Dokument: The Role of Sphingosine-1-Phosphate in Bone Regeneration: A Synergy of Vessel-Dependent and Independent Mechanisms

Titel:	The Role of Sphingosine-1-Phosphate in Bone Regeneration: A Synergy of Vessel-Dependent and Independent Mechanisms
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=66961
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20241008-111348-2
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	Wille, Annalena [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 29,68 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 07.10.2024 / geändert 07.10.2024
Beitragende:	Prof. Dr. med. Levkau,Bodo [Gutachter] Prof. Dr. rer. nat. Scheller, Jürgen [Gutachter]
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Sphingosine-1-Phosphat (S1P), ein bioaktives Sphingolipid, spielt eine wichtige Rolle in der Knochenentwicklung und -homöostase. Obwohl die Wirkung von S1P in diesen Prozessen bereits vielfältig untersucht wurde, ist die Auswirkung von S1P auf die Knochenregeneration noch nicht in Gänze erforscht. Ziel dieser Studie war es, die Wirkung von S1P als mögliche anabole Therapie in der Knochenregeneration zu untersuchen. Um den S1P-Spiegel in vivo zu erhöhen, wurde die S1P Lyase, das Enzym, welches den Abbau von S1P katalysiert, pharmakologisch gehemmt oder genetisch deletiert. Dadurch stiegen die globalen und lokalen S1P-Spiegel an. Die genauen Auswirkungen dieser S1P Erhöhung wurden mithilfe von S1P-Rezeptor deletierten Mäusen untersucht. Darüber hinaus wurde die Beteiligung bestimmter im Knochen vorkommender Zelltypen an diesen Prozessen durch Kultivierungsexperimente mit Osteoblasten und Endothelzellen des Knochenmarks näher untersucht. Durch die globale Erhöhung des S1P-Spiegels in vivo wurde das Knochenvolumen sowohl in den Trabekeln als auch in der Kortikalis erhöht. Der Sphingosine-1-Phosphat-Rezeptor 3 (S1PR3) spielte eine wichtige Rolle bei der Erhöhung des Volumens der Trabekelknochen. Er ist auf zwei Arten an der Knochenbildung beteiligt: Einerseits wurde durch die Aktivierung des S1PR3 in Osteoblasten die Produktion des vaskulären endothelialen Wachstumsfaktors A (VEGFa) angeregt. VEGFa aktivierte intrinsisch die Mineralisierung der Osteoblasten. Andererseits regeten S1P/S1PR3-Signale die Bildung von spezifischen, pro-osteogenen H-Type Blutgefäßen im Knochen an. Dieses steigerte die trabekuläre Knochenbildung. Zusätzlich wurde eine Beteiligung des S1PR2 an der Bildung von kortikalem Knochen identifiziert. Die Aktivierung von S1P/S1PR2 führte zu einer Verdickung des kortikalen Knochens und zu einer Erhöhung der Stabilität. Dieser Mechanismus war unabhängig von VEGFa-Signalen und von den im Knochen enthaltenen Blutgefäßen. Um die neuen Erkenntnisse über die Regulation von S1P im Knochen in einem weiteren Modell zu überprüfen, wurde der S1P-Spiegel in einem Modell der post-traumatischen Osteomyelitis durch Hemmung der S1P Lyase erhöht. Dieses Modell zeichnet sich durch nach einem Knochenbruch entstehende Entzündungsreaktionen aus. Es konnte ein Effekt auf die Knochenregeneration und -heilung bestätigt werden, der von S1PR3 abhängig war. Außerdem wurde eine S1PR3 anhängige erhöhte Invasion von Endothelzellen in den Knochendefekt gezeigt. Die Ergebnisse wurden durch die Kultivierung von menschlichen Knochenproben bestätigt, bei denen ebenfalls ein Anstieg des Knochenvolumens durch die Hemmung der S1P Lyase festgestellt wurde. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass in dieser Studie zwei unabhängige Mechanismen identifiziert wurden, in denen S1P die Knochenbildung und -regeneration anregt. Diese Mechanismen wirten sowohl auf das Wachstum der Trabekel, als auch auf die Kortikalis. Diese Erkenntnisse eröffnen neue Perspektiven und können für die Entwicklung potenzieller therapeutischer Interventionen zur anabolen Knochenbehandlung von Bedeutung sein, insbesondere bei Bedingungen wie Osteoporose und Knochenheilung. Sphingosine-1-phosphate (S1P) is a bioactive sphingolipid. It plays a crucial role in bone development and homeostasis. Despite its recognized impact on these processes, the understanding of its therapeutic potential for bone strengthening remains incomplete. This study explored the role of S1P in bone anabolic therapy. To assess the effect of S1P signaling on bone regeneration, S1P levels were elevated in vivo through pharmacological inhibition or genetic deletion of the enzyme responsible for S1P degradation, the S1P lyase. Specific receptor knockout animals were used to understand distinct mechanisms influenced by S1P. In addition, several in vitro experiments were performed to reveal the involvement of osteoblasts and bone marrow endothelial cells. This study demonstrated that S1P increased trabecular bone formation and cortical strengthening. Trabecular bone formation was shown to be dependent on S1P receptor 3 (S1PR3). S1P/S1PR3 signaling was identified to act in two distinct ways: Firstly, S1P stimulated the production of Vascular Endothelial Growth Factor A (VEGFa) in osteoblasts through S1PR3 activation, intrinsically enhancing the mineralization of these cells. Secondly, S1P/S1PR3 signaling triggered the formation of a pro-osteogenic vessel phenotype within the bone, the H-type vessels. Subsequently, an increase in trabecular bone volume was observed. Additionally, S1PR2 contributed to the formation of cortical bone, as proven by cortical thickening and increased bone strength after S1P lyase inhibition. The deletion of S1PR2 prevented these changes. This mechanism was found to be VEGFa and vessel-independent. Pharmacological S1P lyase inhibition was evaluated in a mouse model of post-traumatic osteomyelitis to validate these effects in a bone defect model. This treatment enhanced the bone healing capacity and increased vascular invasion at the defect site linked to S1PR3 signaling. Human bone samples displaying an increase in bone volume after cultivation with the S1P lyase inhibitor further confirmed the translational relevance of these findings. In summary, this study identified two distinct mechanisms of S1P signaling that influence the bone formation capacity in bone regeneration and healing. These mechanisms of S1P signaling have been identified as potent inducers of both cortical and trabecular bone regeneration. The findings provide a new basis for potential treatment options for bone anabolic therapy, particularly in conditions such as osteoporosis and bone healing.
Lizenz:	Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät
Dokument erstellt am:	08.10.2024
Dateien geändert am:	08.10.2024
Promotionsantrag am:	13.06.2024
Datum der Promotion:	01.10.2024