Nowadays, an increasing demand for sophisticated regenerative therapies is experienced, due to the globally prolonged life expectancy. Bone is an interesting model to study regenerative processes as it can regenerate without scar formation even in adults. Therefore, successful bone regeneration and its well-composed interaction of cellular and molecular processes acts as a blueprint for tissue regeneration. Evidence from experimental and clinical studies showed that especially early inflammatory responses shape fracture healing outcome. It is now appreciated that cellular metabolism determines immune as well as stromal cell functionalities and phenotypes. As bone regeneration is a highly energy consuming process, sufficient nutritional supply and cellular energy demands are hypothesized to be key aspects to effective healing. Specifically, the local metabolic microenvironment may affect cell communication, thus influencing the inflammatory response during bone repair. However little, attention has so far been given to the metabolic supply following bone injury and to which extent metabolism and metabolic signaling impact bone healing. This work gives novel insights into the crosstalk of metabolism, inflammation and cellular communication during the onset of bone regeneration. Application of mass spectrometric methods allowed untargeted metabolic and proteomic profiling of an in vivo rat femoral osteotomy healing model. Comparing successful versus impaired bone healing revealed differences in the quantity of metabolites and metabolic enzymes of the central carbon metabolism. Interestingly, successful healing showed a stronger increase in signaling molecules and biosynthetic precursor molecules originating from glycolysis (lactate) and the TCA cycle (α-ketoglutarate, succinate) during the first days of bone fracture repair. This was accompanied by resolution of inflammation, up-regulation of mitochondrial proteins for ATP synthesis (oxidative metabolism), tissue revascularization and tissue remodeling. Succinate, an intermediate of the TCA cycle, associated with auto- and paracrine signaling properties and increased at day 7 during successful healing, gained special interest during this work. Succinate effectively influenced human macrophage cytokine transcription and enhanced the osteogenic differentiation potential of primary mesenchymal stromal cells in vitro. While this work gives first insights into the metabolic regulation during early bone regeneration, it remains to be investigated whether succinate can also positively influence bone regeneration in vivo and which cells specifically mediate and participate in metabolic signaling during the healing process.
Die weltweit ansteigende Lebenserwartung sorgt für einen kontinuierlich steigenden Bedarf an hoch entwickelten regenerativen Therapien. Ein interessantes Studienmodel stellen insbesondere Knochen dar, aufgrund ihrer besonderen Eigenschaft der fehlenden Narbenbildung selbst im Erwachsenenalter. Die Erforschung des perfekt abgestimmten Zusammenspiels aus zellulären und molekularen Prozessen während der erfolgreichen Knochengeneration ermöglicht unter Umständen die Erstellung eines allgemein gültigen Bauplanes für Gewebsregeneration. Bisherige Forschungsergebnisse zeigten, dass vor allem die frühe inflammatorische Phase den Prozess der Knochenheilung stark beeinflusst. Neueste Erkenntnisse legen nahe, dass der Energiestoffwechsel die Funktionalität und den Phänotyp von Immun- und Stromazellen bestimmt. Die Schritte der Knochenregeneration sind mit einem hohen Energieumsatz verbunden. Demzufolge ist es wahrscheinlich, dass die Versorgung mit Nährstoffen und der zelluläre Energiebedarf wichtige Aspekte darstellen. Insbesondere die lokale metabolische Mikroumgebung könnte Einfluss auf die Zell-zu-Zellkommunikation ausüben und somit die Knochenheilung beeinflussen. Bisher wurden der metabolischen Homöostase, deren Veränderung aufgrund einer Verletzung und Einfluss auf den Knochenheilungsprozess nur geringfügig Aufmerksamkeit gewidmet. Die vorliegende Arbeit beschreibt neue Erkenntnisse über den Zusammenhang zwischen Knochengeneration, Stoffwechsel und zellulärer Kommunikation. Die Anwendung massenspektrometrische Methoden ermöglichte das Profiling des Metaboloms und Proteoms von Frakturgewegen eines in vivo Rattenfemurosteotomiemodeles. Der Vergleich von erfolgreich und beeinträchtigt heilender Frakturen ergab quantitative Unterschiede in den Stoffwechselprodukten und Enzymen des zentralen Kohlenstoffwechsels. Untersuchungen zeigten einen stärkeren Anstieg von biosynthetischen Vorläufer- und Signalmolekülen aus der Glykolyse (Laktat) und dem Citratzyklus (α-Ketoglutarat, Succinat) in der frühen Phase der erfolgreichen Knochenheilung. Damit einhergehend wurden die Verminderung der Entzündung, der Anstieg von mitochondrialen Proteinen der ATP Synthese sowie die Revaskularisierung des Frakturkallus und Gewebsumbau festgestellt. Ein besonderes Augenmerk stellten die erhöhten Succinat-Werte dar, welche in der frühen Heilungsphase erfolgreich heilender Frakturen gemessen wurden. Aktuelle Literatur beschreibt auto-und parakrinen Eigenschaften dieses Stoffwechselintermediates. In anschließenden in vitro Experimente wurde gezeigt, dass die Zugabe von extrazellulärem Succinat sowohl die Transkiption von Zytokinen in humanen Makrophagen, als auch das osteogene Differenzierungspotenzial von humanen, primären mesenchymalen Stromazellen beeinflusst. Die Untersuchung der Wirkungsweise in der in vivo Knochenregeneration ist der nächstlogische Schritt und sollte in folgenden Arbeiten untersucht werden. Des Weiteren verbleibt zu klären, welche Zelltypen insbesondere durch den Stoffwechsel und dessen Signale während der Frakturheilung beeinflusst werden.
