Der Effekt Brain-derived neurotrophic factor-funktionalisierter Polyelektrolytkomplex-Nanopartikel auf die Proliferation und Genexpression der Osteozytenzelllinie MLO-Y4

Abstract

Obwohl die Vielfalt an Medikamenten zur Behandlung der Osteoporose zunimmt, gibt es weiterhin Bedarf die Therapie osteoporotischer Frakturen zu verbessern. Brain-derived neurotrophic factor (BDNF), welcher bisher vor allem durch seine Funktion als Neurotrophin in der Förderung des Nervensystems bekannt ist, spielt nach neueren Erkenntnissen zusätzlich eine Rolle im Prozess der Frakturheilung. Bei exogener Zugabe fördert BDNF die Frakturheilung gesunden Knochens im Mausmodell nach einer Osteotomie (Kauschke et al. 2018B). Um Wirkstoffe direkt am Ort der Frakturheilung freizusetzen, gibt es die Möglichkeit diese über Polyelektrolytkomplex-Nanopartikel (PEK-NP) an Knochenersatzmaterialien zu binden. Diese Studie wurde zur Erforschung des Einflusses von BDNF und PEK-NP auf Osteozyten durchgeführt. Spinalganglien (DRG) wurden hierbei als endogene BDNF-Quelle eingesetzt. Als Osteozytenmodell diente die murine Zelllinie murine long bone osteocytes-Y4 (MLOY4), die als Monokultur und als Kokultur mit aus Mäusen isolierten DRG-Neuronen untersucht wurde. Die Kulturen wurden lichtmikroskopisch unter Zugabe von BDNF (40 ng/mL), PEK-NP und PEK-NP+BDNF im Vergleich zur unbehandelten Kontrolle beobachtet. Die Proliferationsrate der MLO-Y4 wurde mittels eines BrdU Proliferationsassays nach 8, 24 und 32 Stunden (h) gemessen. Die Genexpressionanalyse in MLO-Y4 wurde anhand einer real-time Reverse Transkriptase Polymerase Kettenreaktion (real-time RT-PCR) durchgeführt und teilweise durch eine Kapillargelelektrophorese ergänzt. Im Proliferationsversuch ließ sich nach 24 h Inkubationszeit ein hoch signifikant positiver Einfluss von BDNF (40 ng/mL) auf die Proliferationsrate von MLO-Y4 sowohl in Monokultur als auch in der Kokultur mit DRG-Neuronen nachweisen. Im Gegensatz hierzu zeigten weder BDNF funktionalisierte PEK-NP, pure PEK-NP noch die Kokultivierung mit DRG einen signifikanten Effekt auf die Proliferation von MLO-Y4. In der Genexpressionsanalyse mittels real-time RT-PCR ließ sich nach 24 h Inkubationszeit von BDNF (40 ng/mL) für receptor activator of nuclear-factor κ B ligand (RANKL) und Osteoprotegerin (OPG) kein signifikanter Unterschied zur Kontrolle detektieren. Dieses Ergebnis zeigt, dass BDNF den Knochenstoffwechsel nicht über eine Induktion oder Inhibition dieser Schlüsselproteine im Knochenstoffwechsel beeinflusst. Darüber hinaus wurde eine Expression von BDNF sowie der korrespondierenden Rezeptoren von BDNF, Tropomyosin receptor kinase B (TrkB) und p75 neurotrophin receptor (p75NTR) zum ersten Mal in MLO-Y4 und teilweise überhaupt in Osteozyten nachgewiesen. Eine Expression von TrkB konnte in einer Arbeit bereits in primären Osteozyten gezeigt werden (Ida- Yonemochi et al. 2017). Des Weiteren konnte eine Expression des Apoptoseregulators SOST in den MLO-Y4 nicht nachgewiesen werden. Der positive Einfluss von BDNF auf die Proliferation und die Zytokompatibilität der PEKNP in MLO-Y4-Zellkulturen zeigt unter Berücksichtigung vorheriger Arbeiten die Möglichkeit eines Einsatzes von BDNF und PEK-NP zur Beschichtung von Knochenersatzmaterialien, um die Knochenheilung zu stimulieren.