Die Rolle des Neuropeptids Calcitonin Gene-Related Peptide alpha in der molekularen Interaktion zwischen Gehirn, Fett- und Knochenstoffwechsel

Abstract

Background: Bone and energy metabolism have an endocrine influence on each other and are both influenced by the central nervous system (CNS). A CNS mediator that influences both migraine pathophysiology and bone and energy metabolism is the neuropeptide calcitonin gene-related peptide α (α-CGRP). Pharmacological CGRP-antagonism is increasingly used clinically for migraine therapy and prophylaxis, however, the effects of longer-term use on bone and energy metabolism remain unclear. Furthermore, there is a lack of mechanistic studies on the role of osteoanabolic α-CGRP in bone healing. Therefore, in a murine model of foodinduced obesity, this study will analyze the consequences of long-term CGRP receptor inhibition on the development of relevant parameters of the metabolic syndrome and bone metabolism. Methods: Subcutaneous pellets containing the CGRP-receptor inhibitor olcegepant or vehicle were randomly implanted into 20 female, 12-week-old mice after eight weeks of high fat diet (HFD). HFD was continued for eight weeks thereafter. Weekly weighing and oral glucose tolerance tests (oGTT) were performed after four and eight weeks of CGRP receptor inhibition. Samples of bone, serum, immunologically and metabolically active tissues were collected after the end of the trial for laboratory, chemical, histomorphometric and molecular biological analyses. Results: Long-term pharmacological CGRP receptor inhibition under HFD did not result in significant changes in addressed metabolic parameters compared to control, apart from increased gene expression of pro-inflammatory mediators in the liver and a trend towards improved oral glucose tolerance after eight weeks. Femoral and lumbar bone histomorphometry showed an osteopenic bone aspect with reduced bone formation parameters in bone histomorphometry as well as in serum with unchanged bone resorption parameters. Discussion: Pharmacological CGRP receptor inhibition resulted in a reduction of bone quality accompanied by a reduction of bone formation parameters in the above-mentioned model. Furthermore, our group investigated the role of CGRP in bone healing using a femoral osteotomy model in the murine α-Cgrp knockout. The α-Cgrp knockout model showed significantly worsened bone healing with a high proportion of pseudarthrosis compared to the wild-type. As CGRP receptor inhibition is increasingly used clinically for migraine therapy, subsequent studies should address bone health and bone healing under this therapy. CGRP and its receptor represent potential targets for osteoanabolic therapies in bone healing.

Hintergrund: Knochen- und Energiestoffwechsel beeinflussen einander endokrin und unterliegen beide dem Einfluss des zentralen Nervensystems (ZNS). Ein Mediator des ZNS, der die Pathophysiologie der Migräne beeinflusst, im Skelettsystem die Aktivität der knochenbildenden Osteoblasten stimuliert und sich auch nachhaltig auf den Energiestoffwechsel auswirkt, ist das von Nervenenden ausgeschüttete Neuropeptid Calcitonin gene-related peptide alpha (α-CGRP). Der pharmakologische CGRP-Antagonismus wird zunehmend zur Migränetherapie und -prophylaxe klinisch eingesetzt, allerdings sind die Auswirkungen einer längerfristigen Anwendung auf Knochen- und Energiestoffwechsel unklar. Darüber hinaus fehlen bisher mechanistische Studien darüber, inwiefern α-CGRP die Knochenheilung reguliert. In einem murinen Modell der nahrungsinduzierten Adipositas sollen daher im Rahmen der Arbeit die Folgen einer längerfristigen CGRP-Rezeptorinhibition auf die Entwicklung relevanter Parameter des Metabolischen Syndroms und des Knochenstoffwechsels analysiert werden. Methodik: Pellets mit dem CGRP-Rezeptorinhibitor Olcegepant oder Kontrollpellets wurden randomisiert 20 weiblichen, 12 Wochen alten Mäusen nach acht Wochen Diät mit hohem Fettanteil (HFD) subkutan implantiert. Die HFD wurde hiernach acht Wochen fortgeführt. Es erfolgten wöchentliche Gewichtskontrollen und orale Glukosetoleranztests (oGTT) nach vier und acht Wochen CGRP-Rezeptorinhibition. Anschließend erfolgte die Probenasservation von Knochen, Serum und immunologisch und metabolisch aktiven Geweben mit anschließender laborchemischer, histomorphometrischer sowie molekularbiologischer Analyse. Ergebnisse: Die längerfristige, pharmakologische CGRP-Rezeptorinhibition unter HFD führte, abgesehen von einer erhöhten Genexpression pro-inflammatorischer Mediatoren in der Leber und einer tendenziell verbesserten oralen Glukosetoleranz nach acht Wochen, zu keinen signifikanten Veränderungen der adressierten metabolischen Parameter im Vergleich zur Kontrolle. Femoral und lumbal zeigte sich nach der Behandlung mit Olcegepant histomorphometrisch und laborchemisch ein osteopener Knochenaspekt mit reduzierten Knochenformationsparametern bei unveränderten Knochenresorptionsparametern. Diskussion: Die pharmakologische CGRP-Rezeptorinhibition führte im o.g. Modell zu einer Reduktion der Knochenqualität einhergehend mit einer Reduktion der Knochenformationsparameter. In weiteren Untersuchungen unserer Arbeitsgruppe im murinen Femurosteotomiemodell im α-Cgrp-Defizienzmodell zeigte eine signifikant verschlechterte Knochenheilung mit hohem Pseudarthrosenanteil im Vergleich zum Wildtyp. Da die CGRPRezeptorinhibition klinisch zunehmend zur Migränetherapie angewandt wird, sollten folgende Studien die Knochengesundheit und Knochenheilung unter dieser Therapie adressieren. α- CGRP und sein Rezeptor stellen potentielle Zielstrukturen für osteoanabole Therapien zur Augmentation der Knochenheilung dar.