Medizin am Abend Berlin Fazit: Neue Therapiemöglichkeit für Marmorknochenkrankheit
Die Marmorknochenkrankheit (Osteopetrose) ist eine meist genetisch
bedingte Krankheit, die durch das Fehlen oder die Unterfunktion von
knochenabbauenden Zellen (Osteoklasten) verursacht wird.
Dadurch kommt
es zu erheblichen Störungen der Knochenstruktur und mechanischen
Stabilität.
Eine Knochenmarktransplantation ist die derzeit einzige
Behandlungsmöglichkeit, die aber oft nur partiell erfolgreich ist.
Forscher des Leibniz-Instituts für Alternsforschung (FLI) in Jena haben
jetzt im Mausmodell entdeckt, dass Osteoklasten einen anderen zellulären
Ursprung haben als bisher angenommen.
Damit eröffnen sich neue
therapeutische Optionen zur Osteopetrose-Behandlung.
Bei der Marmorknochenkrankheit (Osteopetrose) wird durch fehlerhafte
knochenabbauende Zellen (Osteoklasten) stetig Knochengewebe angehäuft
(r.), so dass die Mikroarchitektur des Knochens gestört ist. (Quelle: Gruppe Waskow / FLI)
Die
Osteopetrose, auch Marmorknochenkrankheit genannt, ist
eine meist genetisch bedingte Krankheit, die durch das Fehlen oder die
Unterfunktion von knochenabbauenden Zellen, den Osteoklasten, verursacht
wird.
- Durch die stetige Anhäufung von Knochengewebe wird die
Mikroarchitektur des Knochens gestört und die mechanische Stabilität
gemindert.
- Trotz der erheblichen Vermehrung von Knochenmasse neigen die
Patienten häufig zu Knochenbrüchen, die oft nur schwer verheilen.
- Darüber hinaus können schwere Knochen- und Gesichtsdeformationen,
Zahnlosigkeit und Blindheit auftreten.
Osteoklasten sind Zellen, die direkt am Knochen anliegen und für den
kontinuierlich stattfindenden Knochenabbau verantwortlich sind. Fehlen
Osteoklasten oder sind sie defekt, dann wird keine Knochenmatrix mehr
abgebaut.
Es kommt zur Knochenverdickung und zum Fehlen von
Knochenaussparungen, die aber wichtig sind für z.B. den Durchbruch von
Zähnen, die direkte Verbindung zwischen den Augen und dem Gehirn über
den Sehnerv, und auch für die Blutstammzellen, die im Knochenmark
ansiedeln und lebenslang für die Blutbildung verantwortlich sind.
Deshalb ist das Krankheitsbild der Marmorknochenkrankheit sehr divers.
-
Die Behandlungsmethode der Wahl ist die Bereitstellung von normalen
Blutstammzellen aus gesunden Patienten über eine
Knochenmarktransplantation.
Jedoch sind die Nebeneffekte einer
Transplantation oft sehr schwerwiegend und die Erfolgsaussichten mit
40-60% relativ gering.
Alternative Behandlungsmethoden sind daher
wünschenswert. Bisher ging man davon aus, dass durch
eine
Knochenmarktransplantation neue blutbildende Stammzellen zur Verfügung
gestellt werden, aus denen sich gesunde Osteoklasten entwickeln können.
Forscher konnten nun aber nachweisen, dass die Osteoklasten in
Wirklichkeit einen ganz anderen Ursprung haben.
Forschern um Prof. Dr. Claudia Waskow, Seniorgruppenleiterin am Jenaer
Leibniz-Institut für Alternsforschung und der Technischen Universität
Dresden sowie Professorin an der Friedrich-Schiller-Universität Jena,
gelang es in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern vom Memorial Sloan
Kettering Institute in New York, USA, im Mausmodell zu zeigen, dass
Osteoklasten einen anderen Ursprung haben, als bisher angenommen. Sie
nutzten dieses Wissen, um eine neue therapeutische Methode zur
Prävention bzw. Behandlung der Marmorknochenkrankeit in der Maus
erfolgreich zu testen. Die Ergebnisse sind jetzt in der Fachzeitschrift
Nature erschienen.
Osteoklasten werden im Embryo gebildet und bleiben lebenslang erhalten
„Wir fanden heraus, dass die Osteoklasten sich nicht aus den
blutbildenden Stammzellen im erwachsenen Tier bilden,
sondern bereits im
Embryo gebildet werden“, berichtet die Biologin und Alternsforscherin.
„Sie entwickeln sich aus
Erythro-Myeloiden-Vorläuferzellen, einem
Stammzelltyp, der nur während einer kurzen Zeitspanne existiert und
aktiv ist“.
In dieser Entwicklungsphase bilden sich neben den
Osteoklasten noch weitere Fresszelltypen, die ebenfalls lebenslang in
den Geweben verbleiben und deren Funktion zurzeit intensiv erforscht
wird.
Die Osteoklasten wandern in die Knochenanlagen ein, die zu diesem
Zeitpunkt noch sehr weich sind, und fangen an, Knochensubstanz
abzubauen. Das führt zur Entstehung von Knochenmarkhöhlen.
Osteoklasten halten sich mit Hilfe jüngerer Zellen fit
Das Forscherteam um Prof. Waskow konnte weiterhin zeigen, wie sich
Osteoklasten jung halten.
- Dafür fusionieren die Osteoklasten im
Erwachsenenalter mit speziellen Blutzellen, den Monozyten.
Durch diese
Verbindung wird der Zellkern des jungen Monozyten dem bereits
bestehenden Osteoklasten hinzugefügt; der
Kern der jungen
Monozyten-Zelle bleibt in der älteren Empfängerzelle aktiv.
„Wir konnten
diesen Transfer durch spezielle Färbungsexperimente im Mausmodell
bestätigen, indem sich nur die Osteoklasten farblich veränderten“,
erklärt Prof. Waskow. Die Experimente wiesen nach, dass das genetische
Material des Spenderzellkerns in den Empfängerzellen, den Osteoklasten,
weiterhin aktiv war.
Den Forschern gelang darüber hinaus der Nachweis, dass sich
mit Hilfe
des Transfers von Monozyten aus gesunden Spendertieren in ein an
Marmorknochenkrankheit-leidendes Tier die Osteopetrose verbessern lässt.
“Unsere Experimente könnten die Grundlage für eine neue
Behandlungsstrategie für Patienten darstellen, die dann nicht mehr den
schweren Nebenwirkungen einer Knochenmarktransplantation ausgesetzt
wären und bessere Heilungschancen hätten,“ prognostiziert Prof. Waskow
die Studienergebnisse.
Publikation
Christian E. Jacome-Galarza, Gulce I. Percin, James T. Muller, Elvira
Mass, Tomi Lazarov, Jiri Eitler, Martina Rauner, Vijay K. Yadav, Lucile
Crozet, Mathieu Bohm, Pierre-Louis Loyher, Gerard Karsenty, Claudia
Waskow, Frederic Geissmann. Developmental origin, functional
maintenance, and genetic rescue of osteoclasts. Nature (2019).
DOI:
https://doi.org/10.1038/s41586-019-1105-7.
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Originalpublikation:
Christian E. Jacome-Galarza,
Gulce I. Percin, James T. Muller, Elvira Mass, Tomi Lazarov, Jiri
Eitler, Martina Rauner, Vijay K. Yadav, Lucile Crozet, Mathieu Bohm,
Pierre-Louis Loyher, Gerard Karsenty, Claudia Waskow, Frederic
Geissmann. Developmental origin, functional maintenance, and genetic
rescue of osteoclasts. Nature (2019).
DOI:
https://doi.org/10.1038/s41586-019-1105-7.
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Medizin am Abend Berlin Fazit: Deutsche, Israelis und Palästinenser wollen gemeinsam die Marmorknochenkrankheit besiegen
In einem trilateralen Projekt wollen deutsche, israelische und
palästinensische Wissenschaftler die Marmorknochenkrankheit
(Osteopetrose) erforschen.
- Diese eigentlich seltene Erbkrankheit kommt
in palästinensischen Großfamilien auffällig häufig vor.
Im Zuge des
Forschungsprojekts ist es den Wissenschaftlern um Prof. Jan Tuckermann
von der Universität Ulm nicht nur gelungen, die Stammbäume betroffener
Familien zu rekonstruieren.
Sie haben zudem wichtige molekulare
Grundlagen der Osteopetrose aufgedeckt.
Der politisch angespannten Lage
zum Trotz arbeiten die Forschenden hervorragend zusammen: Kinder mit der
lebensbedrohlichen Krankheit werden in israelischen Krankenhäusern
behandelt.
Oben: Oberschenkel-CT einer gesunden Maus und eines
Osteopetrose-Mausmodells (rechts). Unten: Eingefärbte
Oberschenkel-Schnitte einer gesunden Maus und eines Osteopetrose-Modells
(rechts) Abbildung: Merle Stein
Die „Marmorknochenkrankheit“ (Osteopetrose) ist eine Erberkrankung
mit schweren Folgen: Durch eine Störung beim Knochenabbau und einer
dementsprechend erhöhten Knochendichte ist das Wachstum betroffener
Kinder gehemmt. Darüber hinaus kann eine Schädigung der Hirn- und
Sehnerven zu geistigen Defiziten und zur Erblindung führen. Eigentlich
gilt die Osteopetrose als seltene Erkrankung, doch bei palästinensischen
Großfamilien tritt sie auffällig häufig auf. Um die Ursachen dieser
Erbkrankheit zu ergründen und neue Therapieansätze zu entwickeln,
bündeln deutsche, israelische und palästinensische Forschende ihre
Kompetenzen. Ihre Forschungsergebnisse kommen nicht nur von Osteopetrose
betroffenen Familien in den Palästinensergebieten zugute, sie
könnten
auch zu einem tieferen Verständnis der Volkskrankheit Osteoporose
(„Knochenschwund“) führen. Nun hat die Deutsche Forschungsgemeinschaft
(DFG) eine Weiterförderung des trilateralen Projekts bis 2022 mit rund
570 000 Euro beschlossen.
Ein ausgeglichener Knochenauf- und -abbau ist die Grundlage eines
gesunden Skeletts.
Bei häufigen Erkrankungen wie Osteoporose oder bei
der seltene Marmorknochenkrankheit (Osteopetrose) ist diese Balance
gestört. Wird die Erbkrankheit Osteopetrose frühzeitig erkannt, können
betroffene Kinder durch eine Knochenmarktransplantation geheilt werden –
doch diese Behandlung ist riskant. Jetzt wurde bei
Osteopetrose-Patienten aus den besonders betroffenen
Palästinensergebieten eine Erbgutveränderung entdeckt, die der Schlüssel
zu alternativen Therapieansätzen sein könnte. Dieser Erbgutveränderung
geht eine internationale Forschergruppe um den Ulmer Biologen Professor
Jan Tuckermann auf den Grund – insbesondere mithilfe von genetischen und
zellbiologischen Methoden. In ihrem trilateralen Forschungsprojekt
arbeiten die Naturwissenschaftler der federführenden Universität Ulm eng
mit dem renommierten israelischen Weizmann-Institut sowie mit der
Bethlehem University (Palästinensische Autonomiegebiete) zusammen.
Als erster Erfolg ist es den Forschenden gelungen, die Stammbäume von
Trägern der Erbgutveränderung zu rekonstruieren und zu erweitern:
Es
handelt sich um zwei palästinensische Großfamilien, in denen oftmals
arrangierte Eheschließungen unter Cousinen und Cousins zu einer
Verbreitung der mit Osteopetrose verbundenen Mutation geführt haben.
„Aufgrund unserer Ergebnisse konnten wir eine Aufklärungskampagne
anstoßen. Zudem soll im Heimatdorf der betroffenen Familien eine
Außenstelle des Krankenhauses in Hebron aufgebaut werden“, berichtete
der palästinensische Wissenschaftler Professor Moien Kanaan.
Und auch den molekularen Ursachen der Marmorknochenkrankheit sind die
Forschenden auf der Spur: Ausgehend von der neu entdeckten Mutation
haben die israelischen Kooperationspartner um Professor Ari Elson die
Osteopetrose in Mausmodellen simuliert. So können die Forschenden die
Auswirkung der Erbgutveränderung bis auf die molekulare Ebene ergründen.
„Als Ursache der Osteopetrose hatten wir mit einer fehlerhaften Bildung
der knochenabbauenden Zellen, der so genannten Osteoklasten, gerechnet.
Doch im Modell haben wir einen ganz anderen Mechanismus entdeckt:
Tatsächlich vereinigen sich Vorläuferzellen aus dem blutbildenden System
zu gigantischen Osteoklasten. Eine ,Bremse‘, die den Fusionsprozess
stoppt, greift hier nicht“, erklärt Professor Jan Tuckermann.
Die
Bildung dieser Riesenzellen könnte also Krankheitsursache und
therapeutischer Ansatzpunkt sein. Wie beim menschlichen Patienten
bessern sich die Symptome der Osteopetrose im Mausmodell nach einer
Knochenmarktransplantation: Die Größe der „Riesenzellen“ normalisiert
sich und auch die Anzahl knochenaufbauender Zellen (Osteoblasten) steigt
wieder an. Im Modell hatten die Forschenden nämlich weiterhin eine
Abnahme der Osteoblasten beobachtet – womöglich durch eine fehlerhafte
Informationsübertragung zwischen knochenabbauenden und
knochenaufbauenden Zellen.
Würde es gelingen, bei der Osteoklastenfusion die molekulare Bremse
anzuziehen und somit die Bildung von Riesenzellen zu verhindern, könnte
das Fortschreiten der Marmorknochenkrankheit gestoppt werden. Von dieser
Erkenntnis würden nicht nur von Osteopetrose betroffene
palästinensische Familien profitieren. Auch bei der Volkskrankheit
Osteoporose, bei der zu viel Knochen abgebaut wird, scheint die
molekulare Bremse eine Rolle zu spielen. Somit könnte ein tieferes
Verständnis einer seltenen Erbkrankheit (Häufigkeit ca. 1:200 000) rund
acht Millionen Osteoporose-Patienten alleine in Deutschland
zugutekommen.
Das Forschungsprojekt wird als „Trilaterale Fernost-Kooperation“ seit
2016 von der Deutschen Forschungsgemeinschaft mit insgesamt rund 1,5
Millionen Euro gefördert und hat in mehreren Ländern zur Gründung neuer
Osteopetrose-Konsortien beigetragen – in Europa unter Beteiligung der
Professoren Jan Tuckermann und Ansgar Schulz von der Ulmer
Universitätsklinik für Kinder- und Jugendmedizin.
„Allen politischen Widrigkeiten zum Trotz, arbeiten die deutschen,
israelischen und palästinensischen Forschenden hervorragend im Projekt
zusammen. Palästinensische Kinder mit Osteopetrose werden seit jeher in
israelischen Krankenhäusern behandelt“, resümiert Professor Tuckermann.
Prof. Jan Tuckermann, Leiter des Instituts für Molekulare
Endokrinologie der Tiere, forscht mit israelischen und palästinensischen
Wissenschaftlern zur Erbkrankheit Osteopetrose
Foto: Eberhardt/Uni Ulm
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