Einfluss monozytärer Zellen auf die diabetische Frakturheilung

Abstract

Diabetes mellitus (DM) ist eine der häufigsten Stoffwechselkrankheiten in den heutigen Industriestaaten. Im Rahmen der unfallmedizinischen Forschung besteht, im Hinblick auf die Verbesserung der Therapie, ein großes Interesse an den Knochenveränderungen durch Diabetes mellitus und an der diabetischen Frakturheilung. Zur Verbesserung der Knochenqualität von Diabetikern und zur Reduzierung des Frakturrisikos sowie zur Verbesserung der postoperativen Versorgung der Frakturen in diesem Patientenkollektiv, bedarf es einem grundlegenden Verständnis der Unterschiede zwischen der Frakturheilung bei DM-Patienten und gesunden Patienten. Die Frakturheilung ist ein komplexer Prozess, in dem besonders in der frühen Phase inflammatorische Zytokine, Granulozyten und Monozyten einen wichtigen Teil zur Initiierung des Knochenwiederaufbaus leisten. Die Rolle von monozytären Zellen ist dabei unumstritten aber nicht hinreichend erklärt. Ein Ziel dieser Arbeit war es, im in vitro Modell herauszufinden, welchen Einfluss monozytäre Zellen (PBMCs und THP-1-Zellen) in dieser Phase der Frakturheilung haben. In diesem Zusammenhang wurde der Effekt von monozytären Zellen auf die Migration, die Proliferation und die Funktion von humanen Osteoblasten untersucht. Der THP-1-Überstand verbesserte signifikant sowohl die AP-Aktivität als auch die Matrix-Mineralisierung von Osteoblasten. Des Weiteren konnte durch die Zugabe des Überstandes von monozytären Zellen ein signifikant schnelleres Zuwachsen des in vitro Frakturspalts („Scratch Assay“) beobachtet werden. Eine Zunahme der Proliferation durch den monozytären Überstand konnte mithilfe von Westernblots ausgeschlossen werden. Die dargestellten Ergebnisse zeigten, dass das Sekretom von THP-1 Zellen durch Stimulation sowohl der Funktion als auch der Migrationsfähigkeit von Knochenzellen einen signifikanten Einfluss auf die Frakturheilung hat. Dieser positive Einfluss auf die Knochenzellen war nicht nur unter normoglykämischen, sondern auch unter hyperglykämischen Bedingungen gegeben. Als mögliche regulatorische Mechanismen wurden die Aktivierung von Erk1/2, SAPK/JNK, Akt, Hsp27 sowie STAT1 und STAT3 im Westernblot und „Intracellular Signaling Array“ identifiziert. Diese Signalwege konnten durch die Sekretion von Zytokinen, wie OSM, OPG, TGF-β1, Angiogenin und VEGF-A, im Zytokinarray des Überstandes von monozytären Zellen, erklärt werden. Um den Zusammenhang zwischen verschlechterter diabetischer Frakturheilung und monozytärer Zellen zu klären, wurden die Zellüberstände von Typ-2-DM-PBMCs und hyperglykämisch kultivierten THP-1-Zellen untersucht. Dabei konnte ein deutlich verändertes Zytokinprofil bei Typ-2-DM-PBMCs detektiert werden. Im Zusammenhang mit den ermittelten regulatorischen Mechanismen, die in dieser Arbeit gefunden wurden und für den Einfluss von monozytären Zellen auf die Frakturheilung verantwortlich sind, konnte allerdings keine eindeutige Erklärung für eine verschlechterten diabetischen Frakturheilung durch Veränderung der monozytären Zellen gefunden werden. Durch diese Arbeit konnte ein Grundstein in der Untersuchung des Einflusses monozytärer Zellen auf die diabetische Frakturheilung gelegt werden. In den dargestellten Ergebnissen konnte gezeigt werden, dass monozytäre Zellen eine wichtige Rolle in der Frakturheilung spielen. Zusätzlich lieferte diese Arbeit verschiedene Erklärungen, welche Regulationsmechanismen dabei aktiviert werden. Aufgrund des veränderten Zytokinprofils und der hier erläuterten Wirkungsweise der veränderten Zytokine, ist ein großer Einfluss monozytärer Zellen bei der diabetischen Frakturheilung wahrscheinlich.