Generierung eines humanen 3D-Knochenmodells zur Simulation von Glukokortikoid-induzierter Osteoporose in vitro

Einleitung: Osteoporose ist eine weit verbreitete Knochenerkrankung, die durch eine geringe Knochenmasse, Knochenbrüchigkeit und allgemeine Veränderungen der Knochenarchitektur gekennzeichnet ist. Diese Krankheit kann zu Knochenbrüchen, Schmerzen und letztlich zu einer eingeschränkten Mobilität und damit zu einer verminderten Lebensqualität führen. Die Glucocorticoid-induzierte Osteoporose (GIOP) ist die häufigste Form der sekundären Osteoporose. Dies ist in der Rheumatologie von besonderer Bedeutung, da diese Medikamente sehr häufig zur Behandlung von Patienten mit entzündlichen rheumatischen und muskuloskelettalen Erkrankungen eingesetzt werden

Methode: Unser Modell umfasst knochenbildende Osteoblasten und knochenresorbierende Osteoklasten, um den Knochenumbau zu ermöglichen. Wir erstellten ein Osteoklasten-Differenzierungsprotokoll und kultivierten die Zellen 21 Tage lang in ∝MEM-Medium, 5 % FCS, 5 % humanes AB-Serum, 2 mmol L-Glutamin, 25 ng/ml M-CSF und 50 ng/ml RANKL. Für die Struktur des Knochenmodells, wurden mesenchymale Stromazellen (MSCs) auf β-TCP differenziert. Anschließend wurden Osteoklasten hinzugefügt und die Modelle mit Methylprednisolon behandelt, um Osteoporose zu induzieren. Die knochenbildende und -resorbierende Aktivität wurde mit Hilfe µCt, der Analyse des Überstandes auf charakteristische Proteine und der Immunhistologie überwacht.

Ergebnisse: Multinuklearität, typische ß-Actin-Ringbildung, zelluläre Aktivität durch TRAP-Färbung und Funktionalität in Resorptionstests bewiesen die Funktionalität der Osteoklasten. Unser Protokoll ermöglichte uns die Passagierung der Zellen ohne Zellverlust oder Funktionseinbußen. Um das unbehandelte Knochenmodell zu etablieren, haben wir Osteoklasten auf ein vorbesiedeltes β-TCP-Konstrukt (3 Wochen) ausgesät und die Co-Kultur für weitere 7 Tage kultiviert. Mit µCt konnten wir die Homöostase zwischen Knochenbildung und -resorption zeigen. Darüber hinaus analysierten wir den Überstand und wiesen eine deutliche Sekretion von RANKL, OPG, MMP-9 sowie freiem Phosphat und Kalzium nach. Diese Ergebnisse bestätigten die Funktionalität sowohl der Osteoklasten als auch der aus MSC stammenden Osteoblasten in unserem 3D-Modell. Anschließend übertrugen wir unser unbehandeltes Modell auf das Osteoporose-simulierende Modell, indem wir es mit Methylprednisolon behandelten, und konnten eine Störung der Knochenhomöostase zugunsten der Osteoklastenaktivität nachweisen. Sobald unser Modell vollständig etabliert ist, werden wir es für präklinische In-vitro-Experimente nutzen, um verfügbare Medikamente gegen Osteoporose zu untersuchen.

Diskussion: Letztendlich werden wir eine in vitro 3D-Ko-Kultur von Osteoblasten und Osteoklasten erhalten, die den menschlichen Knochen simuliert und in der Lage ist, wichtige Aspekte der GIOP in vitro nach einer Behandlung mit Glukokortikoiden zu imitieren.

Keywords: osteoporose, in vitro

Korrespondenzadresse: Moritz Pfeiffenberger, Charité Universitätsmedizin Berlin, Rheumatologie, Rheumatologie, Chariteplatz 1, 10117 Berlin, Deutschland, E-Mail: [e-mail]

Publication History

Article published online:
13 March 2024