Einfluss von Zoledronat und Denosumab auf humane Zellen der osteoblastären Linie aus dem Kieferknochen anhand osteogener Marker

Lautenbacher, Florian

Influence of zoledronate and denosumab on human osteoblast lineage cells from the jawbone using osteogenic markers.

von Florian Lautenbacher

Dissertation

Datum der mündl. Prüfung:2023-06-21

Erschienen:2023-06-07

Betreuer:Prof. Dr. Nicolai Miosge

Gutachter:Prof. Dr. Nicolai Miosge

Gutachter:PD Dr. Dr. Philipp Kauffmann

Gutachter:Prof. Dr. Margarete Schön

Zum Verlinken/Zitieren: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-9917

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Zusammenfassung

Englisch

Medication-related osteonecrosis of the jaw is a common complication of antiresorptive therapy. Zoledronate and denosumab are the most widely used and potent drugs for antiresorptive therapy, and at the same time are associated with the highest orally manifested complication rate. Since maxillary necrosis, depending on its severity, entails quite extensive systemic and surgical therapy, it is essential to understand the pathogenesis of this side effect. A deeper understanding will allow to develop new therapeutic approaches and to initiate possible prophylactic measures at an early stage. In this work, the influence of zoledronate and denosumab on human cells of the osteoblast lineage from the jaw bone was investigated. Cells from three patients were cultured in vitro, incubated with the above drugs, and their cellular effects were evaluated using four marker proteins. COL1, RUNX2, RANKL, and SMURF2 were first detected using immunocytochemistry and then their relative protein levels compared to an untreated control group were determined using Western blots. All proteins were detected in all the patients, confirming the osteogenic origin of the cells. A novel aspect of the in vitro effect of zoledronate and denosumab was that the cells in this work were not exposed to further osteogenic differentiation. This allowed assessment of the response of an unaffected primary cell culture to incubation with zoledronate and denosumab. The results confirmed previously conducted studies and solidified prevailing theories regarding the pathomechanism of medication-related osteonecrosis of the jaw. The key findings were an increase in relative protein levels of COL1 and a significant reduction in RUNX2 with ZOL treatment. If cells produce more COL1 for the extracellular matrix of the bone, the space for conduction pathways within Havers and Volkmann channels could be narrowed, adequate bone remodeling could be restricted, and the transport of immune cells to the inflammation focus could be impeded. A reduction of RUNX2 as a central transcription factor of osteoblast differentiation leads to a limited regenerative capacity of the bone-building cells, thus reducing the regenerative capacity of the entire bone after pathological changes. The effects of antiresorptive drugs, which actually have a positive effect on bone, can thus lead to severe bone necrosis in the region of the jaws in combination with a pathogenic colonized oral cavity.

Keywords: MRONJ; Denosumab; zoledronate; zoledronic acid; osteoblast lineage

Deutsch

Medication related osteonecrosis of the jaw stellen eine häufige Komplikation im Rahmen antiresorptiver Therapien dar. Bei Zoledronat und Denosumab handelt es sich um die meist verbreiteten und potentesten Medikamente zur antiresorptiven Therapie, die gleichzeitig mit der höchsten oral manifestierten Komplikationsrate verbunden sind. Da die Kiefernekrosen je nach Schweregrad eine recht aufwändige systemische und chirurgische Therapie nach sich ziehen ist es essenziell die Pathogenese dieses Nebeneffektes zu verstehen. Ein tieferes Verständnis ermöglicht es neue Therapieansätze zu entwickeln und frühzeitig mögliche Prophylaxemaßnahmen einzuleiten. In dieser Arbeit wurde der Einfluss von Zoledronat und Denosumab auf humane Zellen der osteoblastären Linie aus dem Kieferknochen untersucht. Die Zellen von drei Patientinnen wurden in vitro kultiviert, mit den oben genannten Medikamenten inkubiert und deren zelluläre Effekte anhand von vier Markerproteinen evaluiert. COL1, RUNX2, RANKL und SMURF2 wurden zunächst mithilfe von Immunzytochemie nachgewiesen und anschließend deren relative Proteinlevel im Vergleich zu einer unbehandelten Kontrollgruppe mit Westernblots ermittelt. Alle Proteine ließen sich bei den Patientinnen nachweisen und bestätigten somit auch den osteogenen Ursprung der Zellen. Neuartig war im Zusammenhang mit der in vitro Wirkung von Zoledronat und Denosumab, dass die Zellen in dieser Arbeit keiner weiteren osteogenen Differenzierung ausgesetzt waren. Dadurch konnte die Reaktion einer unbeeinflussten primären Zellkultur auf die Inkubation mit Zoledronat und Denosumab beurteilt werden. Die Ergebnisse bestätigten die bisher durchgeführten Studien und verfestigten die vorherrschenden Theorien über den Pathomechanismus der medication related osteonecrosis of the jaw. Die zentralen Ergebnisse waren eine Erhöhung der relativen Proteinlevel von COL1 und eine signifikante Reduktion von RUNX2 unter ZOL Behandlung. Produzieren Zellen mehr COL1 als Grundgerüst der extrazellulären Matrix, könnte der Raum für Leitungsbahnen innerhalb der Havers- und Volkmannkanäle eingeengt, ein adäquates bone-remodelling eingeschränkt und der Transport von Immunzellen zu Entzündungsherden erschwert werden. Eine Reduktion von RUNX2 als zentralen Transkriptionsfaktor der osteoblastären Differenzierung führt zu einer eingeschränkten Regenerationsfähigkeit der knochenaufbauenden Zellen, womit die Regenerationsfähigkeit des gesamten Knochens nach pathologischen Veränderungen vermindert wird. Die eigentlich positiv auf den Knochen wirkenden Effekte von antiresorptiven Medikamenten können somit in Kombination mit einer pathogen besiedelten Mundhöhle zu schweren Knochennekrosen im Bereich der Kiefer führen.

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