Wnt-Signalwege im Knochenstoffwechsel

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1 Knochenzellbiologie und Osteoporosetherapie Wnt-Signalwege im Knochenstoffwechsel M. Peterlik Institut für Pathophysiologie, Medizinische Universität Wien, Österreich Schattauer Schlüsselwörter β-catenin, Vitamin D, Calcium-sensing -Rezeptor, osteogene Differenzierung Zusammenfassung Sowohl der kanonische Wnt-Signalweg mit β-catenin als terminalem Effektor als auch der nicht-kanonische Wnt/Ca ++ -Weg, in dem intrazelluläres Ca ++ als second messenger fungiert, spielen beim kontinuierlichen Umbau des Knochens ( bone remodeling ) eine wichtige Rolle: Sie koordinieren die einzelnen Phasen der Knochenneubildung (von der osteogenen Differenzierung pluripotenter mesenchymaler Stammzellen bis zur Bildung einer mineralisierten Matrix durch reife Osteo blasten bzw. Osteozyten), regulieren aber auch die Differenzierung und Aktivierung von Osteoklasten. Aufbau und Erhalt der Knochenmasse ist weitgehend genetisch determiniert, und zwar durch das Ausmaß der Expression der für die einzelnen Komponenten der Wnt/β-Catenin-Signalkaskade, insbesondere für den Wnt-Korezeptor LRP5, kodierenden Gene. Sowohl über die Schnittstellen mit anderen Signalwegen, die z. B. von RANK/ RANKL, PTH, 1,25-(OH) 2 D 3 /VDR oder Ca ++ /CaR aktiviert werden, als auch durch Blockade der Wnt-Inhibitoren Dkk-1 und Sklerostin ergeben sich zahlreiche Möglichkeiten, die Effektivität der Wnt/β-Catenin-Signalkaskade positiv zu beeinflussen, was zur Prävention und Therapie der verschiedenen Formen der Osteoporose genutzt werden kann. Korrespondenzadresse Em. o. Univ. Prof. Dr. Meinrad Peterlik Institut für Pathophysiologie Medizinische Universität Wien Währinger Gürtel 18 20, A-1090 Wien meinrad.peterlik@meduniwien.ac.at Keywords β-catenin, vitamin D, calcium-sensing receptor, osteogenic differentiation Summary Both the canonical Wnt signaling pathway with β-catenin as its key downstream effector as well as the non-canonical Wnt/Ca ++ pathway, which uses intracellular Ca ++ as second messenger, play a key role in the control of bone remodeling. The Wnt signaling cascades coordinate the multiple phases in the process of bone formation (from osteogenic differentiation of pluripotent mesenchymal stem cells to matrix maturation and mineralization by fully differentiated osteoblasts and osteocytes), and also regulate differentiation and activation of osteoclasts. Accrual and maintenance of bone mass is genetically determined, mainly through expression of the genes that encode the components of the Wnt/β-catenin signaling pathway, particularly the Wnt co-receptor LRP5. Modulation of efficiency of Wnt-activated pathways, e. g. by costimulatory signals from pathways activated by RANK/RANKL, PTH, 1,25-(OH) 2 D 3 /VDR, and Ca ++ /CaR, or by blocking Wnt-Inhibitors like Dkk-1 and sclerostin, respectively, provides a means for prevention and therapy of primary and secondary osteoporosis. Wnt signaling pathways and bone turnover Osteologie 2011; 20: eingereicht: 15. August 2011 angenommen: 22. August 2011 Wnt-aktivierte intrazelluläre Signalwege allgemeine Bedeutung Wnt-aktivierte intrazelluläre Signalwege sind essenziell für viele Aspekte der Embryogenese. Sie spielen aber auch in der postnatalen Entwicklung sowie im Erwachsenenalter eine große Rolle, da sie die Proliferation und Differenzierung in einer Reihe von Zellsystemen steuern und daher für die Zellregeneration und Wachstumskontrolle in den entsprechenden Organen verantwortlich sind. Dazu gehört neben dem Darmepithel, den Haarfollikeln und dem hämatopoetischen System auch das Knochengewebe, in dem sowohl der Aufbau als auch der Abbau der mineralisierten Knochenmatrix durch Osteoblasten bzw. Osteoklasten über Wnt-Signalwege koordiniert werden. Die Abkürzung Wnt entstand aus den Bezeichnungen von zwei Genen, nämlich aus Wingless und Int-1. Mutationen im Wingless-Gen führen zu einer flügellosen Variante von Drosophila-Fliegen; das Int-Gen fördert bei Mäusen die Entwicklung von Brustkrebs, wenn seine Expression durch die Integration des Maus-Mammatumorvirus aktiviert wird. Wnt-Gene finden sich nicht nur bei Drosophila und Mäusen, sondern kommen in allen tierischen Genomen vor. Sie sind durch die Evolution konserviert und weisen dementsprechend eine hohe Sequenzhomologie auf. Wnt-Proteine sind kleine sekretorische Proteine, für die das sogenannte Frizzled -Protein (Frz), ein Mitglied der Gruppe der 7-pass transmembrane -Proteine, als Rezeptor fungiert. Für die Aktivierung des Wnt/Frz-Komplexes ist die Bindung an jeweils ein weiteres Membranprotein notwendig, das als Ko-Rezeptor die Spezifität der intrazellulären Signalkaskade bestimmt: Diese kann über den sogenannten canonical Wnt/β-catenin Pathway ablaufen, aber auch über nonca- Osteologie 3/2011

2 198 M. Peterlik: Wnt-Signalwege im Knochenstoffwechsel nonical, d. h. β-catenin-unabhängige Wege, erfolgen (1, 2) ( Abb. 1, Abb. 3). Die Wirkungsweise und Bedeutung der einzelnen Wnt-Signalwege für den Knochenstoffwechsel soll im Folgenden dargestellt werden. Der Wnt/β-Catenin-Signalweg im Prozess der Knochenneubildung Abb. 1 Der kanonische Wnt/β-Catenin-Signalweg und seine Komponenten Zur Aktivierung des intrazellulären Wnt/β-Catenin-Signalweges muss der Wnt/Frz-Komplex an ein single pass -Membranprotein aus der Familie der Lipoproteinrezeptoren (LRP) binden. Die Bildung des heterotrimeren Komplexes Wnt/Frz/LRP5 löst eine intrazelluläre Signalkaskade aus, deren Ablauf in Abbildung 1 schematisch dargestellt ist: Zuerst wird das Protein Dishevelled (Dsh) akquiriert, das inhibierend auf einen Proteinkomplex bestehend aus Glykogensynthetasekinase (GSK)-3β und den Tumorsuppressor-Proteinen APC und Axin-1 einwirkt, der in Abwesenheit von Wnt-Signalen β-catenin phosphoryliert und abbaut. Da durch die Interaktion mit Dsh die Degradation von β-catenin inhibiert ist, kann sich dieses im Zytoplasma ansammeln. In weiterer Folge kann β-catenin mit dem Cadherin-Signalweg interagieren oder im Zellkern mit den Proteinen der transcription factor/lymphoid enhancer factor -Familie (TCF/LEF) einen Komplex bilden, der als Effektor der Wnt/β-Kaskade spezifische Zielgene aktiviert, die sowohl Proliferation als auch Differenzierung von osteoblastären Zellen steuern. So sind wie in Abbildung 2 illustriert über den Wnt/β-Catenin-Weg fortgeleitete Signale von entscheidender Bedeutung für die osteogene Differenzierung, d. h. für die Differenzierung von pluripotenten mesenchymalen Stammzellen des Knochenmarks in proliferierende sogenannte Osteoprogenitorzellen. Dieser Prozess wird durch Wnt-Signale auch dadurch gefördert, weil sie gleichzeitig die Entstehung von Chondrozyten und Adipozyten aus mesenchymalen Zellen hemmen. Neben Wnt/β-Catenin-Signalen sind auch Wachstumsfaktoren (TGF-β, IGF-1, FGF etc.) und Hormone (PTH, 1,25-Dihydroxyvitamin D 3 ) für das Entstehen von Osteoprogenitorzellen verantwortlich, für welche die Expression von Cbfa1/Runx2 charakteristisch ist. Dieser osteoblastenspezifische Transkriptionsfaktors spielt eine zentrale Rolle bei der Proliferation und Differenzierung von Osteoblasten bzw. bei der Mineralisierung der organischen Knochenmatrix, weil Cbfa1/Runx2 in den einzelnen Phasen dieses Prozesses die Expression der Gene für Kollagen Typ I, alkalische Phosphatase, Osteokalzin (OC) und Osteopontin (OP) reguliert. Auch für die Differenzierung von Osteoprogenitorzellen über Prä-Osteoblasten zu reifen Osteoblasten und Osteozyten (3 5) ist die Funktion des Wnt/β-Catenin-Signalweges von Bedeutung (6, 7) ( Abb. 2). Insgesamt ist für den regulären Ablauf des Prozesses der Knochenneubildung eine kontrollierte Expression von β-catenin im Zytoplasma notwendig: Wie Miclea et al. (8) festgestellt haben, ist bei Patienten mit Familiärer Polyposis Intestini, die heterozygote Träger einer Mutation im APC- Gen sind, dadurch der Abbau von β-catenin durch den GSK-3/APC/Activin-Komplex gehemmt, und die Konzentration im Zytoplasma dementsprechend erhöht, was mit einer signifikant höheren Knochenmineraldichte verbunden ist. Andererseits kann eine massive Erhöhung von β-catenin in Zellen von genmanipulierten Mäusen ohne funktionelle APC-Gene zu einer kompletten Blockade der osteogenen Differenzierung und folglich der Skelettentwicklung führen (9, 10). Die Bedeutung von LRP5 für die Knochenmasse Während für den Wnt/β-Catenin-Weg verschiedene Wnt-Proteine, wie z. B. Wnt-1, -3a und -8 als Liganden für den Wnt-Rezeptor Frizzled infrage kommen, ist für die Spezifität und vor allem die Effizienz der Wnt/β-Catenin-Kaskade allein die Rekrutierung des intakten Lipoproteinrezeptors Typ 5 (LRP5 ) als Korezeptor für Wnt/Frz maßgebend. Molekulargenetische Untersuchungen sowohl bei Mäusen als auch beim Menschen haben ergeben, dass ein enger Zusammenhang mit der Entwicklung der Knochenmasse und dem Funktionszustand des LRP5-Gens besteht (5): So liegt dem Osteoporose/Pseudogliom- Syndrom beim Menschen ein Defekt im LRP5 zugrunde, während eine gain of function -Mutation phänotypisch mit einer vermehrten Knochenmasse einhergeht. Cui et al. (10) haben nachgewiesen, dass bei Mäusen die Expression von LRP5 zellspezifisch kontrolliert wird, so dass sie in reifen Osteoblasten und vor allem in Osteozyten besonders hoch ist. Das deutet darauf hin, dass LRP5 eine besondere Rolle in der Regulation der Knochenmasse durch Osteozyten hat (11). Diese Zellen, die Osteologie 3/2011 Schattauer 2011

3 M. Peterlik: Wnt-Signalwege im Knochenstoffwechsel Prozent der Knochenzellen ausmachen, fungieren als Mechanosensoren und generieren bei Belastung des Knochens infolge körperlicher Aktivität Signale, die u. a. auch den Wnt/β-Catenin-Weg aktivieren: Dabei wird durch einen negativen Feedback -Mechanismus weniger Wnt-Inhibitor-Sklerostin gebildet und freigesetzt, sodass in benachbarten Osteoblasten die Hemmwirkung auf die Wnt/β-Catenin- Signalkaskade wegfällt, und so vermehrt neuer Knochen gebildet wird (12). Endogene Inhibitoren: Sklerostin und Dickkopf-1 Die Aktivität des Wnt/β-Catenin-Signalweges hängt aber nicht nur von einzelnen Komponenten der Signalkaskade ab, sondern auch von der Konzentration endogener Inhibitorproteine, wie z. B. Dickkopf-1 (Dkk-1) und Sklerostin (SOST) (7, 13, 14). Sklerostin ist sekretorisches Protein, das von dem hauptsächlich in Osteozyten aber auch in unreifen Osteoklasten exprimierten SOST-Gen kodiert wird. Loss-offunction -Mutationen im menschlichen SOST-Gen sind die Ursache der Sklerostose, einer progressiven Knochenerkrankung, die sich durch eine schwere Hyper - ostose des Skeletts auszeichnet. Eine Überexpression von SOST hingegen führt bei Mäusen zu einer Osteopenie. Die Ursache für die pathologischen Veränderungen in der Knochenmasse ist die spezifische Bindung von Sklerostin an LRP5/6, wodurch der Wnt/β-Catenin-Signalweg inaktiviert wird. Die Expression von Sklerostin in Osteozyten wird bei mechanischer Belastung des Knochens und durch intermittierende PTH-Gabe supprimiert, wodurch die Neubildung von Knochenmasse gefördert wird (14). Die im Lauf der Evolution hochkonservierten Gene der Dkk-Familie kodieren für sekretorische Glykoproteine, von denen Dkk-1, -2 und -4 direkt oder funktionell mit LRP5/6 interagieren und dadurch den Wnt/β-Catenin-Signalweg hemmen können. Am genauesten wurde beim Menschen bisher die Wechselwirkung von Dkk-1 und LRP5 charakterisiert. Dkk-1 bindet direkt an die sogenannte EGF-like domain-1 von LRP5 (auch als LRP5 β-propeller-1 region bezeichnet). An eine andere Domäne bindet auch der Wnt-Inhibitor SOST, der allerdings von Dkk-1 aus dem Komplex mit LRP5 verdrängt werden kann, was für eine besonders hohe Affinität von Dkk-1 zu diesem Effektor des kanonischen Wnt-Signalweges spricht. Der Antagonismus zwischen Dkk-1 und der Wnt/β-Catenin-Signalkette beeinflusst die osteogene Differenzierung und ganz besonders den Prozess der Mineralisierung der Knochenmatrix und damit die Knochenneubildung bzw. den Erhalt einer ausreichenden Knochenmasse und -mineraldichte ( Abb. 2). Eine Aktivierung von Dkk-1 z. B. durch TNF-alpha oder Glukokortikoide bedingt daher den Knochenschwund bei entzündlichen Knochen- und Gelenkserkrankungen bzw. bei der glukokortikoidinduzierten Osteoporose (7, 15, 16). Der Wnt/Ca ++ -Signalweg β-catenin-unabhängige Signale werden ebenfalls durch Bindung eines Wnt-Proteins, z. B. Wnt-5a und Wnt-11, an den Rezeptor Frizzled initiiert, doch ist für die spezifische Signaltransduktion die Bildung eines heterotrimeren Komplexes mit einem single pass-transmembrane Protein, z. B. mit Ror2, anstelle von LRP5 notwendig. Im Wnt/Ca ++ -Signalweg, der vorzugsweise von Wnt-5a ausgelöst wird, fungiert Ca ++ als second messenger : So bewirkt eine Aktivierung des Wnt/Ca ++ -Weges durch den vermehrten Ca ++ -Einstrom in die Zelle eine Stimulierung der Ca ++ /Calmodulin - kinase II und der Proteinkinase C (PKC) (2) ( Abb. 3). Aktivierung des Wnt/Ca ++ -Weges durch Wnt-5a spielt eine wichtige Rolle bei der osteogenen Differenzierung von mesenchymalen Stammzellen ( Abb. 2), weil dadurch in Osteoprogenitorzellen die Expression von Cfba1/Runx2, des Regulatorgens für die Expression differenzierter osteoblastärer Funktionen, induziert wird. In unreifen Osteoklasten entstehen durch Aktivierung des Wnt/Ca ++ -Weges ko - stimulatorische Signale für die durch RANK/RANKL induzierte Osteoklasto - genese (17). Abb. 2 Die Bedeutung von Wnt-aktivierten Signalkaskaden für einzelne Phasen der Neubildung der mineralisierten Knochenmatrix und den Erhalt der Knochenmasse: Interaktion mit 1,25-(OH) 2 D 3 /VDR und Ca ++ /CaR Schattauer 2011 Osteologie 3/2011

4 200 M. Peterlik: Wnt-Signalwege im Knochenstoffwechsel Exogene Wnt-Modulatoren: Vitamin D und extrazelluläres Kalzium Dass Vitamin D und Kalzium für die Neubildung der Knochenmatrix und deren Mineralisierung unverzichtbar sind, gehört zum medizinischen Grundlagenwissen. Allerdings ist erst durch die Forschung der vergangenen Jahre klar geworden, dass die Stimulierung der intestinalen Kalziumresorption durch Vitamin D eine notwendige, aber keinesfalls hinreichende Erklärung für die Bildung eines normal mineralisierten Knochens bzw. einer adäquaten Knochenmasse ist. Dazu ist eine komplizierte Interaktion von Vitamin D und extrazellulärem Ca ++ auf einzelnen Stufen der Osteoblastenreifung und -differenzierung notwendig, wobei die Kooperation mit den Wnt-Signalwegen von Bedeutung ist. Die direkte Wirkung von Vitamin D auf den Knochen wird durch den in Osteoblasten aus 25-Hydroxyvitamin D 3 gebildeten hormonell aktiven Metaboliten 1,25-Dihydroxyvitamin D 3 (1,25-[OH] 2 D 3 ) vermittelt (18). Nach Bindung an den nukleären Vitamin-D-Rezeptor (VDR) fungiert 1,25-(OH) 2 D 3 als Transkriptionsfaktor und kann durch temporäre An- und Abschaltung von Genen, welche die Proliferation, Differenzierung und Funktion von osteoblastären Zellen regulieren, die einzelnen Phasen der Knochenneubildung koordinieren (19): 1,25-(OH) 2 D 3 hemmt die Abb. 3 Kooperation der Signalwege von Wnt/ Ca ++ und Ca ++ /CaR Proliferation von Osteoprogenitorzellen und reduziert die Expression des Kollagen Typ I-Gens ( Abb. 2). In der anschließenden Reifungsphase induziert 1,25-(OH) 2 D 3 /VDR die Expression von alkalischer Phosphatase. Das ist eine Voraussetzung für den Übergang in die Mineralisierungsphase. Durch 1,25-(OH) 2 D 3 /VDR kommt es zur vermehrten Expression von differenzierten Osteoblastenfunktionen (Osteopontin, Osteokalzin), die bei der Mineralisierung der organischen Knochenmatrix eine entscheidende Rolle spielen. Die Steuerung der Knochenneubildung durch 1,25-(OH) 2 D 3 kann zumindest teilweise über eine Modulation der über Wnt/ β-catenin verlaufenden Signaltransduktion erfolgen, da der von 1,25-(OH) 2 D 3 /VDR aktivierte Signalweg nicht nur dieselben Zielgene wie der kanonische Wnt-Weg hat, wie z. B. c-myc, Cyclin D1 oder Osteoprotegerin (OPG) ( Abb. 1), sondern 1,25-(OH) 2 D 3 /VDR auch die Expression von Komponenten der Wnt/ β-catenin-signalkette modulieren kann: Eine positive Wirkung auf den kanonischen Wnt-Signalweg ergibt sich ganz allgemein aus der Fähigkeit von 1,25-(OH) 2 D 3 /VDR, an das LRP5-Gen zu binden und die Transkription in die entsprechende mrna zu stimulieren (20). Im Speziellen wird durch 1,25-(OH) 2 D 3 /VDR die Expression des Wnt-Inhibitors Dkk-1 in mesenchymalen Stammzellen des Knochenmarks vermindert und so die osteogene auf Kosten der chondrogenen bzw. adipozytogenen Differenzierung gefördert (21) ( Abb. 2). Eine weitere Möglichkeit für eine allerdings negative Interaktion zwischen den beiden Signalwegen, liegt in der Fähigkeit von 1,25-(OH) 2 D 3 /VDR, β-catenin aus dem Komplex mit TCF zu verdrängen und dadurch die Expression der Zielgene des Wnt/β-Catenin-Signalweges zu reduzieren (22, 23) ( Abb. 4). Für eine ausreichende Neubildung von mineralisiertem Knochengewebe ist die Versorgung des Organismus nicht nur mit genügend Vitamin D, sondern auch mit Kalzium erforderlich. Lange Zeit wusste man nicht, auf welchem Weg das Ausmaß des aus dem Darmlumen resorbierten Ca ++ in Signale umgesetzt wird, welche die Bildung von Knochengewebe steuern können. Dies wurde erst klar, als der Nachweis erbracht wurde, dass Knochenzellen so wie eine große Zahl von anderen Zelltypen einen extracellular calcium-sensing receptor (CaR) in der Zellmembran exprimieren, der eine hohe Sequenzhomologie zum klassischen Rezeptor der Zellen der Parathyreoidea aufweist (24). Der CaR gehört zur Gruppe der an G-Proteine gekoppelten 7-pass -Transmembranrezeptoren und besitzt in seinem extrazellulären Anteil mehrere hochaffine und positiv kooperative Bindungsstellen für Ca ++ (25). Dadurch kann der CaR geringe Änderungen in der extrazellulären Ca ++ -Konzentration ([Ca ++ ] o ), wie sie im physiologischen Bereich vorkommen, in Signale umsetzen und durch Kopplung an G-Proteine diverse Wege der intrazellulären Signaltransduktion aktivieren, die für die Koordination von Proliferation, Differenzierung und Funktion von Zellen von Bedeutung sind ( Abb. 3, Abb. 4). Der Nachweis eines funktionellen CaR sowohl an unreifen als auch an differenzierten Osteoblasten bzw. Osteozyten (26 28) weist auf die Bedeutung von [Ca ++ ] o als first messenger bei der osteogenen Differenzierung und der Bildung der mineralisierten Knochenmatrix hin: Aktivierung des CaR führt zur erhöhten Expression des osteoblastenspezifischen Transkriptionsfaktors Cbfa1/Runx2 in Osteoprogenitorzellen ( Abb. 2). Unabhängig von Vitamin D beeinflussen Änderungen von [Ca ++ ] o durch Aktivierung des CaR die Kollagensynthese in unreifen Osteoblasten Osteologie 3/2011 Schattauer 2011

5 M. Peterlik: Wnt-Signalwege im Knochenstoffwechsel 201 sowie die Expression osteoblastenspezifischer Differenzierungsmarker, wie alkalischer Phosphatase, Osteokalzin und Osteopontin. Eine besondere Bedeutung scheint der Aktivierung des CaR durch Anstieg des [Ca ++ ] o bei der Präzipitation von amorphem Kalziumphosphat ( mineralized nodules ) am Beginn des Mineralisierungsprozesses zuzukommen (28). Ein Zusammenhang mit Wnt-aktivierten Signalwegen ergibt sich dadurch, dass einerseits über den Ca ++ /CaR-Signalweg die Expression des TCF/β-Catenin-Komplexes zellspezifisch supprimiert werden kann (29) ( Abb. 4), andererseits Ca ++ /CaR die Expression und Sekretion von Wnt5a und derart den Wnt/Ca ++ -Signalweg stimuliert (30). Da eine Aktivierung des CaR durch [Ca ++ ] o auch mit einem vermehrten Ca ++ -Einstrom durch einen nichtselektiven Ionenkanal verbunden sein kann (31), ergibt sich hier eine wichtige Schnittstelle mit der Wnt/Ca ++ -Signalkette ( Abb. 3). Weiterhin finden sich in beiden Signalwegen gemeinsame Effektorelemente, wie z. B. Proteinkinase C (PKC). Dieses für die Zellproliferation wichtige Enzym kann bei Koppelung des CaR an Phospholipase C (PLC) durch Signale von [Ca ++ ] o aktiviert werden. Wnt-Signalwege und Osteoklastendifferenzierung Abb. 4 Hemmung der durch Wnt/β-Catenin-Signale ausgelösten Zellproliferation durch 1,25-(OH) 2 D 3 /VDR und Ca ++ /CaR Durch Modulation des kanonischen Wnt- Signalweges in differenzierten Osteoblasten kann die Differenzierung und Aktivierung von Osteoklasten kontrolliert werden (31). Stabilisierung von β-catenin in differenzierten Osteoblasten hemmt den Knochenabbau: Unter dem Einfluss des β-catenin/tcf-komplexes kommt es zur Transaktivierung von OPG. Das aus den Osteoblasten freigesetzte Protein dient als decoy receptor für RANKL, so dass die Bildung und Aktivierung von Osteoklasten über das RANK/RANKL-System blockiert und die Knochenresorption gehemmt wird. Die OPG-Expression in Osteoblasten kann unter mechanischer Belastung auch über den Wnt/Ca ++ -Signalweg hinaufreguliert werden (32). Osteoblasten können die Differenzierung von aktiven Osteoklasten auch fördern, da das von ihnen freigesetzte Wnt-5a in Osteoklasten den Wnt/Ca ++ -Signalweg aktivieren kann, wodurch kostimulatorische Signale für die Osteoklastendifferenzierung über das RANK/RANKL-System generiert werden (33). Wnt-Signalwege und Knochenumbau ( bone remodeling ) Es darf als bekannt vorausgesetzt werden, dass der Knochen während der ganzen Lebenszeit des Organismus einem kontinuierlichen Umbau unterliegt. Dabei kann die Struktur und Funktion des Knochens nur erhalten werden, wenn durch reaktive Kopplung von Knochenabbau durch Osteoklasten und Knochenneubildung durch Osteoblasten ( bone resorption-formation coupling) diese beiden gegenläufigen Prozesse in einem annähernden Gleichgewicht gehalten werden. Dazu ist die funktionelle Interaktion von Osteoblasten und (Prä-)Osteoklasten Voraussetzung, die unter anderem auch über die Wnt-Signalwege erfolgt. Die zentrale Rolle, die β-catenin dabei spielt, wird u. a. aus der bereits erwähnten Studie von Miclea et al. (8) deutlich: Bei Patienten mit Familiärer Polyposis Intestini ist die erhöhte Knochenmineraldichte auch mit einem erhöhten Knochenumsatz verbunden. β-catenin beschleunigt also nicht nur die Neubildung des Knochens, sondern kontrolliert auch seinen reaktiven Abbau, so dass insgesamt ein Nettogewinn an mineralisierter Knochenmasse resultiert. Das Beispiel illustriert aber auch, dass der Aufbau und Erhalt der Knochenmasse weitgehend genetisch determiniert ist, und zwar durch das Ausmaß der Expression der für die einzelnen Komponenten der Wnt/β-Catenin-Signalkaskade kodierenden Gene. Über die Schnittstellen mit anderen Signalwegen, die z. B. von RANK/ RANKL, PTH, 1,25-(OH) 2 D 3 /VDR oder Ca ++ /CaR aktiviert werden, ergeben sich allerdings zahlreiche Möglichkeiten, die Effektivität der Wnt/β-Catenin-Signalkaskade positiv zu beeinflussen, was bisher auch schon zur Prävention und Therapie der Osteoporose genutzt wurde. Man denke nur an die Wichtigkeit der kombinierten Vitamin-D/Kalzium-Supplementation als Basistherapie jeder medikamentösen Therapie der Osteoporose (34, 35) oder an den Einsatz eines Anti-RANKL-Antikörpers zur langfristigen Suppression des pathologischen Knochenverlustes; auch die intermittierend Gabe von PTH als bisher einzige knochenanabole Therapie soll erwähnt werden. Alle diese Mittel haben aber bisher nur Teilerfolge bei der Behandlung von Knochenverlusterkrankungen gebracht. Deswegen könnte die Entwicklung von Medikamenten, die über das Ca ++ /CaR- System wirken, bzw. von Antikörpern gegen die Wnt-Inhibitoren Dkk-1 oder Sklerostin neue Optionen für die Therapie von Krankheiten, die mit einem Verlust der Knochenmasse einhergehen (13, 14, 36), eröffnen. Schattauer 2011 Osteologie 3/2011

6 202 M. Peterlik: Wnt-Signalwege im Knochenstoffwechsel Fazit Für den Aufbau und den Erhalt einer adäquaten Knochenmasse ist letztlich eine effiziente Übertragung von Signalen über den kanonischen Wnt-Weg in differenzierten Osteoblasten und frühen Osteozyten entscheidend, d. h. in den Zellen, in denen auch Dkk-1 und SOST selektiv exprimiert werden. In den letzten Jahren wurden daher große Anstrengungen unternommen, Antikörper gegen diese Inhibitorproteine zu entwickeln, um deren negative Wirkung auf den Wnt/β- Catenin-Weg zu neutralisieren und die Knochenneubildung zu fördern. In dieser Hinsicht haben Untersuchungen an Maus - modellen und einige klinische Pilotstudien durchaus Ergebnisse gezeitigt, die den Einsatz von humanisierten monoklonalen Antikörpern gegen Dkk-1 und auch gegen Sklerostin bei der Behandlung der verschiedenen Formen der Osteoporose als erfolgversprechend erscheinen lassen. Daraus könnte sich ein Therapieprinzip ergeben, das in zweifacher Hinsicht neu ist und vielleicht auch entscheidende Vorteile gegenüber der bisher üblichen Behandlung mit antiresorptiven Medikamenten hätte: Diese können zwar den pathologischen Knochenschwund verlangsamen oder bestenfalls aufhalten, doch für eine Restitution von Masse, Mineraldichte und Architektur des Knochens wäre eine anabole Therapie erforderlich, die aber heute wenn man von der intermittierenden Verabreichung von PTH (1 34) absieht noch nicht zur Verfügung steht. Eine Blockade der Wirkung von Dkk-1 bzw. Sklerostin auf immunologischer Basis könnte hier Abhilfe schaffen, was auch noch den großen Vorteil hätte, dass damit die Ursache und nicht die Symptome des Knochenschwundes behandelt würden. Interessenkonflikt Nach Angabe des Autors besteht kein Interessenkonflikt. Literatur 1. Clevers H. Wnt/beta-catenin signaling in development and disease. Cell 2006; 127 (3): Kohn AD, Moon RT. 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