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Einfluss von ionisierender Strahlung auf die Differenzierung und Interaktion der Progenitorzellen des Knochenmarks

Groo, Aljona :
Einfluss von ionisierender Strahlung auf die Differenzierung und Interaktion der Progenitorzellen des Knochenmarks.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2018)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Einfluss von ionisierender Strahlung auf die Differenzierung und Interaktion der Progenitorzellen des Knochenmarks
Language: German
Abstract:

Störungen des fein regulierten Gleichgewichts zwischen Aufbau und Abbau von Knochensubstanz stehen im Zusammenhang mit chronischen Entzündungskrankheiten wie rheumatoide Arthritis oder Morbus Bechterew. Chronisch entzündliche Prozesse werden mit entzündungs-hemmenden Medikamenten, aber auch mit ionisierender Bestrahlung therapiert, da man aus klinischer Erfahrung weiß, dass niedrige Dosen eine schmerzlindernde und entzündungshemmende Wirkung haben. Dabei werden z.B. Gelenke lokal mit Photonen bestrahlt oder der gesamte Körper mittels Inhalation des alpha-Emitters Radon behandelt. Trotz der klinischen Erfolge sind die zellulären und molekularen Wirkmechanismen weitgehend ungeklärt. Aus diesem Grund wird bei GSI die Thematik mit Photonen und dicht-ionisierender Strahlung (v.a. Radon) untersucht. Entzündliche Prozesse sind eng an die Regulation des Knochenmetabolismus gekoppelt, die im Knochenmark stattfindet. Aufgrund der anti-entzündlichen Wirkung von Bestrahlung bei muskuloskelettalen Erkrankungen, beruht die Arbeitshypothese dieser Arbeit darauf, dass die Strahlung einen Einfluss auf die Regulation des Knochenmetabolismus hat. In Rahmen dieser Arbeit wurde die Isolierung humaner mesenchymalen Stammzellen (MSC) aus dem Knochenmark gesunder Spender (in Zusammenarbeit mit dem Institut für Transfusionsmedizin, Universität Frankfurt) und deren Differenzierung zu Osteoblasten (OB) etabliert. Die Differenzierung und die Gewinnung von Osteoklasten (OC) und Tregs erfolgte aus angereicher- ten Blutproben (Buffy coat). Neben in vitro Studien wurden im Rahmen der Patientenstudie RAD-ON01 (Zusammenarbeit Universitätsklinikum Erlangen) Blutproben von Patienten nach Radon-Therapie untersucht. Die beschleunigte Differenzierung der OB zeigte sich nach Niedrig-Dosis Bestrahlung (0.5 Gy Ro ̈ntgenstrahlung) durch leicht erhöhte Expression des Transkriptionsfaktors Runx2, welcher für die Differenzierung von Osteoblasten verantwortlich ist. Zusätzlich wurde eine signifikant verstärkte Ca2+ Einlagerung in Osteoblasten nach Bestrahlung (0.5 Gy) festgestellt. Um die Auswirkungen von Bestrahlung auf die Osteoklastogenese zu untersuchen, wurde die Freisetzung des löslichen OPG-Rezeptors von OB, welche die Differenzierung von OC inhibiert, untersucht. Es zeigte sich, dass nach Bestrahlung mit 0.5 Gy Röntgenstrahlung die Freisetzung von OPG durch OBs signifikant zunimmt. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Bestrahlung eine Beschleunigung der OB-Differenzierung zur Folge hat und somit der Osteoklastogenese entgegenwirken könnte. Für hohe Dosen der Röntgenstrahlung (10 Gy) wurde teilweise gleicher Effekt wie für 0.5 Gy beobachtet. Die Bestrahlung von Osteoklastenvorläufern mit 0.5 Gy Röntgenstrahlung hatte keine Auswirkung auf die Bildung und Differenzierung von Osteoklasten in vitro. Die resorbierende Aktivität der Osteoklasten auf Knochenplättchen als physiologisches Substrat wurde jedoch nach Bestrahlung mit 0.5 Gy Röntgenstrahlung signifikant reduziert. Diese Ergebnisse sind konsistent mit in vivo Untersuchungen der Patientenproben. Im Blut von Patienten wurde eine signifikante Abnahme von Kollagenfragmenten, die während des Knochenabbaus entstehen festgestellt. Es könnte auf eine Reduktion der Aktivität von OC hindeuten und steht im Einklang mit in vivo Untersuchungen an bestrahlten polyarthritischen Mäusen (hTNFtg), welche nach Bestrahlung mit 0.5 Gy Röntgenstrahlung eine Zunahme der Knochendichte bei gleichzeiger Abnahme der OC-Aktivität zeigten (Universität Erlangen). Die Bestrahlung mit hohen Dosen (10 Gy) inhibierte hingegen nicht nur die Differenzierung sondern auch die Aktivität von Osteoklasten. Eine potentielle Auswirkung von Bestrahlung auf die Differenzierung von CD4+ unreifen T-Lymphozyten in anti-entzündliche Treg Zellen wurde zusätzlich untersucht, da Treg Zellen nach aktuellem Kenntnisstand inhibierend auf die Osteoklastogenese einwirken können. In vitro Ergebnisse zeigten, dass die Bestrahlung mit hohen Dosen (10 Gy) eine signifikante Zunahme der anti-entzündlichen Treg Population bewirkt, während 0,5 Gy Röntgenstrahlung erst mit Zusatz von TGF , welches im Serum von Radonpatienten erhöht vorliegt, eine Zunahme von Treg zur Folge hat. Im Blut von Patienten wurde ebenfalls eine Zunahme von Treg-Zellen nach Radon-Therapie gemessen. Im Rahmen dieser Arbeit konnte in vitro in primären humanen Zellen eine strahleninduzierte beschleunigte Differenzierung von OBs und eine bevorzugte Reifung von T-Zellen in anti-entzündliche Treg Zellen sowie eine Abnahme der Osteoklastenaktivität gezeigt werden. Dies könnte eine zelluläre und molekulare Grundlage der in vivo beobachteten positiven Effekt der niedrig-Dosis Bestrahlung sein.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Disorders of highly regulated balance between remodeling and degradation of bone are associated with chronic inammatory diseases such as Rheumatoid Arthritis or Ankylosing Spondylitis. Chronic inflammatory responses are treated with anti-inflammatory drugs, but also with ionizing radiation, clinical studies have shown that low doses relieve pain and help fight inflammation. Therefore joints are locally irradiated with photons or the whole body treated by inhalation of alpha-emitter radon. Despite the clinical successes, the cellular and molecular mechanisms are largely unknown. For this reason, the issue with photons and densely-ionizing radiation (mostly radon) is researched at GSI. Inflammatory processes are closely linked to the regulation of bone metabolism that occurs in the bone marrow. Due to the anti-inflammatory effect of irradiation in musculoskeletal disorders the working hypothesis of this work is that the radiation has an effect on the regulation of bone metabolism. In this study, the isolation of human mesenchymal stem cells (MSC) from the bone marrow of healthy donors (in collaboration with the Institute for Transfusion Medicine, University of Frankfurt) and their differentiation into osteoblasts (OBs) was established. The differentiation and the enrichment of osteoclasts (OCs) and Tregs was performed from blood (buffy coat). Additionaly blood samples from radon patients in frame of the RAD-ON01 study were analyzed (collaboration with Erlangen University Hospital). Accelerated differentiation of OBs was observed after low-dose of irradiation (0.5 Gy X-ray), due to increased expression of the transcription factor Runx2, which is responsible for the differentiation of osteoblasts. In addition, a significantly increased Ca2+ incorporation into osteoblasts after irradiation (0.5 Gy) was found. To investigate the impact of irradiation on osteoclastogenesis, the release of OPG from OBs, which inhibits the differentiation of OCs was examined. It was found that after irradiation with 0.5 Gy of X-ray radiation the release of soluble OPG by OBs increased notably. These results suggest that the irradiation accelerate differentiation of OBs and thus could counteract osteoclastogenesis. Also after irradiation with high doses (10 Gy) several effects were similar to that at 0.5 Gy. Irradiation of osteoclast precursors with 0.5 Gy X-rays have had no effect on the formation and differentiation of osteoclasts in vitro. But the resorbing activity of osteoclasts on bone slices was significantly reduced after irradiation with 0.5 Gy X-rays. These results are in line with in vivo data from patients. A significant decrease of collagen fragments (CTX) was detected in blood of patients following therapy. It indicates a reduction of OCs activity and is consistent with studies on irradiated polyarthritic mice (hTNFtg), which showed an increase in bone density together with a decrease in OC activity after irradiation with 0.5 Gy X-rays (University of Erlangen). Irradiation of osteoclasts with high doses (10 Gy) inhibited not only differentiation but also activity of the cells. A potential effect of irradiation on the differentiation of CD4+ immature T lymphocytes in anti-inflammatory Treg cells was also examined, since Treg cells on the current state of knowledge could have an inhibitory effect on osteoclastogenesis. In vitro results showed that the high dose irradiation (10 Gy) causes a significant increase in anti-inflammatory Treg population, while 0.5 Gy X-ray irradiation with the addition of TGF only, which is increased in the serum of patients, increased Tregs population. These results are consistent with those obtained in the in vivo data. In the blood of patients an increase of Treg cells was observed. In this work, a radiation-induced accelerated differentiation of OBs and preferential maturation of T-cells in anti-inflammatory Treg cells and a decrease of osteoclast activity was demonstrated in the in vitro system along with primary human cells. This could be a cellular and molecular basis of the observed beneficial effect of low-dose irradiation in vivo.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
Divisions: 10 Department of Biology
Date Deposited: 25 Jan 2018 08:51
Last Modified: 25 Jan 2018 08:51
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-71729
Referees: Durante, Prof. Dr. Marco and Thiel, Prof. Dr. Gerhard
Refereed: 25 November 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/7172
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