verursachte Proteinsekretion konnte sowohl morphologisch als auch biochemisch nachgewiesen werden. In Microarray-Experimenten konnte gezeigt werden, dass sowohl Tumorzellen als auch Tumor- assoziierte Fibroblasten OSF-2 exprimieren, wobei allerdings keine OSF-2-Isoformsignatur nachgewiesen werden konnte. In funktionellen Assays zeigte OSF-2 zwar keinen Einfluß auf die Proliferation von Kopf-Hals-Tumorzellen, stellte sich jedoch als wichtig für die Zellmigration und das Überleben der Zellen unter ungünstigen Wachstumsbedingungen heraus. Diese Ergebnisse konnten anhand von in vivo-Untersuchungen bestätigt werden. Das verbesserte Überleben der Zellen lässt sich wahrscheinlich durch die OSF-2-induzierte Aktivierung des “Survival Pathways“ Akt/PKB über die PI3-Kinase erklären. Bei den im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen humanen Tumorgewebes war es möglich eine neue Tumorzelllinie des frontalen Sinus zu etablieren und charakterisieren. Hierbei konnte gezeigt werden, dass es sich um HPV-negative, morphologisch äußerst heterogene Zellen mit geringer Migrationsgeschwindigkeit handelt, die eine große Zahl an Chromosomenaberrationen aufweisen. Sie konnten ungünstige Wachstumsbedingungen wie Nährstoffmangel besser überleben als die im Vergleich untersuchte Kopf-Hals-Tumorzelllinie und waren dazu in der Lage nach subkutaner Injektion Tumorwachstum in immundefizienten Nacktmäusen zu initiieren. Aus der Tumorzellpopulation isolierte CD133+ Zellen erhöhten die Tumorinitiation erheblich, was auf das Vorhandensein von Tumorstammzellen innerhalb der CD133+ Zellfraktion hindeutet. Um die Bedeutung von OSF-2 als Zielstruktur für neue Krebsmedikamente einschätzen zu können, sind allerdings weitere Informationen über dessen funktionelle Bedeutung notwendig.

Untersuchungen zu der Rolle der extrazellulären Matrix bei Fibrose und bei Tumoren

Diese Arbeit befasst sich mit der Rolle der extrazellulären Matrix und insbesondere des Proteins Fibronektin bei der Leberfibrose und bei der Einnistung von Tumorzellen in die Stammzellnische im Knochenmark.rnrnHierfür wurde in einem Fibrosemodell das Peptid pUR4b verwendet, welches die Assemblierung einer Fibronektinmatrix verhindert. Bei der Verwendung dieses Peptids während und nach der Induktion einer Leberfibrose durch die Chemikalie Dimethylnitrosamin konnte eine Verminderung der Kollagenmenge (und damit des fibrotischen Narbengewebes) in der Leber im Vergleich zu fibrotischen Kontrolltieren beobachtet werden. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass dieser Effekt unabhängig von der Aktivierung der hepatischen Stellatezellen ist, jedoch zum Teil von einer verminderten Anzahl entzündlicher Zellen abhängig sein könnte. Eine verminderte Bildung von Gesamt- und aktivem TGF-β, welche zum Teil auf Effekte der verringerten Zahl der inflammatorischen Zellen zurückzuführen sein könnte, unterstützt den Effekt des verminderten Aufbaus von Narbengewebe. In vitro Untersuchungen zeigten, dass hepatische Stellatezellen bei einer Behandlung mit pUR4b weniger Fibronektin in die extrazelluläre Matrix einbauten als unbehandelte hepatische Stellatezellen. Insgesamt sprechen die Daten dafür, dass das Peptid pUR4b den Aufbau einer Fibronektinmatrix verhinderte bzw. verminderte, wodurch die Ablagerung anderer Komponenten der extrazellulären Matrix wie z.B. Kollagen gestört war und es daher zu einem Rückgang des fibrotischen Narbengewebes kam.rnrnFür die Untersuchung des Einflusses der extrazellulären Matrix und des Fibronektins bei der Einnistung von Tumorzellen wurde zunächst das Fibronektin mit Hilfe konditioneller Knockout-Mäuse in verschiedenen Zellen bzw. Organen der Tiere ausgeschaltet. Weder die Ausschaltung des zirkulierenden, noch des durch Osteoblasten und Osteozyten gebildeten, noch des zirkulierenden und von Zellen des Knochenmarks gebildeten Fibronektins beeinträchtigte die Einnistung von Tumorzellen. Auch die Bildung eines Hämatoms im Knochen hatte weder einen Einfluss auf die Einnistung von Tumorzellen noch auf die spätere Tumorentwicklung. Die Ausschaltung des tumorzellendogenen Fibronektins führte hingegen zu einer signifikant verminderten Einnistung von Tumorzellen. Diese ist wahrscheinlich auf die verstärkte Affinität dieser Tumorzellen zu Zellen des Immunsystems zurückzuführen. Diese Beobachtung konnte zum Teil durch eine verstärkte eCadherin Expression erklärt werden, welche die Bindung an verschiedene Zellen des Immunsystems vermittelt. Eine Untersuchung der osteoblastischen Stammzellnische durch die kombinierte Gabe von Parathormon und Zoledronsäure führte zu keiner Veränderung der Fibronektinkonzentration innerhalb des Knochenmarks der behandelten Tiere. Dennoch nisteten sich in dem Knochenmark der mit Parathormon und Zoledronsäure behandelten Tiere signifikant mehr Tumorzellen ein als in dem von Kontrolltieren. Dieser Effekt konnte auf einen synergetischen Effekt von Parathormon und Zoledronsäure zurückgeführt werden, der zu einer gesteigerten Osteoblastenaktivität und Änderungen der Zytokinkonzentrationen im Knochenmark führte.rnZusammenfassend zeigte sich, dass eine Veränderung der extrazelluläre Matrix und insbesondere des Proteins Fibronektin bei Leberfibrose zu einem veränderten Krankheitsbild führt und die Einnistung von Tumorzellen in das Knochenmark beeinflusst.rn

Characterisation of human co-culture systems for applications in bone tissue engineering

For the successful integration of bone tissue engineering constructs into patients, an adequate supply with oxygen and nutrients is critical. Therefore, prevascularisation of bone tissue engineering constructs is desirable for bone formation, remodelling and regeneration. Co-culture systems, consisting of human endothelial cells and primary osteoblasts (pOB) as well as osteosarcoma cell lines, represent a promising method for studying the mechanisms involved in the vascularisation of constructs in bone tissue en- gineering and could provide new insights into the molecular and cellular mechanisms that control essential processes during angiogenesis. The present study demonstrated the im- portant components of co-culture systems with a focus on bone tissue replacement and the angiogenic effects of pOB and osteosarcoma cell lines on human endothelial cells. Furthermore, the studies emphasised an overall approach for analysis of signal molecules that are involved in the angiogenic activation of human endothelial cells by the regulation of VEGF-related pathways at the transcriptional and translational levels. The osteosarcoma cell lines Cal-72, MG-63 and SaOS-2, as well as pOB from several donors, differed in their angiogenesis-inducing potential in 2-D and 3-D co-culture systems. SaOS-2 cells appeared to have a high osteogenic differentiation level with no detectable angiogenesis-inducing potential in co-culture with human endothelial cells. The angiogenic potential of the osteoblast-like cells is mainly correlated with the upregulation of essential angiogenic growth factors, such as VEGF, bFGF and HGF and the downregulation of the angiogenesis inhibitor, endostatin. However, other factors involved in angiogenic regulation were found to differ between SaOS-2 cells, compared to Cal-72 and MG-63. The present study focuses on VEGF pathway-effecting genes as key players in the regulation of angiogenesis. The levels of VEGF and VEGF-effecting genes, such as TGF-α and TIMP-2 are down-regulated in SaOS-2 cells. In contrast, direct regulators of VEGF, such as IL6, IL8 and TNF are strongly upregulated, which indicates disruptions in growth factor regulating pathways in SaOS-2 cells. Potential pathways, which could be involved include MEK, PI3K, MAPK, STAT3, AKT or ERK. Additional treatment of co-cultures with single growth factors did not accelerate or improve the angiogenesis-inducing potential of SaOS-2 cells. Knowledge of the detailed molecular mechanisms involved in angiogenesis control will hopefully allow improved approaches to be developed for prevascularisation of bone tissue engineering constructs.

Coating of surfaces of composite materials with enzymatically formed biosilica

Die Bildung kieselsäurehaltiger Spicula in marinen Schwämmen ist nur möglich durch die enzymatische Aktivität des Silicatein- in Verbindung mit der stöchiometrischen Selbstassemblierung des Enzyms mit anderen Schwammproteinen. Die vorliegende Arbeit basiert auf einem biomimetischen Ansatz mit dem Ziel, unterschiedliche Oberflächen für biotechnologische und biomedizinische Anwendungen mit Biosilica und Biotitania zu beschichten und zu funktionalisieren. Für biotechnologische Anwendungen ist dabei das Drucken von Cystein-getaggtem Silicatein auf Gold-Oberflächen von Bedeutung, denn es ermöglichte die Bildung definierter Biotitania-Strukturen (Anatas), welche als Photokatalysator den Abbau eines organischen Farbstoffs bewirkten. Des Weiteren zeigte sich die bio-inspirierte Modifikation von Tyrosin-Resten an rekombinantem Silicatein-(via Tyrosinase) als vielversprechendes Werkzeug zur Beschleunigung der Selbstassemblierung des Enzyms zu mesoskaligen Filamenten. Durch eine solche Modifikation konnte Silicatein auch auf der Oberfläche von anorganischen Partikeln immobilisiert werden, welches die Assemblierung von anorganisch-organischen Verbundwerkstoffen in wäßriger Umgebung förderte. Die resultierenden supramolekularen Strukturen könnten dabei in bio-inspirierten und biotechnologischen Anwendungen genutzt werden. Weiterhin wurde in der vorliegenden Arbeit die Sekundärstruktur von rekombinantem Silicatein- (Monomer und Oligomer) durch Raman Spektroskopie analysiert, nachdem das Protein gemäß einer neu etablierten Methode rückgefaltet worden war. Diese Spektraldaten zeigten insbesondere Änderungen der Proteinkonformation durch Solubilisierung und Oligomerisierung des Enzyms. Außerdem wurden die osteoinduzierenden und osteogenen Eigenschaften unterschiedlicher organischer Polymere, die herkömmlich als Knochenersatzmaterial genutzt werden, durch Oberflächenmodifikation mit Silicatein/Biosilica verbessert: Die bei der Kultivierung knochenbildender Zellen auf derart oberflächenbehandelten Materialien beobachtete verstärkte Biomineralisierung, Aktivierung der Alkalischen Phosphatase, und Ausbildung eines typischen zellulären Phänotyps verdeutlichen das Potential von Silicatein/Biosilica für der Herstellung neuartiger Implantat- und Knochenersatzmaterialien.

Genexpressionsanalyse boviner mesenchymaler Stammzellen und deren in-vitro-differenzierten Folgelinien

Mesenchymale Stamzellen (MSC) sind Vertreter der adulten Stammzellen. Sie bergen durch ihre große Plastizität ein immenses Potential für die klinische Nutzung in Form von Stammzelltherapien. Zellen dieses Typs kommen vornehmlich im Knochenmark der großen Röhrenknochen vor und können zu Knochen, Knorpel und Fettzellen differenzieren. MSC leisten einen wichtigen Beitrag im Rahmen regenerativer Prozesse, beispielsweise zur Heilung von Frakturen. Breite Studien demonstrieren bereits jetzt auch bei komplexeren Erkrankungen (z.B. Osteoporose) therapeutisch vielversprechende Einsatzmöglichkeiten. Oft kommen hierbei aus MSC gezielt differenzierte Folgelinien aus Zellkulturen zum Einsatz. Dies bedingt eine kontrollierte Steuerung der Differenzierungsprozesse in vitro. Der Differenzierung einer Stammzelle liegt eine komplexe Veränderung ihrer Genexpression zugrunde. Genexpressionsmuster zur Erhaltung und Proliferation der Stammzellen müssen durch solche, die der linienspezifischen Differenzierung dienen, ersetzt werden. Die mit der Differenzierung einhergehende, transkriptomische Neuausrichtung ist für das Verständnis der Prozesse grundlegend und wurde bislang nur unzureichend untersucht. Ziel der vorliegenden Arbeit ist eine transkriptomweite und vergleichende Genexpressionsanalyse Mesenchymaler Stammzellen und deren in vitro differenzierten Folgelinien mittels Plasmid - DNA Microarrays und Sequenziertechniken der nächsten Generation (RNA-Seq, Illumina Plattform). In dieser Arbeit diente das Hausrind (Bos taurus) als Modellorganismus, da es genetisch betrachtet eine hohe Ähnlichkeit zum Menschen aufweist und Knochenmark als Quelle von MSC gut verfügbar ist. Primärkulturen Mesenchymaler Stammzellen konnten aus dem Knochenmark von Rindern erfolgreich isoliert werden. Es wurden in vitro Zellkultur - Versuche durchgeführt, um die Zellen zu Osteoblasten, Chondrozyten und Adipozyten zu differenzieren. Zur Genexpressionsanalyse wurde RNA aus jungen MSC und einer MSC Langzeitkultur („alte MSC“), sowie aus den differenzierten Zelllinien isoliert und für nachfolgende Experimente wo nötig amplifiziert. Der Erfolg der Differenzierungen konnte anhand der Genexpression von spezifischen Markergenen und mittels histologischer Färbungen belegt werden. Hierbei zeigte sich die Differenzierung zu Osteoblasten und Adipozyten erfolgreich, während die Differenzierung zu Chondrozyten trotz diverser Modifikationen am Protokoll nicht erfolgreich durchgeführt werden konnte. Eine vergleichende Hybridisierung zur Bestimmung differentieller Genexpression (MSC vs. Differenzierung) mittels selbst hergestellter Plasmid - DNA Microarrays ergab für die Osteogenese mit Genen wie destrin und enpp1, für die undifferenzierten MSC mit dem Gen sema3c neue Kandidatengene, deren biologische Funktion aufzuklären in zukünftigen Experimenten vielversprechende Ergebnisse liefern sollte. Die Analyse der transkriptomweiten Genexpression mittels NGS lieferte einen noch umfangreicheren Einblick ins Differenzierungsgeschehen. Es zeigte sich eine hohe Ähnlichkeit im Expressionsprofil von jungen MSC und Adipozyten, sowie zwischen den Profilen der alten MSC (eine Langzeitkultur) und Osteoblasten. Die alten MSC wiesen deutliche Anzeichen für eine spontane Differenzierung in die osteogene Richtung auf. Durch Analyse der 100 am stärksten exprimierten Gene jeder Zelllinie ließen sich für junge MSC und Adipozyten besonders Gene der extrazellulären Matrix (z.B col1a1,6 ; fn1 uvm.) auffinden. Sowohl Osteoblasten, als auch die alten MSC exprimieren hingegen verstärkt Gene mit Bezug zur oxidativen Phosphorylierung, sowie ribosomale Proteine. Eine Betrachtung der differentiellen Genexpression (junge MSC vs. Differenzierung) mit anschließender Pathway Analyse und Genontologie Anreicherungsstatistik unterstützt diese Ergebnisse vor allem bei Osteoblasten, wo nun jedoch zusätzlich auch Gene zur Regulation der Knochenentwicklung und Mineralisierung in den Vordergrund treten. Für Adipozyten konnte mit Genen des „Jak-STAT signaling pathway“, der Fokalen Adhäsion, sowie Genen des „Cytokine-cytokine receptor interaction pathway“ sehr spannende Einsichten in die Biologie dieses Zelltyps erlangt werden, die sicher weiterer Untersuchungen bedürfen. In undifferenzierten MSC konnte durch differentielle Genexpressionsanalyse die Rolle des nicht kanonischen Teils des WNT Signalweges als für die Aufrechterhaltung des Stammzellstatus potentiell äußerst einflussreich ermittelt werden. Die hier diskutierten Ergebnisse zeigen beispielhaft, dass besonders mittels Genexpressionsanalyse im Hochdurchsatzverfahren wertvolle Einblicke in die komplexe Biologie der Stammzelldifferenzierung möglich sind. Als Grundlage für nachfolgende Arbeiten konnten interessante Gene ermittelt und Hypothesen zu deren Einfluss auf Stammzelleigenschaften und Differenzierungsprozesse aufgestellt werden. Um einen besseren Einblick in den Differenzierungsverlauf zu ermöglichen, könnten künftig NGS Analysen zu unterschiedlichen Differenzierungszeitpunkten durchgeführt werden. Zudem wären weitere Anstrengungen zur erfolgreichen Etablierung der chondrogenen Differenzierung zur vollständigen Analyse der Genexpression des trilinearen Differenzierungspotentials von MSC wünschenswert.

Osteogenic potential of autogenous bone grafts harvested with four different surgical techniques

The osteogenic potential of autogenous bone grafts is superior to that of allografts and xenografts because of their ability to release osteoinductive growth factors and provide a natural osteoconductive surface for cell attachment and growth. In this in vitro study, autogenous bone particles were harvested by four commonly used techniques and compared for their ability to promote an osteogenic response. Primary osteoblasts were isolated and seeded on autogenous bone grafts prepared from the mandibles of miniature pigs with a bone mill, piezo-surgery, bone scraper, and bone drill (bone slurry). The osteoblast cultures were compared for their ability to promote cell attachment, proliferation, and differentiation. After 4 and 8 hrs, significantly higher cell numbers were associated with bone mill and bone scraper samples compared with those acquired by bone slurry and piezo-surgery. Similar patterns were consistently observed up to 5 days. Furthermore, osteoblasts seeded on bone mill and scraper samples expressed significantly elevated mRNA levels of collagen, osteocalcin, and osterix at 3 and 14 days and produced more mineralized tissue as assessed by alizarin red staining. These results suggest that the larger bone graft particles produced by bone mill and bone scraper techniques have a higher osteogenic potential than bone slurry and piezo-surgery.

Proliferation, differentiation and gene expression of osteoblasts in boron-containing associated with dexamethasone deliver from mesoporous bioactive glass scaffolds

Boron is one of the trace elements in the human body which plays an important role in bone growth. Porous mesopore bioactive glass (MBG) scaffolds are proposed as potential bone regeneration materials due to their excellent bioactivity and drug-delivery ability. The aims of the present study were to develop boron-containing MBG (B-MBG) scaffolds by sol-gel method and to evaluate the effect of boron on the physiochemistry of B-MBG scaffolds and the response of osteoblasts to these scaffolds. Furthermore, the effect of dexamethasone (DEX) delivery in B-MBG scaffold system was investigated on the proliferation, differentiation and bone-related gene expression of osteoblasts. The composition, microstructure and mesopore properties (specific surface area, nano-pore volume and nano-pore distribution) of B-MBG scaffolds have been characterized. The effect of boron contents and large-pore porosity on the loading and release of DEX in B-MBG scaffolds were also investigated. The results have shown that the incorporation of boron into MBG scaffolds slightly decreases the specific surface area and pore volume, but maintains well-ordered mesopore structure and high surface area and nano-pore volume compared to non-mesopore bioactive glass. Boron contents in MBG scaffolds did not influence the nano-pore size distribution or the loading and release of DEX. B-MBG scaffolds have the ability to maintain a sustained release of DEX in a long-term span. Incorporating boron into MBG glass scaffolds led to a controllable release of boron ions and significantly improved the proliferation and bone-related gene expression (Col I and Runx2) of osteoblasts. Furthermore, the sustained release of DEX from B-MBG scaffolds significantly enhanced alkaline phosphatase (ALP) activity and gene expressions (Col I, Runx2, ALP and BSP) of osteoblasts. These results suggest that boron plays an important role in enhancing osteoblast proliferation in B-MBG scaffold system and DEX-loaded B-MBG scaffolds show great potential as a release system to enhance osteogenic property for bone tissue engineering application.

The role of the BMP signaling antagonist noggin in the development of prostate cancer osteolytic bone metastasis

Members of the BMP and Wnt protein families play a relevant role in physiologic and pathologic bone turnover. Extracellular antagonists are crucial for the modulation of their activity. Lack of expression of the BMP antagonist noggin by osteoinductive, carcinoma-derived cell lines is a determinant of the osteoblast response induced by their bone metastases. In contrast, osteolytic, carcinoma-derived cell lines express noggin constitutively. We hypothesized that cancer cell-derived noggin may contribute to the pathogenesis of osteolytic bone metastasis of solid cancers by repressing bone formation. Intra-osseous xenografts of PC-3 prostate cancer cells induced osteolytic lesions characterized not only by enhanced osteoclast-mediated bone resorption, but also by decreased osteoblast-mediated bone formation. Therefore, in this model, uncoupling of the bone remodeling process contributes to osteolysis. Bone formation was preserved in the osteolytic lesions induced by noggin-silenced PC-3 cells, suggesting that cancer cell-derived noggin interferes with physiologic bone coupling. Furthermore, intra-osseous tumor growth of noggin-silenced PC-3 cells was limited, most probably as a result of the persisting osteoblast activity. This investigation provides new evidence for a model of osteolytic bone metastasis where constitutive secretion of noggin by cancer cells mediates inhibition of bone formation, thereby preventing repair of osteolytic lesions generated by an excess of osteoclast-mediated bone resorption. Therefore, noggin suppression may be a novel strategy for the treatment of osteolytic bone metastases.

The future of osteoporosis treatment - a research update

Osteoporosis is characterised by a progressive loss of bone mass and microarchitecture which leads to increased fracture risk. Some of the drugs available to date have shown reductions in vertebral and non-vertebral fracture risk. However, in the ageing population of industrialised countries, still more fractures happen today than are avoided, which highlights the large medical need for new treatment options, models, and strategies. Recent insights into bone biology, have led to a better understanding of bone cell functions and crosstalk between osteoblasts, osteoclasts, and osteocytes at the molecular level. In the future, the armamentarium against osteoporotic fractures will likely be enriched by (1.) new bone anabolic substances such as antibodies directed against the endogenous inhibitors of bone formation sclerostin and dickkopf-1, PTH and PTHrp analogues, and possibly calcilytics; (2.) new inhibitors of bone resorption such as cathepsin K inhibitors which may suppress osteoclast function without impairing osteoclast viability and thus maintain bone formation by preserving the osteoclast-osteoblast crosstalk, and denosumab, an already widely available antibody against RANKL which inhibits osteoclast formation, function, and survival; and (3.) new therapeutic strategies based on an extended understanding of the pathophysiology of osteoporosis which may include sequential therapies with two or more bone active substances aimed at optimising the management of bone capital acquired during adolescence and maintained during adulthood in terms of both quantity and quality. Finally, one of the future challenges will be to identify those patients and patient populations expected to benefit the most from a given drug therapy or regimen. The WHO fracture risk assessment tool FRAX® and improved access to bone mineral density measurements by DXA will play a key role in this regard.

The Effect Of Osteoprotection On Immune Reconstitution Post Bone Marrow Transplant

Specialized microenvironments have been known to strongly influence stem cell fate in hematopoiesis. The interplay between osteolineage cells, specifically the mature osteoblast, and the hematopoietic stem cell (HSC) niche have been of particular note. Recently, preliminary unpublished data obtained in the Scadden laboratory suggests the critical role of the osteoblast in regulating T cells. The goal of this project was to initially determine whether stimulating the osteoblast in the HSC niche leads to increased immune reconstitution after hematopoietic stem cell transplant (HSCT). These results indicated that while bone manipulation pre-transplant may have a positive effect on T and B lymphocyte cell recovery, bone manipulation post-transplant seems to have a suppressing effect. Additionally, stimulation of the osteoblast may have an inhibitory effect on the regeneration of GR1+ myeloid cells. Based on these results, we then sought to determine how osteoprotection pre-HSCT modifies the kinetics of graft-versus-host disease (GVHD) and impacts the regeneration of immune cells. The data from this phase of my experiment suggests a possible immediate benefit in stimulation of the osteoblast in response to GVHD prior to HSCT. The overall results from my thesis project demonstrate a promising relationship between pre-HSCT stimulation of the osteoblast and lymphocyte recovery post-HSCT. ¿

Histomorphologic evaluation of extracorporeal shock wave therapy of the fourth metatarsal bone and the origin of the suspensory ligament in horses without lameness

OBJECTIVE: To determine via histologic examination and scintigraphy the effect of focused extracorporeal shock wave therapy (ESWT) on normal bone and the bone-ligament interface in horses. ANIMALS: 6 horses without lameness. PROCEDURE: Origins of the suspensory ligament at the metacarpus (35-mm probe depth) and fourth metatarsal bone (5-mm probe depth) were treated twice (days 0 and 16) with 2,000 shocks (energy flux density, 0.15 mJ/mm2). One forelimb and 1 hind limb were randomly treated, and the contralateral limbs served as nontreated controls. Bone scans were performed on days -1 (before ESWT), 3, 16, and 19. Histomorphologic studies of control and treated tissues were performed on day 30. RESULTS: ESWT significantly increased the number of osteoblasts but caused no damage to associated soft tissue structures and did not induce cortical microfractures. A significant correlation between osteoblast numbers and radiopharmaceutical uptake was noticed on lateral views of the hind limb on days 3 and 16 and on caudal views of the forelimb on day 3. CONCLUSIONS AND CLINICAL RELEVANCE: Results suggested that ESWT has the potential to increase osteoblast numbers in horses. The correlation between increased osteoblast numbers and radio-pharmaceutical uptake 3 days and 16 days after the first ESWT suggested that stimulation of osteogenesis occurred soon after ESWT. No damage to bone or the bone-ligament interface should occur at the settings used in this study, and ESWT can therefore be administered safely in horses.

Effect of monoterpenes on the formation and activation of osteoclasts in vitro

Monoterpenes, present in aromatic plants, are known to inhibit bone resorption in vivo. In this in vitro study, they inhibited the activation of osteoclasts only at high concentrations but inhibited the formation at much lower concentrations. Therefore, monoterpenes may act in vivo directly on osteoclastogenesis. INTRODUCTION: Monoterpenes are the major components of essential oils, which are formed in many plants. Typically, they are found in herbs and certain fruits. When fed to rats, they inhibit bone resorption by an unknown mechanism. In this study, their effect on the activity and formation of osteoclasts in vitro was studied. MATERIALS AND METHODS: The effect of monoterpenes on the development of osteoclasts was studied in co-cultures of bone marrow cells and osteoblasts and in cultures of spleen cells grown with colony stimulating factor (CSF)-1 and RANKL. In cultures of primary osteoblasts, alkaline phosphatase activity and levels of mRNA encoding RANKL and osteoprotegerin (OPG) mRNA (RT-PCR), and in osteoblast and spleen cell cultures, lactate dehydrogenase activity, a measure of toxicity, were determined. The activity of isolated rat osteoclasts was determined by counting the osteoclasts with actin rings using histofluorometry. RESULTS: The monoterpenes inhibited the formation of osteoclasts more strongly in co-cultures (> or = 1 microM) than in cultures of spleen cells (> or = 10 microM). They had a minor effect on osteoblasts. Toxic effects were not observed. The inhibition of the formation of osteoclasts was not reversed by the addition of farnesol and geranylgeraniol, excluding an effect of the monoterpenes through the mevalonate pathway. A high concentration of 1 mM was required to inhibit the activation of osteoclasts. This effect, shown for menthol and borneol, was reversible. CONCLUSIONS: The results suggest that the monoterpenes inhibit bone resorption in vivo through a direct effect on the formation of osteoclasts acting mainly on the hemopoietic cells.

Cbfa-1 (Runx-2) and osteocalcin expression by human osteoblasts in heparin osteoporosis in vitro

Heparin may cause adverse effects on bone formation following long-term application. The exact pathomechanism is unclear, but in vitro data suggest an impaired osteoblast function. The transcription axis of Cbfa-1 (Runx-2) and osteocalcin is crucial in maintaining an equilibrium of bone formation and resorption in vivo. We used a human osteoblast cell culture model to further investigate the effect of heparin (low-molecular-weight heparin, dalteparin) on the expression of these two regulators of osteoblast differentiation. At high doses, dalteparin caused a significant inhibition of both osteocalcin and Cbfa-1 expression in vitro. Our data support the hypothesis of a direct inhibition of osteoblast function underlying heparin osteoporosis.

A comparative analysis of phenotype expression in human osteoblasts from heterotopic ossification and normal bone

BACKGROUND AND AIMS: Heterotopic ossification (HO) is a pathological bone formation process in which ectopic bone is formed in soft tissue. The formation of bone depends on the expression of the osteoblast phenotype. Earlier studies have shown conflicting results on the expression of phenotype markers of cells originating from HO and normal bone. The hypothesis of the present study is that cells from HO show an altered expression of osteoblast-specific phenotype markers compared to normal osteoblasts. The aims of the study were to further characterize the expression of osteoblast phenotypemarkers and to provide a comparison with other study results. PATIENTS AND METHODS: Using an in vitro technique, reverse transcription polymerase chain reaction (RT-PCR), real-time PCR and immunohistochemistry, we compared the phenotype gene expression (type I collagen, alkaline phosphatase, Cbfa-1, osteocalcin) of osteoblasts from resected HO and normal bone (iliac crest). RESULTS: Cells from HO expressed the osteoblast phenotype (type I collagen, alkaline phosphatase) but were characterized by a depleted osteocalcin expression. The expression of Cbfa-1 (osteocalcin transcription gene) showed a large variety in our study. Preoperative radiotherapy had no effect on phenotype expression in cells from HO. CONCLUSION: Our results provide a characterization of cells originating from HO and support the thesis of an impaired osteoblast differentiation underlying the formation of HO. The transcription axis from Cbfa-1 to osteocalcin could be involved in the pathogenesis of HO.

Effects of Delta12-prostaglandin J2 on bone regeneration and growth factor expression in rats

OBJECTIVES: Cyclopentenone prostaglandins have been shown to promote osteoblast differentiation in vitro. The aim of this study was to examine in a rat model the effects of local delivery of Delta(12)-prostaglandin J(2) (Delta(12)-PGJ(2)) on new bone formation and growth factor expression in (i) cortical defects and (ii) around titanium implants. MATERIAL AND METHODS: Standardized transcortical defects were prepared bilaterally in the femur of 28 male Wistar rats. Ten microliters of Delta(12)-PGJ(2) at 4 concentrations (10(-9), 10(-7), 10(-5) and 10(-3) mol/l) in a collagen vehicle were delivered inside a half-cylindrical titanium chamber fixed over the defect. Contralateral defects served as vehicle controls. Ten days after surgery, the amount of new bone formation in the cortical defect area was determined by histomorphometry and expression of platelet-derived growth factor (PDGF)-A and -B, insulin-like growth factor (IGF)-I/II, bone morphogenetic protein (BMP)-2 and -6 was examined by immunohistochemistry. In an additional six rats, 24 titanium implants were inserted into the femur. Five microliters of carboxymethylcellulose alone (control) or with Delta(12)-PGJ(2) (10(-5) and 10(-3) mol/l) were delivered into surgically prepared beds prior to implant installation. RESULTS: Delta(12)-PGJ(2) (10(-5) and 10(-3) mol/l) significantly enhanced new bone formation (33%, P<0.05) compared with control cortical defects. Delivery of Delta(12)-PGJ(2) at 10(-3) mol/l significantly increased PDGF-A and -B and BMP-2 and -6 protein expression (P<0.05) compared with control defects. No significant difference was found in IGF-I/II expression compared with controls. Administration of Delta(12)-PGJ(2) also significantly increased endosteal new bone formation around implants compared with controls. CONCLUSION: Local delivery of Delta(12)-PGJ(2) promoted new bone formation in the cortical defect area and around titanium implants. Enhanced expression of BMP-2 and -6 as well as PDGF-A and -B may be involved in Delta(12)-PGJ(2)-induced new bone formation.