RANK-Ligand und Osteoprotegerin als Regulatoren des vaskulären und skeletalen Systems

• Antragsteller: Professor Dr. Lorenz C. Hofbauer
• Fachliche Zuordnung: Gastroenterologie
• Förderung: Förderung von 2005 bis 2009
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 5444437

• Erstellungsjahr: 2009

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Receptor activator of NF-kB ligand (RANKL) und Osteoprotegerin (OPG) sind Zytokine mit skeletalen und vaskulären Effekten. RANKL stimuliert den Rezeptor RANK, der auf Osteoklasten und dendritischen Zellen lokalisiert ist. OPG fungiert als endogener Rezeptorantagonist und neutralisiert RANKL sowie TNF-related apoptosis-inducing ligand (TRAIL). Störungen dieses Systems liegen metabolischen Knochenerkrankungen zugrunde, werden aber auch in der Pathogenese vaskulärer Erkrankungen diskutiert. Die Hypothese dieses Projekts lautete: Störungen des RANKL-OPG-Systems bilden die Basis für die klinische Assoziation von Osteoporose und kardiovaskulären Erkrankungen. Die im Antrag formulierten Ziele und die Ergebnisse dieses Projekts waren: 1) Immunhistochemische und molekulargenetische Evaluierung des RANKL/OPG-Systems Endothelzellen und glatte Muskelzellen produzieren in der Gefäßwand OPG. Neben OPG ist auch das proapoptotische TRAIL, welches wie RANKL durch OPG neutralisiert wird, in Gefäßkalzifizierungen bei der Mediasklerose vom Typ M. Mönckeberg, bei (neo)intimalen Kalzifizierungen im Rahmen der Atherosklerose, bei heterotopen Ossifikationen in der Gefäßwand sowie im Myokard bei dilatativer Kardiomyopathie nachweisbar. Die 950/1181-OPG-Genhaplotypen waren bei Männern mit koronarer Herzerkrankung (KHK) ungleichmäßig verteilt, und Männer mit dem Genotyp 950TC/1181GC wiesen ein relatives Risiko von 1.67 für eine KHK auf (p = 0,03). In einem prospektiven Projekt wird derzeit die Rolle bestimmter OPG-Genpolymorphismen für die Koinzidenz von Osteoporose und Gefäßkalzifizierung untersucht. 2) Zellbiologische Mechanismen der RANKL- und OPG-Expression skeletaler und vaskulärer Zellen: In glatten Gefäßmuskelzellen führte das pleiotrope T-Helfer-2-Zytokin IL-4 kurzfristig über eine Aktivierung des STAT6-Signalweges zu einer gesteigerten OPG-Produktion. Eine IL-4-Langzeitexposition induzierte dagegen eine Cbfa1-abhängige osteogene Transdifferenzierung und eine verminderte Expression von OPG. Auch in Endothelzellen (HUVEC) aktivierte IL-4 den STAT6-Signalweg und steigerte selektiv die OPG-Expression und -Sekretion. In einem Kokulturmodell mit humanen Osteoklasten war das in Endothelzellen durch IL-4 induzierte OPG imstande, die Differenzierung und Aktivierung von Osteoklasten zu hemmen, ein Hinweis auf die zelluläre Kommunikation zwischen Gefäß- und Knochenzellen. Des Weiteren konnte die Regulation von OPG in dendritischen Zellen (DC), den wichtigsten Antigen-präsentierenden Zellen des Immunsystems, charakterisiert werden. Die Expression von OPG wurde im Rahmen der DC-Reifung über verschiedene Signalwege (TNF-Liganden, Liganden von Toll-like-Rezeptoren) gesteigert und war NF-KB abhängig. Da eine gesteigerte Zahl an DC bei der Atherosklerose nachweisbar ist, könnte von DC gebildetes OPG zu den erhöhten zirkulierenden OPG-Spiegeln bei pathologischen Gefäßprozessen beitragen. In Osteoblasten konnten Raloxifen, Extrakte der Traubensilberkerze (Cimicifuga racemosa) sowie der CSE- Hemmer Atorvastatin die Expression von OPG und eine gesteigerte Osteoblastendifferenzierung induzieren. 3) Interaktion von RANKL, TRAIL und OPG mit Bestandteilen der Matrix, Bindungsstellen und Signalwege: Einige Arbeiten zum 3. Ziel (HUVEC, CASMC, DC) sind unter Punkt 2 dargestellt. In pankreatischen Inselzellen war OPG imstande, die IL-1-induzierte Aktivierung der p38 MAPK und dadurch den IL-1- induzierten Zelltod zu hemmen; es stellt somit einen neuen Überlebensfaktor für Inselzellen dar. In einer aufwendigen NMR-Spektroskopieanalyse konnte eine hohe Analogie zwischen kalzifiziertem Plaque und mineralisiertem Knochen nachweisen werden. Ferner wurde die Bedeutung des NF-kB- und IGF-1-Rezeptor- Signalwegs bei der TRAIL-induzierten Apoptose glatter Gefäßmuskelzellen charakterisiert. 4) Charakterisierung der skeletalen und vaskulären Effekte einer RANKL-Blockade in einem hRANKL-Knock-in-Mausmodell der Osteoporose durch systemische Glukokortikoidexposition: In einer Kooperation haben wir hRANKL Knock-in-Mäuse untersucht, die ein chimäres (human/murin) RANKL-Protein exprimieren, welches von Denosumab, einem monoklonalen Antikörper gerichtet gegen humanes RANKL, neutralisiert wird. Die subkutane Implantation von Prednisolonpellets führte bei diesen Mäusen zu einer gesteigerten Knochenresorption, zu einem deutlichen Knochenverlust und zu einer reduzierten biomechanischen Belastbarkeit. Diese Effekte ließen sich durch einen humanen Antikörper gegen RANKL (Denosumab) hemmen. Interessanterweise induzierte Prednisolon auch eine Einlagerung von Kalzium in die Gefäßwand als Ausdruck eines frühen Stadiums der vaskulären Kalzifizierung, was sich durch Denosumab ebenfalls hemmen ließ. In diesem in vivo-Modell korrelierten die Knochenresorptionsmarker positiv mit dem Kalziumgehalt der Gefäße, die Knochendichte hingegen negativ. Eine Blockade von RANKL durch Denosumab konnte somit gleichzeitig in diesem Tiermodell vor einer Osteoporose und einer Gefäßkalzifizierung schützen. Dieses Tiermodell unterstützt somit die Grundhypothese unseres Antrags.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

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  Viereck V, Grundker C, Friess SC, Frosch KH, Raddatz D, Schoppet M, Nisslein T, Emons G, Hofbauer LC
  
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