Mesenchymale Stammzellen: Calciumsensitiver Rezeptor steuert die Knochenbildung

Überdosis Calcium lässt neues Knochengewebe direkt wachsen

Einem gemeinsamen Team von Wissenschaftlern der Universität Freiburg und der Universität Basel gelang die Identifikation eines Hauptschalters für die Knochenregeneration: Calcium. Das mag zunächst nicht überraschend klingen, jedoch ist es Orthopäden und Chirurgen ein Meilenstein. Erst das grundlegende Verständnis des Prozesses der Knochenneubildung ermöglicht die Entwicklung neuer Therapien.

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Ein Knochenbruch wird oftmals mit einem Gips stabilisiert, um den betroffenen Bereich ruhig zu stellen und so das korrekte Zusammenwachsen des Knochens zu garantieren. Doch nicht immer heilt ein Knochen problemlos wieder zusammen. Manche Knochenbrüche sind hartnäckig und stellten Mediziner bislang vor große Herausforderung. Jetzt wissen sie, dass eine Überdosis Calcium für einen Boost bei der direkten Knochenneubildung sorgen kann.

 

Auch wenn manche auf diesem Planeten gefundenen Knochen bereits uralt sind, ist Knochengewebe defacto nichts anderes als ein von der Natur entwickelter, hocheffektiver Nanoverbundstoff, denn Hydroxyapatit – jenes anorganische Material das für die Stabilität der Knochen sorgt und letztlich aus calciumhaltigen Nanokristallen besteht – ist in ein organisches Kollagen-Gerüst eingebettet. Knochengewebe hat die Fähigkeit, sich zu regenerieren. Dennoch widersetzen sich manche Knochenbrüche und Knochendeformationen hartnäckig den Medizinern, wenn diese versuchen, die Selbstheilungskräfte des Knochens zu stimulieren. Manche gebrochenen Knochen wollen bislang einfach nicht heilen. Vor dieser großen Herausforderung stand bislang die Medizin oftmals ratlos.

 

Um die Festigkeit der Knochen zu gewährleisten, ist ein feines Zusammenspiel von Knochenabbau und Knochenaufbau notwendig

Damit sich neues Knochengewebe überhaupt bilden kann, muss zunächst defektes, d. h. ungesundes Knochengewebe zerstört werden. Bei diesem Vorgang werden Biomoleküle freigesetzt, die zuvor im organischen Kollagengerüst mit eingebunden waren. Diese Biomoleküle nehmen Einfluss auf den Prozess der Knochenwiederherstellung, da sie mesenchymale Stammzellen aus der Stammzellnische Knochenmark veranlassen, sich zu teilen und so die Bildung von neuem Knochen erst möglich ist.

Doch die Entwicklung des neuen Knochengerüst ist nicht so geradlinig, wie sie die Beschreibung des Prozesses auf dem Papier liest, denn mesenchymale Stammzellen kommen an einen Scheideweg. Sie können sich direkt zu Knochenzellen differenzieren. Oder sie entwickeln sich zunächst zu Knorpelzellen. Dann entsteht der sogenannte Kallus. Dabei handelt es sich um eine Matrix aus Knorpelgewebe, die nach und nach zu richtigen Knochengewebe umgewandelt wird.

Der Zerfall des Hydroxyapatit, der bei dem vorangegangenen Abbau des defekten Knochen parallel geschieht, beeinflusst den Differenzierungsprozess. Wie dies abläuft, war bislang unklar.

 

Mineralische Phase, die beim Abbau von Knochen entsteht, weist Stammzellen den Differenzierungsweg

Das deutsch-schweizerische Forscherteam ist genau dieser Frage nachgegangen. Die Wissenschaftler haben im Labor eine mineralische Phase entwickelt. Sie sollte das Hydroxyapatit nachahmen. Das sogenannte biomimetische Material brachte den Durchbruch. Es zeigte sich nämlich, dass die mineralische Phase darüber entscheidet, welchen Weg die mesenchymalen Stammzellen einschlagen, um den Knochen neu zu bilden. Die Schlüsselrolle besteht darin, dass die mineralische Phase den Calciumsensitiven Rezeptor (kurz: CaSR (extracellular calcium sensing receptor)) stimuliert. Dabei handelt es sich um ein Protein, dass die mesenchymalen Stammzellen bilden, um den Calciumspiegel ihrer Umgebung zu bestimmen. Ist viel Calcium vorhanden, d. h. wird der CaSR stark stimuliert, entwickeln sich die mesenchymalen Stammzellen zu Knochenzellen. In diesem Fall entfällt der Zwischenschritt über die Knorpelzellen. Ist dagegen wenig Calcium vorhanden, entwickeln sich die Stammzellen zunächst zu Knorpelzellen und werden erst nach und nach in Knochenzellen umgewandelt, wenn mehr Calcium eingelagert wird.

 

 

Wer Knochen heilen will, braucht wohl einen Calcium-Schub

Der Forschungsgruppe gelang es außerdem zu zeigen, dass die Knochenbildung auch vollständig unterbunden werden kann. Dafür ist nur ein Eingriff in die Signalkette des Calciumsensitiven Rezeptors erforderlich. Die mesenchymalen Stammzellen sind vom CaSR abhängig. Jedoch können sie aus dieser Abhängigkeit gelöst werden. Dafür ist es notwendig, einen anderen Rezeptor zu stimulieren. Erfolgt eine Stimulatoin des PTHIR (parathyroid hormone-1 receptor) wird die Knorpelzellbildung n Gang gesetzt und über diesen Zwischenschritt die Knochenbildung forciert. PTHIR ist normalerweise dafür zuständig, den Calcium-Ionen-Haushalt im Gleichgewicht zu halten.

Die Stammzellenforscher wissen nun, dass es für die Knochenneubildung einen Hauptschalter gibt: CaSR. Ein Calcium-Boost hilft beim Bilden von neuem Knochen. Das Wissen, wie die mineralische Phase den Prozess steuert, wird großen Einfluss auf die Entwicklung neuer Implantat-Oberflächen haben, die zur Regenerierung von Knochen eingesetzt werden sollten. Auch die Behandlung von Osteoporose dürfte von diesem Wissen profitieren, denn auch hier wird deutlich mehr Gewebe aufgebaut als ersetzt. Ziel der Osteoporose-Therapie ist einerseits das Stoppen des Knochenschwundes und andererseits die Regeneration der Knochen, damit diese wieder die notwendige Stabilität erlangen.

 

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