Einfluss fluider Scherspannungen auf die Mechanotransduktion in Osteoblasten

Der Knochen zeigt sich anpassungsfähig und nimmt die auf das Skelettsystem wirkenden Kräfte auf. Die Knochenzellen im lakuno-kananikulären Netzwerk sind dabei Flüssigkeitsströmen und daraus resultierenden Scherspannungen, die auf die Knochenzellen auftreffen, ausgesetzt. Mit der Frage der Mechanosensitivität und Aktivierung intrazellulärer kalziumabhängiger Signaltransduktionswege wurden primäre bovine Osteoblasten in einer von Usami entwickelten Gradientenflusskammer Scherspannungen von 25, 45, 65 und 95 dyn/cm² und Osteosarkomazellen MG-63 25 und 45 dyn/cm² ausgesetzt. Im Weiteren erfolgten Messungen der Zugkräfte der Zellen unter Anwendung der traction-force-Methode nach Dembo und Wang unter Grundfluss und Belastung mit 65 dyn/cm². Die POb wurden nach unterschiedlich langen Zelladhäsionszeiten zwischen zwei und fünf Tagen auf dem Deckglas verwendet. Bei fast allen Belastungsexperimenten zeigten die POb eine signifikante Zunahme (Ausnahme bei 25 dyn/cm² und zwei- und viertägiger Zelladhäsionszeit) der Anzahl von Zellen mit intrazellulärem Kalziumanstieg (6,0% bis 26,4%) im Vergleich zum Grundfluss mit 1 dyn/cm², was auf eine Mechanosensitivität gegenüber Scherspannungen schließen lässt. Auch zeigten sich gleiche Anteile von Zellen mit Kalziumantwort bei Doppelbelastung mit 45 dyn/cm². Maximale Zellansprechraten von 26,4% konnten bei fünftägiger Zelladhäsionszeit erreicht werden, wobei hierbei die zunehmende Konfluenz der Zellen mit Ausbildung von gap-junctions eine Rolle spielen dürfte. Keine signifikante Steigerung der Zellenanzahl mit Kalziumerhöhung ergab sich bei einer horizontalen Auswertung aller POb bei Zunahme der Scherspannung von 45 auf 65 dyn/cm², so dass von einem Schwellenwert auszugehen ist, von dem an Zellen, die sich in einer mechanosensiblen Phase befinden, reagieren. Die Osteosarkomazellen MG-63 wiesen ebenfalls eine Aktivierung intrazellulärer kalziumabhängiger Signaltransduktionswege bei Belastung mit Scherspannung auf, wobei sich bei 25 dyn/cm² ein Anteil von 13,0% und bei 45 dyn/cm² von 14,2% zeigte. Grenzwertige Signifikanzen (x²=3,92 bzw. x²=4,27; kritischer Wert x²=3,84) ergaben sich durch den erhöhten Anteil von Zellen mit Kalziumerhöhung während des Grundflusses als Kontrollwert. Bei Doppelbelastung mit 45 dyn/cm² ergaben sich ebenfalls gleiche Anteile von Zellen mit Kalziumantwort in beiden Belastungsphasen. Während des Grundflusses mit 1 dyn/cm² konnten bei POb mit der traction-force-Methode Zugkräfte zwischen 60,4 nN und 464,9 nN gemessen werden, was bezogen auf die Zellfläche Schubspannungswerten zwischen 92,9 dyn/cm² und 546,9 dyn/cm² entsprach. Für MG-63 fanden sich Zugkräfte zwischen 3,4 nN und 222,4 nN (Schubspannung zwischen 15,3 und 618,3 dyn/cm²). Signifikante Änderungen der zellulären Zugkräfte zeigten sich nach 60 Sekunden bei Scherspannungsbelastung mit 65 dyn/cm² bei beiden Zelltypen nicht. Veränderungen fanden sich partiell erstmals bei Messungen nach 120 Sekunden, so dass intrazelluläre Kalziummobilisationen den Veränderungen der Zugkräfte unter Scherspannungsbelastung vorausgehen. Zur genaueren räumlichen und zeitlichen Zuordnung der zellulären Reaktionen wäre eine gleichzeitige Messung beider Parameter notwendig. Dies wird durch technische Modifikationen in Zukunft möglich werden und so den Inhalt weiterer Forschungen darstellen