Benutzerspezifische Werkzeuge

Forschung

Projekte

1. Molekular- und Zellbiologie des Knochenstoffwechsels

2. Bone vascular interphase- Gemeinsamkeiten zwischen Osteoporose und Gefäßkalzifizierung

3. Neue biochemische Marker

4. Knochenstoffwechsel bei multiplem Myelom

5. Genexpression bei Schilddrüsenkarzinom und Phäochromozytom

1. Molekular- und Zellbiologie des Knochenstoffwechsels

Hofbauerforschung1.jpgWir untersuchen die Kommunikation verschiedener Zellen des Knochenstoffwechsels. Die Osteoblasten bilden Knochenmatrix, die unter Einfluss von Vitamin D und Kalzium mineralisiert. Osteoblasten leiten sich von pluripotenten mesenchymalen Stammzellen ab, die je nach Umgebung zu Osteoblasten oder Adipozyten (Fettzellen) differenzieren können. Im Bild (links oben) ist in Zellkultur die mineralisierte Knochenmatrix von Osteoblasten in schwarz und die Bildung von Fetttröpfchen durch Adipozyten in rot dargestellt. Die Knochen-resorbierenden Osteoklasten werden in ihrer Entstehung und Aktivität vor allem durch die Zytokine RANK-Ligand (RANKL) und Osteoprotegerin (OPG) kontrolliert. Im Bild (links Mitte) sind Osteoklasten-Vorläuferzellen ohne (links) und mit (rechts) Behandlung mit RANKL dargestellt. Die Osteoklasten stellen sich als große TRAP-positive mehrkernige Zellen dar. Diese Befunde dokumentieren die essentielle Bedeutung von RANKL für die Entstehung von Osteoklasten, während OPG der natürliche Gegenspieler von RANKL ist.

In mehreren Arbeiten haben wir den Einfluss verschiedener Zytokine, Hormone und Medikamente auf die Produktion von RANKL und OPG in humanen Osteoblasten untersucht. Beispielsweise hemmen Glukokortikoide (Bild unten) die Produktion von OPG, während Östrogene, Phyto-Östrogene, Bisphosphonate, Leptin und der selektive Östrogenrezeptormodulator Raloxifen OPG steigern. Die Hemmung des protektiven Faktors OPG durch Glukokortikoide könnte zur Entwicklung einer Osteoporose unter Kortisontherapie beitragen. Dabei entwickeln sich nach längerer Anwendung häufig Frakturen der Wirbelkörper (Bild rechts, 2. Wirbelkörper von oben). In weiteren Untersuchungen analysieren wir die skeletalen Effekte von Sexualhormonen auf die Expression von Zytokinen.

Auswahl von Arbeiten zu diesem Thema:

Hofbauer LC, Gori F, Riggs BL, Lacey DL, Dunstan CR, Spelsberg TC, Khosla S 1999 Stimulation of osteoprotegerin ligand and inhibition of osteoprotegerin production by glucocorticoids in human osteoblastic lineage cells: Potential paracrine mechanisms of glucocorticoid-induced osteoporosis. Endocrinology 140: 4382-4389.

Burguera B, Hofbauer LC, Thomas T, Gori F, Evans GL, Khosla S, Riggs BL, Turner RT 2001 Leptin reduces ovariectomy-induced bone loss in rats. Endocrinology 142: 3546-3553.

Viereck V, Emons G, Lauck V, Frosch KH, Blaschke S, Gründker C, Hofbauer LC 2002 Bisphosphonates pamidronate and zoledronic acid stimulate osteoprotegerin production by primary human osteoblasts. Biochem Biophys Res Commun 291: 680-686.

Viereck V, Grundker C, Blaschke S, Niederkleine B, Siggelkow H, Frosch KH, Raddatz D, Emons G, Hofbauer LC 2003 Raloxifene concurrently stimulates osteoprotegerin and inhibits interleukin-6 production by human trabecular osteoblasts. J Clin Endocrinol Metab 88: 4206-4213.

Viereck V, Grundker C, Friess SC, Frosch KH, Raddatz D, Schoppet M, Nisslein T, Emons G, Hofbauer LC 2005 Isopropanolic extract of black cohosh stimulates osteoprotegerin production by human osteoblasts. J Bone Miner Res 20: 2036-2043.

Viereck V, Grundker C, Blaschke S, Frosch KH, Schoppet M, Emons G, Hofbauer LC 2005 Atorvastatin stimulates the production of osteoprotegerin by human osteoblasts. J Cell Biochem 96: 1244-1253.

2. Bone vascular interphase- Gemeinsamkeiten zwischen Osteoporose und Gefäßkalzifizierung

(Kooperation mit Dr. M. Schoppet und Dr. N. Al-Fakhri, Marburg)

Hofbauerforschung2.jpgSeit 2003 haben wir die RANKL/OPG-Thematik auf kardiovaskuläre Erkrankungen ausgeweitet. Dabei wird durch klinische, molekulargenetische, immunhistochemische und zellbiologische Ansätze die Hypothese überprüft, ob RANKL und OPG gemeinsame Mediatoren von Osteoporose und Gefäßerkrankungen sind. Häufig lassen sich verkalkte Gefäße bereits auf einer Röntgenaufnahme (Bild rechts oben) erkennen. Bei der Mönckeberg-Mediasklerose sind kalzifizierte Areale in der Media (von Kossa-Färbung zur Darstellung von Kalziumhydroxylapatit) im Bild (links oben) schwarz angefärbt. In diesen Arealen ergaben sich auch Hinweise auf eine gesteigerte Expression des pro-apoptotischen Zytokins TRAIL und seines löslichen Rezeptorantagonisten OPG mit gesteigerter Apoptoserate in der Umgebung kalzifizierter Läsionen.

Bei der sogenannten heterotopen Ossifikation entsteht in der Gefäßwand regelrecht Knochengewebe (Bild links, 2. von oben) und es lassen sich dort Zellen anfärben, die normalerweise nur im Knochen anzutreffen sind. Beispielsweise können Osteoblasten anhand ihrer positiven roten Färbung für Osteokalzin nachgewiesen werden (Bild links, 3. von oben).

Auf der Suche nach den zugrundeliegenden Mechanismen haben wir Zellkulturen etabliert, in denen Gefäßmuskelzellen durch „Osteoblasten-freundliche“ Bedingungen zur Kalzifizierung gebracht werden, die in der Alizarin-Rotfärbung (Bild rechts Mitte) nachgewiesen wird. Aktuell untersuchen wir die Genexpression Kalzifizierungs-fördernder und –hemmender Zytokine in diesen Zellen mittels Northern Blot (Bild unten).

In klinisch-epidemiologischen Untersuchungen konnten wir erhöhte OPG-Serumspiegel bei Patienten mit koronarer Herzkrankung (KHK) nachweisen. Erste Befunde deuten ferner auf ein gesteigertes relatives Risiko eines bestimmten OPG-Genotyps (950TC/1181GC) für die koronare Herzerkrankung hin. Da bestimmte OPG-Genotypen auch mit dem Risiko osteoporotischer Frakturen assoziiert sind, könnte man eine gemeinsame genetische Basis für das gleichzeitige Vorkommen von skeletalen und kardiovaskulären Erkrankungen annehmen. Diese Hypothese wird derzeit in einem Kooperationsprojekt mit der Universität Graz (Prof. Dr. H. Dobnig) überprüft.

Auswahl von Arbeiten zu diesem Thema:

Soufi M, Schoppet M, Sattler AM, Herzum M, Maisch B, Hofbauer LC, Schaefer JR 2004 Osteoprotegerin gene polymorphisms in men with coronary artery disease. J Clin Endocrinol Metab 89: 3764-3768.

Schoppet M, Al-Fakhri N, Franke FE, Katz N, Barth PJ, Maisch B, Preissner KT, Hofbauer LC 2004 Localization of osteoprotegerin, TNF-related apoptosis-inducing ligand, and receptor activator of NF-kappaB ligand in Mönckeberg’s sclerosis and atherosclerosis. J Clin Endocrinol Metab 89: 4104-4112.

Schoppet M, Sattler AM, Herzum M, Maisch B, Schaefer JR, Hofbauer LC 2003 Increased osteoprotegerin serum levels in men with coronary artery disease. J Clin Endocrinol Metab 88: 1024-1028.

Hofbauer LC, Schoppet M 2001 Osteoprotegerin: a link between osteoporosis and arterial calcification? Lancet 358: 257-259.

Hofbauer LC, Schoppet M 2004 Clinical implications of the osteoprotegerin/RANKL/RANK system for bone and vascular diseases. JAMA 292: 490-495.

Hofbauer LC, Schrader J, Niebergall U, Viereck V, Burchert A, Hörsch D, Preissner KT, Schoppet M 2006 Interleukin-4 differentially regulates osteoprotegerin expression and induces calcification in vascular smooth muscle cells. Thromb Haemost 95: 708-714.

Schoppet M, Henser S, Ruppert V, Stübig T, Al-Fakhri N, Maisch B, Hofbauer LC 2007 Osteoprotegerin expression in dendritic cells increases with maturation and is NF-kappaB dependent. J Cell Biochem 100: 1430-1439.

Schrader J, Rennekamp W, Niebergall U, Schoppet M, Jahr H, Mengel MD, Hörsch D, Hofbauer LC 2007 Cytokine-induced osteoprotegerin expression protects pancreatic beta cells through p38 mitogen-activated kinase signaling against cell death. Diabetologia 50:1243-1247.

3. Neue biochemische Marker

(Kooperation mit Prof. H. Dobnig und Dr. C. Brück, Graz und anderen)

Nach der Entwicklung hochsensitiver Nachweisverfahren für löslichen RANKL und OPG durch die analytische Industrie (BIOMEDICA, Wien; Immundiagnostik, Bensheim) haben wir diese Assays in verschiedenen gut charakterisierten Kollektiven validiert und mit anderen biochemischen Markern verglichen. Dabei wurden verschiedene osteologische, rheumatologische, hämatologische, kardiovaskuläre und gastroenterologische Erkrankungen sowie gesunde Kollektive untersucht.

Im einzelnen wurden die sRANKL- und/oder OPG-Serumspiegel untersucht bei:

  • gesunden Männern
  • gesunden Frauen unter oraler Kontrazeption
  • Männer unter DHEA-Substitution
  • Männer mit koronarer Herzerkrankung
  • Patienten mit M. Crohn unter Glukokortikoidtherapie
  • Patienten mit multiplem Myelom
  • Patienten mit multipler Sklerose (OPG-Nachweis im Liquor)
  • Patienten mit M. Bechterew

Bei schwerer koronarer Herzerkrankung (KHK) waren die OPG-Serumspiegel erhöht und die sRANKL-Serumspiegel erniedrigt. Unter Einnahme der Pille lagen die OPG-Serumspiegel ebenfalls höher, nach Prednisolontherapie (bei M. Crohn) sowie bei M. Bechterew waren die OPG-Serumspiegel dagegen erniedrigt.

Die Einnahme oraler Kontrazeptiva mit Östrogen-Progesteron-Kombination ist mit einer Steigerung der OPG-Serumspiegel und der OPG/sRANKL-Quotienten assoziiert. Dies könnte zu den positiven Effekten oraler Kontrazeptiva auf den Knochenstoffwechsel beitragen. Analog zu den in vitro-Befunden führen Glukokortikoide bei systemischer Gabe dagegen auch in vivo zu einer Hemmung der OPG-Spiegel. Dies ist möglicherweise auf eine Beeinträchtigung der Osteoblastenfunktion zurückzuführen. Die verringerte Produktion von OPG könnte zum raschen Knochenverlust unter einer Glukokortikoidtherapie beitragen.

Auswahl von Arbeiten zu diesem Thema:

Hofbauer LC, Schoppet M, Schüller P, Viereck V, Christ M 2004 Effects of oral contraceptives on circulating osteoprotegerin and soluble RANKL ligand serum levels in healthy young women. Clin Endocrinol 60: 214-219.

Von Tirpitz C, Epp S, Klaus J, Mason R, Hawa G, Brinskelle-Schmal N, Hofbauer LC, Adler G, Kratzer W, Reinshagen M 2003 Effect of systemic glucocorticoid therapy on bone metabolism and the osteoprotegerin system in patients with active Crohn's disease. Eur J Gastroenterol Hepatol 15: 1165-1170.

Hofbauer LC, Schoppet M, Christ M, Teichmann J, Lange U 2006 Tumor necrosis factor-related apoptosis-inducing ligand and osteoprotegerin serum levels in psoriatic arthritis. Rheumatology 45: 1218-1222.

Dobnig H, Hofbauer LC, Viereck V, Obermayer-Pietsch B, Fahrleitner-Pammer A 2006 Changes in the RANK ligand/osteoprotegerin system are correlated to changes in bone mineral density in bisphosphonate-treated osteoporotic patients. Osteoporosis Int 17: 693-703.

Jacobs JW, de Nijs RN, Lems WF, Geusens PP, Laan RFJ, Huisman AM, Algra A, Buskens E, Hofbauer LC , Oostveen JCM, Bruyn GA, Dijkmans BA, Bijlsma JW 2007 Prevention of glucocorticoid-induced osteoporosis with alendronate or alfacalcidol: relations between change in bone mineral density, bone markers and calcium homeostasis. J Rheumatol 34:1051-1057.

4. Knochenstoffwechsel bei multiplem Myelom

(Kooperation mit PD Dr. O. Sezer, Berlin und Prof. Dr. A. Neubauer, Marburg)


Hofbauerforschung3.jpgSeit 2001 wurde in verschiedenen Kooperationen die Rolle des RANKL/OPG-Systems bei der Entstehung osteolytischer Läsionen im Rahmen des multiplen Myeloms charakterisiert. Osteolysen führen häufig zu pathologischen Frakturen, neurologischen Komplikationen (Querschnittsymptome) und chronischen Schmerzen und sind auf die lokale Zerstörung von Knochengewebe durch Tumor-Osteoklasten-Interaktionen zurückzuführen. Typischerweise sind diese Knochenläsionen am Schädelknochen als sogenannte „Schrotschussläsionen“ nachzuweisen (Bild oben).

In Kooperationsprojekten mit PD Dr. O. Sezer konnten wir zeigen, dass Myelomzellen, die von Patienten mittels FACS isoliert wurden, sowohl RANKL-mRNA als auch RANKL-Protein exprimieren und dadurch Osteoklasten direkt aktivieren können. Die RANKL-Expression war stärker bei Patienten mit Osteolysen und war positiv mit dem Ausmaß osteolytischer Läsionen korreliert. Außerdem zerstören Myelomzellen nach Bindung und Aufnahme über Syndecan-1 (CD138) aktives OPG, den Gegenspieler von RANKL. Über die Sekretion von Dickkopf-1 (DKK-1) wird zudem die Ausreifung von Osteoblasten gehemmt. Folge dieser gestörten Balance zwischen RANKL und OPG ist ein massiver Knochenverlust. Diese Mechanismen sind schematisch im Bild (unten) dargestellt.

Auf der Basis dieser Befunde wird derzeit ein monoklonaler RANKL-Antikörper (Denosumab) in einer Phase III-Studie bei Patienten mit multiplem Myelom klinisch evaluiert.

Auswahl von Arbeiten zu diesem Thema:

Heider U, Langelotz C, Jakob C, Zavrski I, Fleissner C, Eucker J, Possinger K, Hofbauer LC, Sezer O 2003 Expression of receptor activator of NF-kappaB ligand on bone marrow plasma cells correlates with osteolytic bone disease in patients with multiple myeloma. Clin Cancer Res 9: 1436-1440

Sezer O, Heider U, Zavrski I, Kühne CA, Hofbauer LC 2003 RANK ligand and osteoprotegerin in myeloma bone disease. Blood 101: 2094-2098.

Heider U, Zavrski I, Jakob C, Bangeroth K, Fleissner C, Langelotz C, Possinger K, Hofbauer LC, Viereck V, Sezer O 2004 Expression of receptor activator of NF-kappaB ligand (RANKL) mRNA in human multiple myeloma cells. J Cancer Res Clin Oncol 130: 469-474.

Zojer n, Brenner K, Beke D, Kudlacek S, Hawa G, Woloszczuk W, Hofbauer LC, Pecherstorfer M 2005 Bisphosphonate treatment does not affect serum levels of osteoprotegerin and RANKL in hypercalcemic cancer patients. Anticancer Res 25: 3607-3612.

5. Genexpression bei Schilddrüsenkarzinom und Phäochromozytom

(Kooperation mit Prof Dr. A. Zielke und Dr. S. Hoffmann, Marburg)

Hofbauerforschung4.jpgEinen ersten Schwerpunkt stellt das RANKL/OPG-System in der Schilddrüse dar. Im direkten Vergleich verschiedener gesunder endokriner Organe wird OPG in der Schilddrüse mit Abstand am höchsten exprimiert (Bild rechts oben, thyroid). Auch in Schilddrüsengewebe von Patienten, die sich einer Operation unterzogen, ist OPG nachweisbar (Bild rechts unten), wobei vor allem Patienten mit Immunthyreopathie vom Typ Morbus Basedow (Graves’ disease, GD) eine besonders starke OPG-Genexpression aufwiesen. Auf der Suche nach einer möglichen Funktion von OPG innerhalb der Schilddrüse haben wir Antigen-präsentierende dendritische Zellen (DC) untersucht, die sich unter geeigneten Bedingungen in der Zellkultur entwickeln und sich durch die Expression von Oberflächenmarkern (CD40) sowie die Fähigkeit der Cluster (Haufen)-Bildung auszeichnen (Bild links unten). Durch von den Schilddrüsenzellen gebildetes OPG lässt sich diese Clusterbildung dagegen verhindern (Bild links oben).

Einen weiteren Forschungsschwerpunkt stellen Arbeiten zur Pathophysiologie maligner Schilddrüsenerkrankungen dar. Dabei stehen vor allem, Angiogeneseprozesse sowie Redifferenzierungsstrategien im Vordergrund. In der Kooperation mit Dr. S. Hoffmann und Prof. Dr. A. Zielke (Allgemeinchirurgie) werden klassisch endokrinologische, tumorbiologische und tierexperimentelle Ansätze (Xenograft-Modelle) kombiniert eingesetzt. Die verschiedenen aktuellen Einzelprojekte untersuchen die Rolle des TSH-Rezeptors auf das biologische Verhalten der Tumoren, die Bedeutung von VEGF (und der parakrinen Regulatoren von VEGF) im Rahmen der Tumorangiogenese von Schilddrüsenkarzinomen (und Phäochromozytomen) sowie die Möglichkeit einer Redifferenzierung anaplastischer Schilddrüsenkarzinomen durch Retinolsäure. Auf diese Weise sollen neue Therapiestrategien bei inoperablen Schilddrüsentumoren entwickelt werden.

Auswahl von Arbeiten zu diesem Thema:

Hoffmann S, Hofbauer LC, Scharrenbach V, Wunderlich A, Hassan I, Lingelbach S, Zielke A 2004 Thyrotropin (TSH)-induced production of vascular endothelial growth factor in thyroid cancer cells in vitro: evaluation of TSH-signal transduction and of angiogenesis-stimulating growth factors. J Clin Endocrinol Metab 89: 6139-6145.

Hoffmann S, Wunderlich A, Celik I, Maschuw K, Hassan I, Hofbauer LC, Zielke A 2006 Paneling human thyroid cancer cell lines for candidate proteins for targeted anti-angiogenetic therapy. J Cell Biochem 98: 954-965.

Hoffmann S, Maschuw K, Hassan I, Wunderlich A, Lingelbach S, Ramaswamy A, Hofbauer LC, Zielke A 2006 Functional thyrotropin receptor attenuates malignant phenotype of follicular thyroid cancer cells. Endocrine 30: 129-138.

Hoffmann S, Rockenstein A, Ramaswamy A, Celik I, Wunderlich A, Lingelbach S, Hofbauer LC, Zielke A 2007 Retinoic acid inhibits angiogenesis and tumor growth of thyroid cancer cells. Mol Cell Endocrinol 29: 74-81.

BMI-Rechner
BMI Berechnen