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Fragestellung: Es ist bekannt, dass beim Knochenaufbau die "Bone Morphogenic Proteins" (BMPs) von entscheidender Bedeutung sind. Diese vermitteln ihr Signal in Osteoblasten via Smad1/5/8 in den Zellkern. Es gibt Hinweise, dass eine systemische oder topische Applikation von TGF-beta1, welches zur selben Familie wie die BMPs gehört, das Knochenwachstum positiv beeinflussen könnte. Deshalb wollten wir in dieser Studie den Signalweg des TGF-β1 (Smad1/5/8 oder Smad2/3) in Osteoblasten charakterisieren und neue Targets für mögliche Therapieansätze identifizieren.

Methodik: Humane Osteoblasten wurden aus Femurköpfen von Patienten, welche eine Femurkopfprothese erhalten haben, isoliert. Die Einverständniserklärungen der Patienten sowie ein Ethikvotum liegen vor. Osteoblasten wurden in An-/Abwesenheit von TGF-β1 für 8 Tage inkubiert. Die Proliferation der Osteoblasten wurde mittels Sulforhodamin B (SRB) Färbung der Oberflächenproteine bestimmt. Als Funktionsparameter wurde die Aktivität der alkalischen Phosphatase (AP) sowie Matrix Produktion mittels Alizarin Rot Färbung bestimmt. Die Expression osteoblastärer Marker wurde mittels PCR bestimmt. Die Signaltransduktion via Smad1 oder Smad3 wurde mittels adenoviraler Reporterassays (Ad5-BRE-Luc und Ad5-CAGA-Luc) analysiert. Der Alk5 (TGF-β Rezeptor I) abhängige Smad2/3 Signalweg wurde durch einen spezifischen Alk5-Inhibitor (SB431542) blockiert und durch Infektion mit einem konstitutiv aktiven Alk5 Konstrukt (Ad5-caAlk5) selektiv aktiviert.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen: Stimulation von Osteoblasten mit TGF-β1 führte, wie bereits von anderen Autoren beschrieben, zu einer erhöhten Zellproliferation, was zu einer Zellzahlerhöhung zwischen 80–100% führte. Interessanterweise, ging dies, nach Normalisierung auf die Zellzahl, mit einer Reduzierung der AP-Aktivität auf ca. 50–60% und einer verminderten Matrixproduktion einher, was auf einen Funktionsverlust der Osteoblasten hinweist. Diese Ergebnisse wurden mittel PCR bestätigt. Infektion der Zellen mit Ad5-caAlk5 hatte die gleichen Auswirkungen wie die Stimulation mit TGF-β1. Als Infektionskontrolle diente ein Ad5-GFP Konstrukt. Durch Gabe des Alk5-Inhibitors wurden diese Effekte signifikant reduziert. Der Smad1 Reporterassay zeigte keine Aktivierung des Smad1/5/8 Signalweges durch TGF-β1. Jedoch, im Gegensatz zu BMPs, zeigte der Smad3 Reporterassay eine starke Aktivierung des Smad2/3 Signalweges.

Unsere Daten zeigen, dass das Osteoblastenwachstum und die Osteoblastenaktivität stark durch TGF-β1 und dessen Signaltransduktion via Smad2/3 reguliert werden. Da das Osteoblastenwachstum und die Osteoblastaktivität stark durch TGF-beta1 und dessen Signaltransduktion über Smad2/3 reguliert werden, könnte Smad 2/3 als potentielles Ziel für Therapieansätze auf molekularer Ebene bei Knochenerkrankungen dienen aber auch Teil der Pathophysiologie von Knochenerkrankungen sein.