Macrocyclic bisphosphonates for PET-diagnosis and endoradiotherapy of bone metastases

Die Fallzahlen von Prostata- und Brustkrebs nehmen aktuell die Spitzenplätze bei Krebserkrankungen weltweit ein. Eine schwerwiegende Folge dieser Erkrankung stellen Metastasierungen in das Knochengewebe dar, welche zu einer dramatischen Verschlechterung des Allgemeinzustandes und der Lebensqualität des Patienten führen. Die Symptome sind gekennzeichnet durch enorme Schmerzen in Kombination mit osteoblastischen und osteolytischen Knochenveränderungen, bis hin zu Frakturen und spinalen Kompressionssyndromen, sowie einer metabolischen Hypercalcaemie.rnBei der Diagnose und Therapie nehmen verschiedene Radiopharmaka eine Schlüsselrolle ein. Konjugate aus makrozyklischen Chelatoren und knochenaffinen Bisphosphonaten stellen ein geeignetes Mittel dar als so genannte Theranostika, die Diagnose und Therapie in einem Molekül vereinen. Hierbei konnten mit dem Generator basierenden PET-Nuklid 68Ga(III) und dem Therapienuklid 177Lu(III) erste Erfolge mit der Verbindung BPAMD am Patienten erzielt werden. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit ist es gelungen, die pharmakologischen Eigenschaften der BPAMD-Leitstruktur weiter zu optimieren und neue Derivate erfolgreich zu synthetisieren. Diese zeichneten sich durch eine erhöhte Knochenaffinität und eines besseren ´target to background´ Verhältnisses aus. Im Zuge der Derivatisierung ist es außerdem gelungen, erfolgreich eine Substanz darzustellen, welche über eine gesteigerte Blutretention verfügt und die letztendlich die Bioverfügbarkeit des Tracers erhöhte. Verbindungen solchen Typs können zu einem besseren Tumor zu gesundem Knochen Verhältnis beitragen und eventuell einen höheren Therapieerfolg erzielen. Eines dieser neuen vielversprechenden Bisphosphonate, [68Ga]NO2APBP konnte innerhalb einer klinischen Phase 0 bzw. I sein großes Potential als Diagnostikum zur Erfassung von Skelettmetastasen unter Beweis stellen. Innerhalb einer Testreihe mit 12 Patienten wurde eine hohe diagnostische Übereinstimmung mit dem Goldstandard 18F-Fluorid erreicht. In ausgesuchten Metastasen konnte sogar eine höhere Tracer-Aufnahme erzielt werden.rnIn Zukunft können makrozyklische Bisphosphonate eine wichtige Rolle bei der palliativen Schmerztherapie von Knochenmetastasen einnehmen. rn

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.

FRAX® assessment of osteoporotic fracture probability in Switzerland

A Swiss-specific FRAX model was developed. Patient profiles at increased probability of fracture beyond currently accepted reimbursement thresholds for bone mineral density (BMD) measurement by dual X-ray absorptiometry (DXA), and osteoporosis treatment were identified.

Prediction of hip and hand fractures in older persons with or without a diagnosis of periodontitis

Purpose: In a prospective study, we assessed if a diagnosis of osteoporosis and periodontitis could predict hip and hand fractures in older persons. Materials and methods: Bone density was assessed by a Densitometer. Periodontitis was defined by evidence of alveolar bone loss. Results: 788 Caucasians (52.4% women, overall mean age: 76 years, S.D. +/- 9.0, range: 62 to 96) were enrolled and 7.4% had a hip/hand fracture in 3 years. Calcaneus PIXI T-values < - 1.6 identified osteoporosis in 28.2% of the older persons predicting a hip/hand fracture with an odds ratio of 3.3:1 (95% CI: 1.9, 5.7, p < 0.001). Older persons with osteoporosis had more severe periodontitis (p < 0.01). Periodontitis defined by >= 30% of sites with >= 5 mm distance between the cemento-enamel junction (CEJ) and bone level (ABL) was found in 18.7% of the older persons predicting a hip/hand fracture with an odds ratio of 1.8:1 (95% CI: 1.0, 3.3, p < 0.05). Adjusted for age, the odds ratio of a hip/hand fracture in older persons with osteoporosis (PIXI T-value <-2.5) and periodontitis was 12.2:1 (95% CI: 3.5, 42.3, p < 0.001). Conclusions: Older persons with osteoporosis and periodontitis have an increased risk for hip/hand fractures

Fracture hospitalizations between years 2000 and 2007 in Switzerland: a trend analysis

In Switzerland, the total number and incidence of hospitalizations for major osteoporotic fractures increased between years 2000 and 2007, while hospitalizations due to hip fracture decreased. The cost impact of shorter hospital stays was offset by the increasing cost per day of hospitalization.

High prevalence of severe vitamin D deficiency in combined antiretroviral therapy-naive and successfully treated Swiss HIV patients

To evaluate the prevalence of 25-hydroxyvitamin D [25(OH)D] deficiency in HIV-positive patients, a population at risk for osteoporosis.

Comparative trends in hospitalizations for osteoporotic fractures and other frequent diseases between 2000 and 2008

In Switzerland, the number, incidence, and cost of acute hospitalizations for major osteoporotic fractures (MOF) and major cardiovascular events (MCE) increased in both women and men between 2000 and 2008, although the mean length of stay (LOS) was significantly reduced. Similar trend patterns were observed for hip fractures and strokes (decrease) and nonhip fractures and acute myocardial infarctions (increase).

Treatment with denosumab reduces the incidence of new vertebral and hip fractures in postmenopausal women at high risk

The FREEDOM (Fracture REduction Evaluation of Denosumab in Osteoporosis every 6 Months) trial showed denosumab significantly reduced the risk of fractures in postmenopausal women with osteoporosis.

Denosumab Significantly Increases DXA BMD at Both Trabecular and Cortical Sites: Results From the FREEDOM Study

Denosumab is an approved therapy for postmenopausal women with osteoporosis at high or increased risk for fracture. In the FREEDOM study, denosumab reduced fracture risk and increased bone mineral density (BMD). We report the spine and hip dual-energy X-ray absorptiometry (DXA) BMD responses from the overall study of 7808 women and from a substudy of 441 participants in which more extensive spine and hip assessments as well as additional skeletal sites were evaluated. Significant BMD improvements were observed as early as 1mo at the lumbar spine, total hip, and trochanter (all p<0.005 vs placebo and baseline). BMD increased progressively at the lumbar spine, total hip, femoral neck, trochanter, 1/3 radius, and total body from baseline to months 12, 24, and 36 (all p<0.005 vs placebo and baseline). BMD gains above the least significant change of more than 3% at 36 months were observed in 90% of denosumab-treated subjects at the lumbar spine and 74% at the total hip, and gains more than 6% occurred in 77% and 38%, respectively. In conclusion, denosumab treatment resulted in significant, early, and continued BMD increases at both trabecular and cortical sites throughout the skeleton over 36mo with important gains observed in most subjects.

Cost-effective intervention thresholds against osteoporotic fractures based on FRAX® in Switzerland

FRAX-based cost-effective intervention thresholds in the Swiss setting were determined. Assuming a willingness to pay at 2× Gross Domestic Product per capita, an intervention aimed at reducing fracture risk in women and men with a 10-year probability for a major osteoporotic fracture at or above 15% is cost-effective.

Second-Generation Orthopaedic Measurement Device for in-vivo Assessment of Bone Quality

There are two main types of bone in the human body, trabecular and cortical bone. Cortical bone is primarily found on the outer surface of most bones in the body while trabecular bone is found in vertebrae and at the end of long bones (Ross 2007). Osteoporosis is a condition that compromises the structural integrity of trabecular bone, greatly reducing the ability of the bone to absorb energy from falls. The current method for diagnosing osteoporosis and predicting fracture risk is measurement of bone mineral density. Limitations of this method include dependence on the bone density measurement device and dependence on type of test and measurement location (Rubin 2005). Each year there are approximately 250,000 hip fractures in the United States due to osteoporosis (Kleerekoper 2006). Currently, the most common method for repairing a hip fracture is a hip fixation surgery. During surgery, a temporary guide wire is inserted to guide the permanent screw into place and then removed. It is believed that directly measuring this screw pullout force may result in a better assessment of bone quality than current indirect measurement techniques (T. Bowen 2008-2010, pers. comm.). The objective of this project is to design a device that can measure the force required to extract this guide wire. It is believed that this would give the surgeon a direct, quantitative measurement of bone quality at the site of the fixation. A first generation device was designed by a Bucknell Biomedical Engineering Senior Design team during the 2008- 2009 Academic Year. The first step of this project was to examine the device, conduct a thorough design analysis, and brainstorm new concepts. The concept selected uses a translational screw to extract the guide wire. The device was fabricated and underwent validation testing to ensure that the device was functional and met the required engineering specifications. Two tests were conducted, one to test the functionality of the device by testing if the device gave repeatable results, and the other to test the sensitivity of the device to misalignment. Guide wires were extracted from 3 materials, low density polyethylene, ultra high molecular weight polyethylene, and polypropylene and the force of extraction was measured. During testing, it was discovered that the spring in the device did not have a high enough spring constant to reach the high forces necessary for extracting the wires without excessive deflection of the spring. The test procedure was modified slightly so the wires were not fully threaded into the material. The testing results indicate that there is significant variation in the screw pullout force, up to 30% of the average value. This significant variation was attributed to problems in the testing and data collection, and a revised set of tests was proposed to better evaluate the performance of the device. The fabricated device is a fully-functioning prototype and further refinements and testing of the device may lead to a 3rd generation version capable of measuring the screw pullout force during hip fixation surgery.

Recommendations for raloxifene use in daily clinical practice in the Swiss setting

Raloxifene is the first selective estrogen receptor modulator that has been approved for the treatment and prevention of osteoporosis in postmenopausal women in Europe and in the US. Although raloxifene reduces the risk of invasive breast cancer in postmenopausal women with osteoporosis and in postmenopausal women at high risk for invasive breast cancer, it is approved in that indication in the US but not in the EU. The aim was to characterize the clinical profiles of postmenopausal women expected to benefit most from therapy with raloxifene based on published scientific evidence to date.

Radial extracorporeal shock wave therapy (rESWT) induces new bone formation in vivo: results of an animal study in rabbits

The aim of this study was to investigate if radial extracorporeal shock wave therapy (rESWT) induces new bone formation and to study the time course of ESWT-induced osteogenesis. A total of 4000 impulses of radial shock waves (0.16 mJ/mm²) were applied to one hind leg of 13 New Zealand white rabbits with the contralateral side used for control. Treatment was repeated after 7 days. Fluorochrome sequence labeling of new bone formation was performed by subcutaneous injection of tetracycline, calcein green, alizarin red and calcein blue. Animals were sacrificed 2 weeks (n = 4), 4 weeks (n = 4) and 6 weeks (n = 5) after the first rESWT and bone sections were analyzed by fluorescence microscopy. Deposits of fluorochromes were classified and analyzed for significance with the Fisher exact test. rESWT significantly increased new bone formation at all time points over the 6-week study period. Intensity of ossification reached a peak after 4 weeks and declined at the end of the study. New bone formation was significantly higher and persisted longer at the ventral cortex, which was located in the direction to the shock wave device, compared with the dorsal cortex, emphasizing the dose-dependent process of ESWT-induced osteogenesis. No traumata, such as hemorrhage, periosteal detachment or microfractures, were observed by histologic and radiologic assessment. This is the first study demonstrating low-energy radial shock waves to induce new bone formation in vivo. Based on our results, repetition of ESWT in 6-week intervals can be recommended. Application to bone regions at increased fracture risk (e.g., in osteoporosis) are possible clinical indications.