Alters- und geschlechterspezifische Effekte von mechanischer Belastung auf den durch das SOST-Gen regulierten Knochenumbau

Die Osteoporose ist eine systemische Skeletterkrankung, bei der durch Knochendichtereduktion und Verschlechterung des Knochengewebes die Stabilität der Knochen abnimmt und das Frakturrisiko steigt. Zur Therapie dieser Erkrankung gibt es mehrere Angriffspunkte. Ein neu erforschter Ansatz ist die Wirkung von Sklerostin, ein Produkt des SOST-Genes. Es bietet einen neuen Ansatz, der eine positive Knochenbilanz bewirken soll, ohne jedoch eine unkontrollierte überschießende Knochenproduktion zu erzeugen. Daher werden in klinischen Studien bereits Sklerostininhibitoren getestet. Sklerostin-Inhibition und die bereits bekannte Therapiemethode der physischen Belastung sind Methoden zur Erhöhung der Knochenmasse und damit der Reduktion von Osteoporose. Diese Effekte werden in Bezug auf kortikale und trabekuläre Knochenparameter im Mausmodell in dieser Arbeit thematisiert und untersucht. Hauptaugenmerk der Untersuchungen waren (1.) den positiven Effekt von Sklerostininhibition auf den kortikalen und trabekulären Knochen nachzuweisen, (2.) eine Unabhängigkeit der belastungsinduzierten Knochenbildung oder -resorption von der Sklerostin-Inhibition zu ermitteln, (3.) eine abgeschwächte Knochenbildung und verstärkte -resorption mit zunehmendem Alter zu beobachten und (4.) einen Unterschied in der Wirkung von Sklerostininhibition in Abhängigkeit vom Geschlecht auszumachen, mit der Vermutung, dass das Knochenwachstum im weiblichen Mausmodell stärker ausgeprägt ist. Zur Beantwortung dieser Fragen wurde ein in-vivo Belastungsversuch durchgeführt bei männlichen SOST-KO Mäusen und bei männlichen Wurfgeschwistern des Wildtyps im Alter von 10 und 26 Wochen. Anschließend wurden die Resultate mit denen eines parallel durchgeführten Versuches am weiblichen Mausmodell verglichen. Im Versuch wurde die linke Tibia der Mäuse für 5 Minuten täglich mit einer vorher determinierten Kraft (Dehnungsadaptiert) axial komprimiert, um einen Belastungsstimulus zu erzeugen. Dabei wurden an Tag 0, 5, 10 und 15 Micro-CT-Scans von der mittleren Tibiadiaphyse zur Beurteilung des kortikalen Knochens und der proximalen Tibiametaphyse zur Beurteilung des trabekulären Knochens durchgeführt. Zusätzlich wurden an Tag 3 und 10 Calcein Injektionen zur histologischen Beurteilung des Knochenwachstumes appliziert. Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass Sklerostininhibition eine Steigerung der Knochenmasse kortikal und trabekulär bewirkt, dass die Knochenbildung und -resorption, die durch Belastung induziert wird, von einer Sklerostininhibition unabhängig ist und dass die Knochenbildung mit zunehmendem Alter abnimmt und die Knochenresorption steigt. Außerdem wurde dargestellt, dass das Geschlecht einen signifikanten Einfluss auf den Knochenmetabolismus und die Mechanotransduktion nimmt. Somit ist die Notwendigkeit belegt, den Knochenstoffwechsel geschlechterspezifisch zu erforschen und mögliche Differenzen zu ermitteln. Da die mechanisch induzierte Knochenbildung und -resorption unter Sklerostininhibition anscheinend alter- und geschlechtsabhängig ist, sollten in zukünftigen klinischen Studien, die eine Antikörpertherapie zur Sklerostinblockierung thematisieren, sowohl das Alter als auch das Geschlecht als Einflussgröße für Wirkung und Nebenwirkung berücksichtigt werden.Osteoporosis is a systemic skeletal disease in which bone density reduction and deterioration of bone tissue reduces bone stability and increases fracture risk. Therapyconcepts are researched worldwide. One newly researched approach is the effect of sclerostin, a SOST-gene-product. It provides a new point of attack to produce a positive bone balance, but without creating an uncontrolled, oversized bone production. Therefore, inhibitors of sclerostin are already being tested in clinical trials. Sclerostin inhibition and the already known therapy method of physical stress are methods for increasing bone mass and thus the reduction of osteoporosis. This study has investigated this effect with respect to cortical and trabecular bone parameters using the mouse model. The main effect of this work was (1) to demonstrate the positive effect of sclerostin inhibition on the cortical and trabecular bone, (2) to determine the independence of stress-induced bone formation or resorption from the sclerostin inhibition, (3) to observe a weakened bone formation and strengthened bone resorption with aging and (4) to show a difference in the effect of sclerostin inhibition as a function of gender, with the assumption that bone growth is more pronounced in the female mouse model. To answer these questions, an in-vivo stress test was performed in male SOST-KO mice and male wild-type littermates at age 10 and 26 weeks. Subsequently, the results were compared with those of a parallel experiment on the female mouse model. For the trial the left tibia of the mice was axially compressed for 5 minutes daily with a previously determined force (strain-adapted) to create a stress stimulus. On day 0, 5, 10 and 15, micro-CT scans were performed from the middle tibial diaphysis to evaluate cortical bone and the proximal tibial metaphysis for assessment of trabecular bone.In addition, calcein-injections were applied on days 3 and 10 for the histological evaluation of bone growth. In summary of the results obtained, it was shown that sclerostin inhibition causes an increase in bone mass cortically and trabecularly, that bone formation and resorption induced by stress is independent of sclerostin inhibition and that bone formation decreases, and bone resorption increases with aging. In addition, it was clearly shown that sex has a significant influence on bone metabolism and mechanotransduction and thus demonstrates the necessity to investigate bone metabolism in a gender-specific manner and to identify possible differences. Since it appears that mechanically induced bone formation and resorption under sclerostin inhibition is age-dependent and sex-dependent, both age and sex should be considered in future clinical studies addressing sclerostin-antibody-therapy.