Die Beschreibung der Komponenten des cholinergen Systems im Knochen und die Expression von nikotinischen Acetylcholinrezeptoren (nAChR) mit den Untereinheiten alpha9 und alpha10 in murinen und humanen Osteoblasten-ähnlichen Zellen bilden die Basis dieser Arbeit (En-Nosse et al., 2009; Sato et al., 2010). Die Zusammensetzung von nAChR aus alpha9- und alpha10-Untereinheiten kann als alpha9-Homopentamer oder alpha9alpha10-Heteropentamer erfolgen. Der Nachweis einer verminderten Expression von nAChR alpha10 in Osteoblasten von Patientinnen mit Osteoporose (Zablotni et al., 2015) zeigt die Relevanz der Charakterisierung der Funktion der jeweiligen Untereinheit im Knochenremodeling.Die Knochen von jeweils acht weiblichen, adulten Knockout-(KO) Mäusen mit einer Deletion der nAChR alpha9 oder alpha10 wurden im Vergleich zu ihren korrespondierenden Wildtyp-(WT)-Tieren folgenden Untersuchungen unterzogen: Drei-Punkt-Biegetest, Mikro-Computertomographie (mikroCT), Histologie, Enzym- und Immunhistochemie, real- time Reverse Transkriptase Polymerase-Ketten-Reaktion, Transmissionselektronen- mikroskopie (TEM).Im Drei-Punkt-Biegetest zeigte sich eine reduzierte biomechanische Belastbarkeit des Femurs der alpha9KO- im Vergleich zu den alpha9WT-Mäusen, während sich die Parameter Biegesteifigkeit und Maximalkraft der Knochen der alpha10-Tiere nicht voneinander unterschieden. Verminderte Werte der Calciumhydroxylapatitdichte (TMD) und der geometrischen Parameter (Ct.Ar, Tt.Ar) der Kortikalis wurden in zwei verschiedenen Bereichen der Femurdiaphyse der alpha9KO-Tiere im mikroCT gemessen. Im Trabekelwerk des Lendenwirbelkörpers und der distalen Femurmetaphyse der alpha9KO-Mäuse wurden ein Abfall der trabekulären Dicke (Tb.Th) und ein Anstieg der Parameter bone surface/bone volume (BS/BV), trabecular pattern factor (Tb.Pf) und structure model index (SMI) nachgewiesen. Auf zellulärer Ebene wurde eine Reduktion der mRNA-Expression von Collagen1alpha1 und Connexin43 der alpha9KO-Tiere gemessen. Eine Veränderung der Parameter für Osteoklasten lag weder bei alpha9KO- noch alpha10KO-Tieren vor. Bei der Untersuchung der Ultrastruktur der Osteozyten in der TEM wurde eine erhöhte Anzahl degenerierender und sterbender Osteozyten in der Gruppe der alpha9KO- im Vergleich zur Gruppe der alpha9WT-Mäuse beobachtet. Die Ultrastruktur der Osteozyten der alpha10KO- Mäuse unterschied sich nicht von ihren Kontrolltieren.Die Knochen der alpha9KO-Mäuse präsentierten Veränderungen der biomechanischen Kompetenz, der Knochenstruktur und der Expression von Markern für Osteoblasten sowie Osteozyten. In Abwesenheit von alpha9 wurde der Beginn einer morphologischen Degeneration der Osteozyten sowie eine Reduktion der Expression von Connexin43 und Collagen1alpha1 beobachtet. Veränderungen der Connexin43 Expression beeinflussen die Vitalität der Osteozyten sowie ihre Funktionen bei der Mechanotransduktion und Kommunikation. In der Folge könnte dies zusammen mit der Reduktion der Collagenexpression in den Osteoblasten der alpha9KO-Tiere die Basis für die beobachtete Minderung der kortikalen Mineralisierung und die Veränderung der trabekulären Architektur bilden. Letztlich wirkt sich eine alpha9-Deletion auf die qualitativen und quantitativen Eigenschaften der Knochenmatrix sowie auf die biomechanische Belastbarkeit der Knochen aus. Eine Regulation der Biomechanik, Morphologie und Mineralsalzdichte der kortikalen und spongiösen Knochenareale der alpha10KO-Tiere konnte nicht gezeigt werden. Ebenso lag kein Hinweis auf den Einfluss der nAChR alpha9 und alpha10 auf die Anzahl und Aktivität von Osteoklasten vor. Die Ergebnisse der vorliegenden Studie deuten auf einen Einfluss der nAChR, welche alpha9-Untereinheiten beinhalten, bei der Aufrechterhaltung der Homöostase der Osteozyten und Osteoblasten hin, die für den feinregulierten Ablauf von Remodeling und Mineralisierung essenziell sind.
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