Der Einfluss von ADAM-Proteinasen und mechanosensitiven Ionenkanälen auf Zellen der Knochenhomöostase

Rinkens, Cindy; Panstruga, Ralph; Ludwig, Andreas

doi:HT031177333

Der Einfluss von ADAM-Proteinasen und mechanosensitiven Ionenkanälen auf Zellen der Knochenhomöostase

Rinkens, Cindy^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Cindy Rinkens, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Ludwig, Andreas (Thesis advisor)^RWTH* ; Panstruga, Ralph (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-06-03

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-05316
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1013066/files/1013066.pdf

Einrichtungen

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
In der Knochenhomöostase spielen Osteoklasten, Osteoblasten und Osteozyten eine entscheidende Rolle zum Erhalt und zur Erneuerung einer gesunden Knochenstruktur. In dieser Homöostase bauen Osteoklasten alte Knochenstruktur ab, damit darauffolgend Osteoblasten neue Knochenmatrix bilden und so eine kontinuierliche Regeneration der Knochenstruktur bewirken können. Dieser Prozess wird wesentlich von der Zellkommunikation der Osteoblasten und der von diesen Zellen abstammenden Osteozyten mit Osteoklasten gesteuert. Die Metalloproteinasen ADAM10 und ADAM17 beeinflussen durch die Proteolyse (Shedding) von verschiedenen Liganden und Rezeptoren verschiedenste Signalwege. Es konnte bereits gezeigt werden, dass diese Proteinasen sowohl in Makrophagen an dem Shedding essenzieller Rezeptoren für die Osteoklasten-Differenzierung als auch an dem Shedding von den entsprechenden Liganden in verschiedenen Zellen beteiligt sind. Die Differenzierung und die Aktivität der Osteoblasten und Osteoklasten können durch mechanische Kräfte reguliert werden. Über mechanosensitive Ionenkanäle, wie Piezo1 und TRPV4 erfolgt die Übertragung des mechanischen Signals in die Zellen und eine entsprechende Reaktion kann innerhalb der Zellen ausgelöst werden. Es gibt in der aktuellen Forschung zunehmend mehr Hinweise für eine explizite Beteiligung von Piezo1 an der Knochenhomöostase. In dieser Doktorarbeit wurde die Rolle der ADAM-Proteinasen und der mechanosensitiven Ionenkanäle sowie ihre Wechselwirkung einerseits in Osteoklasten und andererseits in Osteoblasten näher untersucht. Es wurde durch Inhibitionsexperimente und genetischen Knockout übereinstimmend gezeigt, dass die Aktivität von ADAM17 die Differenzierung von Osteoklasten reduziert. Dieser Vorgang konnte auf das ADAM17-vermittelte Shedding der Rezeptoren CSF1-R und RANK zurückgeführt werden. Die Rolle von ADAM10 ist differenzierter zu betrachten, da der genetische Knockout zwar eine gesteigerte Anzahl an Osteoklasten in der Differenzierung aufweist, jedoch die Inhibitionsversuche nur auf eine Beteiligung von ADAM10 in der späten Differenzierungsphase deuten. Die Stimulation von TRPV4 in der frühen Differenzierungsphase fördert die Bildung von Osteoklasten, was nicht auf die Beeinflussung der ADAM-Aktivität zurückgeführt werden kann. Im Gegensatz dazu führt die Aktivierung von Piezo1 sowohl in der frühen, als auch in der späten Differenzierungsphase zu einer starken Hemmung der Differenzierung. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass die Aktivierung von Piezo1 das durch ADAM17-vermittelte Shedding der Rezeptoren CSF1-R und RANK steigert. Die Untersuchungen an der Osteoblasten-Zelllinie MC3T3-E1 zeigten, dass sowohl TRPV4 als auch Piezo1 nach chemischer Aktivierung eine verstärkte Freisetzung des RANK-Liganden (RANKL) vermitteln. Schließlich konnte nachgewiesen werden, dass sowohl ADAM10 als auch ADAM17 in der Lage sind, RANKL proteolytisch freizusetzen, wobei dies in MC3T3-E1-Zellen hauptsächlich durch ADAM10 geschieht. Zusammenfassend konnte in dieser Doktorarbeit gezeigt werden, dass ADAM10 und ADAM17 auf unterschiedliche Weise die Osteoklasten-Differenzierung negativ beeinflussen. Diese Arbeit bietet auch erste Einblicke in die unterschiedliche Rolle von TRPV4 und Piezo1, im Zusammenhang mit der Aktivität von ADAM-Proteinasen, in der Knochenhomöostase mit dem Fokus auf der Osteoklasten-Differenzierung. Um die Relevanz der Achse zwischen ADAM-Proteinasen und mechanosensitiven Ionenkanälen besser zu verstehen, bedarf es weiterer in vitro und in vivo Untersuchungen zum Knochenumbau nach mechanischer Belastung.

In bone homeostasis, osteoclasts, osteoblasts and osteocytes play a essential role in maintaining and renewing a healthy bone structure. In this homeostasis, osteoclasts break down old bone structure so that osteoblasts can subsequently form new bone matrix and thus cause continuous regeneration of the bone structure. This process is essentially controlled by the cell communication of the osteoblasts and the osteocytes derived from these cells with osteoclasts. The metalloproteinases ADAM10 and ADAM17 influence various signalling pathways through the proteolysis (shedding) of different ligands and receptors. It has already been shown that these proteinases are involved in the shedding of essential receptors for osteoclast differentiation in macrophages as well as in the shedding of the corresponding ligands in various cells. The differentiation and activity of osteoblasts and osteoclasts can be regulated by mechanical forces. Mechanosensitive ion channels, such as Piezo1 and TRPV4, are used to transmit the mechanical signal into the cells and a corresponding reaction can be triggered within the cells. There is increasing evidence in current research for the explicit involvement of Piezo1 in bone homeostasis. In this doctoral thesis, the role of ADAM proteinases and mechanosensitive ion channels and their interaction in osteoclasts on the one hand and osteoblasts on the other were investigated in more detail. Inhibition experiments and genetic knockout consistently showed that the activity of ADAM17 reduces the differentiation of osteoclasts. This process could be attributed to ADAM17-mediated shedding of the receptors CSF1-R and RANK. The role of ADAM10 must be considered in a more differentiated way, as the genetic knockout shows an increased number of osteoclasts in differentiation, but the inhibition experiments only indicate the involvement of ADAM10 in the late differentiation phase. The stimulation of TRPV4 in the early differentiation phase promotes the formation of osteoclasts, which cannot be attributed to the influence of ADAM activity. In contrast, activation of Piezo1 leads to a strong inhibition of differentiation in both the early and late differentiation phases. In addition, it could be shown that the activation of Piezo1 increases the ADAM17-mediated shedding of the receptors CSF1-R and RANK. The studies on the osteoblast cell line MC3T3-E1 showed that both TRPV4 and Piezo1 mediate an increased release of the RANK ligand (RANKL) after chemical activation. Finally, both ADAM10 and ADAM17 were shown to be capable of proteolytically releasing RANKL, with the shedding occurring primarily through ADAM10 in MC3T3-E1 cells. In summary, this thesis has shown that ADAM10 and ADAM17 negatively influence osteoclast differentiation in different ways. This work also provides first insights into the different roles of TRPV4 and Piezo1, in the context of ADAM proteinase activity, in bone homeostasis with a focus on osteoclast differentiation. To better understand the relevance of the axis between ADAM proteinases and mechanosensitive ion channels, further in vitro and in vivo studies on bone remodelling after mechanical loading are needed.

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