Einfluss der Skelettreifung auf die Knochenmasse und adaptive Knochenantwort bei mechanischer Belastung in Sost KO/ Sclerostin-defizienten Mäusen

Abstract

Introduction Understanding bone’s mechanoresponsivness is a crucial step for the treatment of bone disorders like osteoporosis. Recently Sclerostin, a product of the Sost gene, has been identified as an important inhibitor of the bones mass stimulating Wnt/β-Catenin-pathway. Therefore Sclerostin-downregulation was thought to be a mandatory step in bone’s mechanoresponsivness, but it has been shown in female, young mice that mechanoresponsivness can also occur via Sclerostin-independent pathways in long-term Sclerostin-deficient individuals. However, there are differing results how the bone’s adaptive response to mechanical loading is being altered under Sclerostin-defi- ciency. It is also a known fact, that in wildtype mice the mechanoresponsivness is reduced with skeletal maturation. However, there is little knowledge about the effects of skeletal maturation on the bone’s morphology and mechanoresponsivness in long-term Sclerostin-deficient individuals. But this is important knowledge, as there are currently Sclerostin-antibodies in clinical testing as treatment options against osteoporosis. Therefore this study determines the influence of age on the bone’s morphology and mechanoresponsivness in the trabecular and cortical bone compartment of young and skeletal mature female wildtype and Sost KO mice. Methods 10 and 26 week old female Sost KO and breeding littermate mice were subjected to two weeks of strain matched in vivo axial-compressive loading of the left tibia (+900με at the tibial midshaft, determined by strain gauging). The right tibia served as internal control. Static and dynamic trabecular and cortical bone parameters were assessed with microCT at day 0, 5, 10 and 15 and dynamic histomorphometry (between day 3 and 12). Results Sost KO/ Sclerostin-deficient mice have a higher cortical and trabecular bone mass and higher bone mass gains during skeletal maturation then littermate mice. Sost KO mice of both ages had a higher adaptive response to loading in the cortical compartment. For the trabecular compartment, this was only true for young individuals. Skeletal maturation reduced the mechanoresponsivness in both genotypes and in both compartments. This was especially detectable in Sost KO mice, as littermate mice overall showed only a small reaction to loading. Discussion This study confirms that Sclerostin-downregulation is not mandatory for the bone’s adaptive response in young mice and shows, that this is also true for skeletal mature mice. Furthermore this mechanoresponsivness is enhanced in Sost KO mice and reduced with age. These findings suggest that treatment strategies which include (long-term) Sclerostin-inhibition and additional exercise should consider changes in the bone’s mechanoresponsiveness that occur at skeletal maturation.

Einleitung Die adaptive Knochenantwort auf mechanische Belastung zu verstehen ist ein wichtiger Schritt um ossäre Erkrankungen wie z.B. Osteoporose therapieren zu können. Kürzlich wurde mit dem Hormon Sclerostin, dem Produkt des Sost Gens, ein wichtiger Inhibitor des knochenanabolen Wnt/β- Catenin-Signalwegs identifiziert. Daher wurde angenommen, dass die Herabregulation von Sclerostin ein notwendiger Schritt für die Mechanosensibilität des Knochens ist. Es konnte jedoch in weiblichen, jungen, langzeit-Sclerostin-defizienten Mäusen gezeigt werden, dass die adaptive Knochenantwort auch über Sclerostin-unabhängige Signalwege auftritt. Es existieren jedoch unterschiedliche Ergebnisse wie Sclerostin-Defizienz die adaptive Knochenantwort auf mechanische Belastung verändert. Weiterhin ist bekannt, dass die Mechanosensibilität in Wildtyp-Mäusen mit zunehmendem Skelettalter abnimmt. Insgesamt gibt es bisher nur wenige Erkenntnisse hinsichtlich des Effektes der skeletalen Reifung mit zunehmendem Alter auf die Knochenmorphologie und Mechanosensibilität in langzeit-Sclerostin-defizienten Individuen. Diese Erkenntnisse sind jedoch notwendig, da sich Sclerostin-Antikörper aktuell in der klinischen Testphase als Behandlungsoption gegen Osteoporose befinden. Daher wurde in dieser Arbeit der Effekt des Alters auf die Knochenmorphologie und Mechanosensibilität im kortikalen und trabekulären Kompartiment in weiblichen, jungen und adulten Sost KO und Wildtyp-Mäusen untersucht. Methodik 10 und 26 Wochen alte, weibliche Sost KO und Wildtyp-Wurfgeschwister wurden zwei Wochen lang einer dehnungskalibrierten, axial-kompressiven Belastung der linken Tibia ausgesetzt (+900με am tibialen Mittelschaft, durch Dehnungs-Kalibrierungs-Experimente bestimmt). Die rechte Tibia wurde als interne Kontrolle genutzt. Die statischen und dynamischen Knochenparameter der Spongiosa und Kortikalis wurden mittels microCT an Tag 0, 5, 10 und 15 sowie dynamischer Histomorphometrie (zwischen Tag 3 und 12) untersucht. Ergebnisse Sost KO/ Sclerostin-defiziente Mäuse haben eine größere kortikale und trabekuläre Knochenmasse und höhere Knochenmassenzuwächse während der skeletalen Reifung als Wildtyp-Wurfgeschwister. Sost KO Mäuse beider Altersgruppen hatten eine erhöhte adaptive Knochenantwort im kortikalen Kompartiment. Im trabekulären Kompartiment war dies nur in jungen Mäusen der Fall. Die skeletale Reifung reduzierte die Mechanosensibilität in beiden Genotypen und Kompartimenten. Dies ließ sich im Speziellen in den Sost KO Mäusen nachweisen, da die Kontrolltiere insgesamt nur eine schwache Reaktion auf die mechanische Belastung zeigten. Diskussion Diese Arbeit bestätigt, dass für die adaptive anabole Reaktion des Knochens auf mechanische Belastung die Herabregulation von Sclerostin in jungen Mäusen nicht zwingend notwendig ist. Neu ist die Erkenntnis, dass dies auch für adulte Tiere gilt. Weiterhin nimmt diese, gegenüber den gleichaltrigen Wildtypen sogar erhöhte, Mechanosensibilität mit dem Alter ab. Diese Ergebnisse legen nahe, dass Behandlungsoptionen welche eine (Langzeit-)Sclerostin-Suppression und zusätzliche körperliche Übungen beinhalten, altersabhängige Veränderungen der Mechanosensibilität des Knochens berücksichtigen sollten.