Die Rolle der zellulären Seneszenz in der Knochenhomöostase und -regeneration

Autor: Keller, Daniela
Jazyk: němčina
Rok vydání: 2022
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DOI: 10.17169/refubium-32778
Popis: Neueste wissenschaftliche Erkenntnisse deuten darauf hin, dass es sich bei seneszenten Zellen nicht nur um gealterte oder geschädigte Zellen handelt, die sich nicht mehr weiter teilen können. Vielmehr scheinen sie auch an Prozessen beteiligt zu sein, in denen eine gesteigerte Gewebeneubildung und -umstrukturierung vollzogen wird. So wurden seneszente Zellen sowohl im Zuge der Embryogenese als auch im Zusammenhang mit regenerativen Prozessen detektiert. Die Regeneration des Knochens ist besonders, da Knochen die Möglichkeit besitzt narbenfrei zu heilen. Jedoch führen 10-15% aller Frakturen, trotz adäquater konservativer oder chirurgischer Versorgung, zu einer gestörten Knochenheilung inklusive Pseudathrosen. Nachdem die Behandlungsoptionen limitiert sind und oft mit multiplen Revisionseingriffen, prolongierter Immobilität und chronischen Schmerzen verbunden sind, ist die gestörter Knochenheilung mit einer hohen sozio-ökonomischen Belastung verbunden. Für die Entwicklung neuartiger Therapieformen ist daher das zelluläre und molekulare Verständnis der Knochenheilung von Bedeutung. Vor diesem Hintergrund ist eine Aufklärung der Rolle von seneszenten Zellen im Kontext der Knochenregeneration von großem wissenschaftlichem Interesse. Da es sich bei den Zellzyklusinhibitoren p16INK4a und p21WAF-1/Cip-1 um etablierte Marker der zellulären Seneszenz handelt, wurde zunächst der Knochenphänotyp von p16INK4a- oder p21WAF-1/Cip-1-defizienten Mausmodellen untersucht. Hier zeigten sich keine pathologischen Auffälligkeiten. Bei zeitgleichem Knockout von p16INK4a und p21WAF-1/Cip-1 hingegen konnte eine Reduktion der trabekulären Knochendichte der langen Röhrenknochen beobachtet werden. Für die weitere Untersuchung der Knochenregeneration wurde zunächst das Cdkn2atm1b Mausmodell verwendet. Es handelt sich um einen globalen p16INK4a Knockout, welcher keine Auswirkungen auf die Regeneration des Femurs nach erfolgter, standardisierter Osteotomie hat. Ebenso wies eine zeitlich auf den Regenerationsprozess beschränkte Depletierung von p16INK4a-exprimierenden Zellen keinen Einfluss auf die Knochenheilungskinetik auf. Interessanterweise deuten Untersuchungen von heterozygoten Cdkn2atm1b Mäusen auf eine gesteigerte Kallusbildung. Zeitgleich stellen unterschiedliche Versuche verlässliche Seneszenzmarker zu definieren, die unabhängig vom Zelltyp und Seneszenz-induzierenden Stimulus sind, p16INK4a und p21WAF-1/Cip-1 als solche immer mehr in Frage. In diesem Kontext konnte im Rahmen dieser Doktorarbeit ein duales, induzierbares Transposon-Transfektionssystem für humane Zellen etabliert werden. Die gezielte Überexpression von p16INK4a oder p21WAF-1/Cip-1 in hMSC im Vergleich zu anderen Seneszenzinduktionen ermöglicht die genauere Charakterisierung von seneszenten Zellen.
Recent scientific findings suggest that senescent cells are not only aged or damaged cells that can no longer continue to divide. Rather, they also appear to be involved in processes in which increased tissue formation and restructuring are accomplished. Thus, senescent cells have been detected both in the course of embryogenesis and in the context of regenerative processes. Regeneration of bone is special because bone has the ability to heal without scarring. However, 10-15% of all fractures, despite adequate conservative or surgical treatment, result in impaired bone healing including pseudathrosis. Since treatment options are limited and often associated with multiple revision surgeries, prolonged immobility and chronic pain, impaired bone healing is associated with a high socio-economic burden. Therefore, cellular and molecular understanding of bone healing is of importance for the development of novel therapies. Against this background, elucidation of the role of senescent cells in the context of bone regeneration is of great scientific interest. Since the cell cycle inhibitors p16INK4a and p21WAF-1/Cip-1 are established markers of cellular senescence, the bone phenotype of p16INK4a- or p21WAF-1/Cip-1-deficient mouse models was first investigated. Here, no pathological abnormalities were seen. In contrast, when p16INK4a and p21WAF-1/Cip-1 were knocked out simultaneously, a reduction in trabecular bone density of the long tubular bones was observed. For further investigation of bone regeneration, the Cdkn2atm1b mouse model was first used. This is a global p16INK4a knockout, which has no effect on femur regeneration after standardized osteotomy has been performed. Similarly, depletion of p16INK4a- expressing cells limited in time to the regeneration process did not show any effect on bone healing kinetics. Interestingly, studies of heterozygous Cdkn2atm1b mice suggest increased callus formation. At the same time, different attempts to define reliable senescence markers that are independent of cell type and senescence-inducing stimulus increasingly question p16INK4a and p21WAF-1/Cip-1 as such. In this context, a dual inducible transposon transfection system for human cells was established in this PhD thesis. Targeted overexpression of p16INK4a or p21WAF-1/Cip-1 in hMSC compared to other senescence inductions allows for more accurate characterization of senescent cells.
Databáze: OpenAIRE
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