Human Osteoblasts and Bisphosphonates : an in vitro Study of the Behaviour of Human Osteoblasts under the Influence of Different Generations of Bisphosphonates

Zahlreiche klinische Studien zeigen die positiven Effekte der Bisphosphonate auf metabolische und tumorassoziierte Knochenkrankheiten. Das erste Bisphosphonat, Etidronat, ist seit 30 Jahren bekannt. Seitdem wurden viele neue Bisphosphonate mit größerem Wirkungspotential entwickelt. Deren Wirkungsmechanismus auf Osteoklasten ist vielfach untersucht worden und hinreichend bekannt. Ihre Einwirkung auf Osteoblasten hingegen ist bisher größtenteils unbekannt. Ziel dieser Studie ist, den Einfluß der Bisphosphonate auf normale humane Osteoblasten zu erforschen und mögliche Zusammenhänge zwischen ihrem Wirkungspotential und ihrer chemischen Struktur sowie dem Differenzierungsstadium der Osteoblasten zu untersuchen. Normale humane Osteoblasten wurden aus proximalen Femuranteilen isoliert, SAOS Osteosarkoma Zellen wurden aus der ATCC (American-Tissue-Culture-Collection) gekauft. Alle Zellen wurden in 96-Lochplatten kultiviert. Sie wurden mit Etidronat, Alendronat und Ibandronat, jeweils Repräsentanten der ersten, zweiten und dritten Generation von Bisphosphonaten, in unterschiedlichen Konzentrationen (10–3 – 10–11 M) behandelt. Die Zellproliferation wurde mittels MTT-Assay quantifiziert. Die Differenzierung der Osteoblasten wurde durch die Messung von alkalischer Phosphatase, Osteocalcin und Typ I Kollagen bestimmt. Eine mögliche Interaktion zwischen Osteoblasten und Osteoklasten wurde durch die Messung von Interleukin-6 untersucht. Unsere Untersuchungen zeigten eine Beeinflussung der Proliferationsrate und / oder der Expression der verschiedenen Differenzierungsproteine bei allen Zellen durch die Behandlung mit allen verwendeten Bisphosphonaten. Die Reaktion der Zellen auf die Bisphosphonatbehandlung ist abhängig von der chemischen Struktur des Bisphosphonats und dem Differenzierungsstadium der Osteoblasten. Besonders herauszuheben ist die Inhibierung der osteoblastären Interleukin-6-Produktion in allen Differenzierungsstadien unter allen Bisphosphonaten. Interleukin-6 fördert bekanntermaßen die osteoklastäre Rekrutierung und Aktivität. Damit deutet die Inhibierung der osteoblastären Interleukin-6-Produktion in der Knochen-mikroumgebung auf eine parakrine Wirkung der Bisphosphonate auf die Osteoklasten hin. Zusammengefasst demonstriert diese Studie einerseits einen direkten Einfluß der Bisphosphonate auf die normalen humanen Osteoblasten. Andererseits ergibt sich, zusätzlich zu dem bekannten direkten, apoptotischen Effekt auf die Osteoklasten, ein indirekter, parakriner Einfluß über die Osteoblasten.Numerous clinical studies demonstrate beneficial effects of bisphosphonates on metabolic and tumor related bone diseases. Following the introduction of the first bisphosphonate, etidronate thirty years ago, more potent compounds were developed. Their action on osteoclasts has been extensively examined, while their influence on osteoblasts is largely unknown. Aim of this study is to clarify actions on human osteoblasts by bisphosphonates in vitro and their relationship to the chemical structure and potency of the bisphosphonate as well as to the differentiation stage of the osteoblasts. Normal human osteoblasts were isolated from proximal femurs, SAOS osteosarcoma cells were obtained from the American-Tissue-Culture-Collection. All cells were cultured in 96-well-plates and treated with different concentrations (10–3 – 10–11M) of etidronate, alendronate and ibandronate (1st, 2nd and 3rd generation). Cell proliferation was determined by the MTT-Assay. Cell differentiation was studied by measuring alkaline phosphatase activity, secreted osteocalcin and type-I-collagen. A possible interaction between osteoblasts and osteoclasts was examined by assessing the expression of osteoblastic interleukin-6 secretion. All cells did alter either their proliferation rate and/or protein synthesis during treatment with all bisphosphonates. In conclusion, this study demonstrates a direct influence of bisphosphonates on human osteoblasts. The reaction to the treatment varied, depending upon the chemical structure of the bisphosphonate and the differentiation stage of the human osteoblasts. Emphasis is given on the inhibition of the osteoblast IL-6-production by all bisphosphonates in physiologically relevant concentrations. This effect may lead to reduced osteoclast recruitment and activity in the bone microenvironment additionally to the apoptotic influence on osteoclasts