Purinorezeptoren

Nadine J. Scholze (BSc Applied Biology)

Knochendefekte nach Unfällen und Tumoroperationen sowie altersbedingte Knochendegeneration, wie Osteoporose, sind, insbesondere aufgrund der steigenden Lebenserwartung, ein bedeutender Bestandteil der gegenwärtigen Forschung.

Eine mögliche Behandlungsmethode für große und kleine Knochendefekte ist die Verwendung von Knochentransplantaten. Dies sind operative Eingriffe, wo nicht vorhandener Knochen mit körpereigenem Material oder künstlichen, synthetischen oder natürlichen Ersatzstoffen erneuert wird. Diese Materialien besitzen verschiedene Nachteile: künstlichen oder synthetischen Knochenersatzstoffen fehlen osteoinduktive oder osteogene Eigenschaften; natürliche, osteo-leitende Ersatzstoffe wie Knochen-extrazelluläre Matrix Komponenten, isoliert aus bovinem Material, zeigen ein Risiko von Virus- oder Prionenübertragung auf. Die Anwendung von osteogenen Materialien, welches körpereigenes Knochenmark oder Knochen beinhaltet, zeigt Einschränkungen wie lokale Morbidität oder die Verfügbarkeit von Transplantaten, wenn diese für größere Defekte verwandt werden sollen.

Um diesen Problemen entgegen zu wirken und den Mangel an Material zu überwinden, bilden Stammzellen, die aus Fettgewebe, einem Abfallprodukt der plastischen Chirurgie, isoliert werden, eine neuartige Strategie. Diese Zellen lassen sich in verschiedene Gewebearten, einschließlich Knochen, differenzieren.

Bis zum heutigen Tage sind Prozesse, die sich während der Differenzierung der Fettgewebsstammzellen in die osteogene Linie abspielen, weitgehend unbekannt. Aus diesem Grund ist das Ziel dieser Studie die Untersuchung von Signalwegen der Osteogenese.

Seitdem bekannt ist, dass P2 Purinorezeptoren an Zellproliferation, Differenzierung und Osteoregulierung beteiligt sind, werden diese hier untersucht, um ihr Potential während der Knochenbildung zu erkunden.

P2 Rezeptoren sind Membran-gebundene Moleküle, welche in die ionotrophen P2X und die metabotrophen P2Y Rezeptoren unterteilt sind. Erstere sind Liganden-gesteuerte Ionenkanäle, welche den Zufluss und Abfluss von Kationen herbeiführen, nachdem extrazelluläres ATP an sie bindet. Letztere sind G-Protein-gekoppelte Rezeptoren, die infolge einer Aktivierung durch Purin- und/oder Pyrimidinnukleotide zahlreiche intrazelluläre Signalkaskaden auslösen.

Durch die Analyse der Exprimierung von Purinorezeptoren können mögliche Signalwege, die von hoher Bedeutung für zukünftige Anwendungen von körpereigenen mesenchymalen Stammzellen als ein System zur Knochenheilung sein könnten, entdeckt werden.

Aktivierung von P2X Rezeptoren durch extrazelluläres ATP resultiert in einem Zufluss von Kalzium- und Natriumionen, sowie in einem Abfluss von Kalium-Ionen, einer Membran-Depolarisierung und in der Bildung von nicht-selektiven Poren. Zytoplasmatisches Kalzium löst intrazelluläre Signalkaskaden aus, welche die Aktivierung von ERK1/2 beinhalten. Dies resultiert in der Exprimierung von Genen, die u. a. an Proliferation und Differenzierung beteiligt sind.

P2Y Rezeptoren werden durch Liganden-Bindung von ATP oder UTP aktiviert, was MAPK-abhängige oder -unabhängige Signalwege induziert. Stimulierung der Phospholipase C resultiert in der Aktivierung der Tyrosinkinasen, folglich der Exprimierung von c-jun or c-myc über die Ras-MAPK Kaskade oder in einer IP₃-abhängigen Freisetzung von Kalzium aus intrazellulären Vorräten, was mit der Initiierung von Kalzium-abhängigen PKCs einhergeht. Zusätzlich löst eine PLC-Stimulierung die Kalzium-abhängige Umlagerung von CREB in den Nukleus oder die Aktivierung von Kalzium-unabhängigen PKCs durch DAG aus.

Die Transkription von c-fos wird entweder in einem MAPK-abhängigen Mechanismus oder durch andere Abläufe, welche die PI3K beinhalten, reguliert. Beide verlaufen in Kombination mit der Wanderung des Transkriptionsfaktoren NFkB in den Zellkern. Pfeile mit durchgängiger Linie zeigen etablierte Signalkaskaden an. Gestrichelte Linien bilden die Migration in den Nukleus ab.