Der Einfluss der mitochondrialen Dysfunktion auf den Metabolismus und Umbau menschlicher Knochenzellen

Eine intakte mitochondriale Aktivität einschließlich einer ausreichenden Energieversorgung ist lebenswichtig für stoffwechselaktive Gewebe, d. h. Skelettmuskel, Herz und Gehirn. Das menschliche Skelett stellt ein weiteres hoch stoffwechselaktives Gewebe dar; Dennoch kann die Bedeutung der mitochondrialen Rolle für die Gesundheit des menschlichen Skelettknochens weiter untersucht werden.

Knochenumbau stellt den gekoppelten und kontinuierlichen regenerativen Prozess des Knochenabbaus durch knochenresorbierende Zellen Osteoklasten (OC) dar, gefolgt von der Bildung einer Knochenmatrix durch knochenbildende Osteoblasten (OB). Ein quantitatives Ungleichgewicht zwischen Resorption und Bildung führt zu Skeletterkrankungen mit geringer Knochenmasse einschließlich Osteoporose und einem erhöhten Risiko für Fragilitätsfrakturen.

Mitochondrien erzeugen Zellenergie Adenosintriphosphat (ATP) durch oxidativen Phosphorylierungsprozess (OXPHOS) in der Atmungskette (RC) mit einer sekundären Produktion der schädlichen Nebenprodukte freie Radikale, d.h. reaktive Sauerstoffspezies (ROS). Bemerkenswerterweise besitzen Mitochondrien ihre eigene DNA (m.DNA), und RC-Untereinheiten werden von m.DNA- bzw. nuklearen DNA-Genen (n.DNA) kodiert. Mit zunehmendem Alter häufen sich schädliche somatische m.DNA-Mutationen im Skelettmuskel und im Herzen an, und somatische m.DNA-Mutationen sowie vererbte m.DNA- oder n.DNA-Mutationen können zu einer mitochondrialen Dysfunktion mit beeinträchtigter ATP-Produktion und Akkumulation von ROS führen. m.DNA-Mutationen können die Gehirn-, Skelett- und Herzmuskelfunktion beeinträchtigen, aber die Auswirkungen auf den menschlichen Knochenzellstoffwechsel und -umbau sind unbekannt. Eine kürzlich durchgeführte Studie an einer Kohorte junger Menschen zeigt, dass mitochondriale Erkrankungen ein Risiko für Brüche durch Knochenbrüchigkeit darstellen.

Präklinische Studien deuten darauf hin, dass ATP und ROS den Knochenstoffwechsel regulieren. Die m.DNA-Zahl und die mitochondriale Aktivität steigen, um die Differenzierung von humanen (mesenchymalen) Skelettstammzellen (hMSC) zu reifen knochenbildenden OBs zu unterstützen. Die Hemmung der mitochondrialen Aktivität oder die Erhöhung der ROS-Spiegel unterdrücken die OB-Differenzierung. Ebenso sind OCs reich an Mitochondrien. Menschliche OC-Kulturen zeigen, dass die Energieversorgung für die OC-Differenzierung von ihren Vorläufern auf OXPHOS basiert, während die OC-Resorptionsaktivität auf Glykolyse beruht.

Darüber hinaus deuten neue Erkenntnisse darauf hin, dass die metabolische Plastizität, d. h. die Regulierung von Glykolyse, OXPHOS und Pyruvatspiegeln, zur Regulierung der OB- und OC-Differenzierung beiträgt.

Der von OBs sezernierte Rezeptoraktivator des Kernfaktor-Kappa-Beta-Liganden (RANKL) aktiviert die OC-Resorption. Bei Mäusen erhöht die RANKL-Stimulation von Knochenmark-OC-Vorläufern die intrazellulären Spiegel von ROS, was die OC-Differenzierung und Knochenresorption in-vitro stimuliert. Darüber hinaus hemmt ROS den Signalweg des flügellosen Typs (Wnt) mit einer Abschwächung der Osteoblastogenese und einer verringerten Knochenbildung.

Darüber hinaus akkumulieren Mäuse mit Mutationen in der n.DNA-codierten Proof-Reading-Domäne der m.DNA-Polymerase POLG (PolgA-/-) m.DNA-Mutationen und weisen einen Phänotyp vorzeitiger Alterung auf, einschließlich geringer Knochenmasse. Darüber hinaus verursacht ein Mangel des n.DNA-codierten mitochondrialen Transkriptionsfaktors (TFAM) eine ATP-Verarmung, und Mäuse mit TFAM-defizienten OCs haben eine erhöhte OC-Aktivität und eine verstärkte Knochenresorption. Im Gegensatz dazu beeinträchtigt der globale Verlust von NADH (Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid) Ubichinon-Oxidoreduktase-Fe-S-Protein 4 (NDUFS4), einer Untereinheit im RC-Komplex 1, die Knochenresorption, und (ndufs4-/-) Mäuse weisen eine erhöhte Knochenmineraldichte (BMD) und auf ein offensichtlicher Osteopetrose-Knochenphänotyp.

Ziel ist die Untersuchung des Knochenzellphänotyps bei Patienten mit seltener mitochondrialer Erkrankung Träger von MT-TL1 m.3243A>G (MIM: 590050). Das Gen kodiert für den Transkriptionsfaktor tRNALeu(UUA/UUG) und schwächt den m.3243A>G Zusammenbau des RC-Komplexes mit sekundär beeinträchtigter ATP-Produktion. Der Phänotyp ist teilweise mit der m.3243A>G-Mutationslast verbunden, d. h. dem Grad der Heteroplasmie (Prozentsatz von m.3243A>G/Wildtyp-m.DNA). Die Studiengruppe umfasst auch Träger von Mutationen im nukleär kodierten POLG (MIM: 174763) und TWNK (MIM: 606075).

Hypothese: Eine beeinträchtigte mitochondriale Funktion beeinflusst die Differenzierung, den Stoffwechsel und die Aktivität menschlicher Knochenzellen, was zu einer beeinträchtigten Knochenbildung und Knochenbrüchigkeit führt.

Ziel: Bestimmung, ob Träger vererbter mitochondrialer Mutationen, d. h. mitochondriale Dysfunktion, ATP-Mangel und sekundärer ROS-Anstieg, zu Veränderungen führen bei:

1. In-vitro-OB-Differenzierungsrate, OB-Aktivität und Knochenbildung.
2. In-vitro OC-Differenzierung, OC-Aktivität und insgesamt höhere Knochenresorption.
3. In-vivo-Veränderungen der Gewebeebene Dynamik der Knochenbildung und -resorption, wie in Beckenkamm-Knochenbiopsien untersucht.

Design, Teilnehmer und Methoden: Querschnitts-Fall-Kontroll-Studie mit Probanden (> 18 Jahre), die eine der folgenden Mutationen tragen:

1. MT-TL1 m.3243A>G
2. POLG-Mutation
3. TWNK

N = 10 Fälle mit jeder pathogenen genetischen Variante und gleicher Anzahl von Kontrollen (n = 30), abgestimmt auf Geschlecht, Alter und BMI.