Einflüsse von Ernährung und Adipositas auf die Knochengesundheit

Ansprechpersonen: Prof. Dr. Tim J. Schulz, Dr. George Soultoukis
Mitarbeitende: Marina Leer, Theresa Charlotte Rinne, George Soultoukis, Nicole Dittberner
Förderer: DFG

Identifizierung und Isolierung von Fettzellen im Knochenmark. (a) Hämatoxylin- und Eosin-Färbung zur mikroskopischen Beurteilung von Knochenmark-Adipozyten. Färbungen: Rosa entspricht kompaktem Knochen; dunkelviolett entspricht Knochenmark; weiße kreisförmige Bereiche (schwarze Pfeile) zeigen Fettzellen. (b) Immunfluoreszenzfärbung von Knochenmarks-Fettzellen durch Nachweis von Fettzell-Marker Perilipin (rote ringförmige Strukturen, angezeigt durch weiße Pfeile) innerhalb der Markhöhle (blau: Färbung von Zellkernen). Kompakter Knochen ist mit gebrochenen weißen Linien gerahmt. (c) Durchflusszytometrische Analyse von spezifischen Zellpopulationen durch Selektion bestimmter Oberflächenproteine, die spezifisch Fett-Stammzellen markieren (roter Pfeil, oberer linker Quadrant). (d) Oil Red O-Färbung von isolierten Stammzellen zeigt ihre Fähigkeit, eine Differenzierung zu reifen lipidhaltigen Fettzellen zu durchlaufen.

Erkrankungen des muskuloskelettalen Systems zählen zu den häufigsten Ursachen für klinische Behandlungen und schränken die Lebensqualität der Betroffenen mitunter erheblich ein. Vor allem im hohen Alter kommt es vermehrt zu Frakturen und dem Verlust von gesunder Knochenmasse.

Um ein Leben bei möglichst langanhaltender Gesundheit zu ermöglichen, ist es notwendig, die molekularen Ursachen zu identifizieren, die zur Entstehung von altersassoziierten degenerativen Krankheiten beitragen, um damit eine Basis für innovative Therapieansätze zu schaffen. In unseren bisherigen Studien konnten wir zeigen, dass eine übermäßige Ansammlung von Fettzellen in der Knochenmarkshöhle sowohl die Blutbildung durch das Knochenmark (Hämatopoese) als auch die Knochenheilung hemmt. In gealterten Mäusen, die zusätzlich mit einer Hochfettdiät gefüttert wurden, kam es dementsprechend zu einer verstärkten Anlagerung von Fettgewebe in den Knochen. Dieser Befund ist als ein Hinweis darauf zu werten, dass die Ernährungsweise im Zusammenhang mit zunehmendem Alter ein wichtiger Faktor bei der Entstehung pathologischer Prozesse im Knochen ist und zu Knochenschwund und einer reduzierten Frakturheilung beitragen kann (Ambrosi et al, Cell Stem Cell 2017).

Derzeit untersuchen wir die zellbiologischen und ernährungsphysiologischen Grundlagen dieser Prozesse. Die Störung der Knochenheilung beruht auf einer veränderten Spezialisierung multipotenter Stammzellen in Richtung einer adipogenen (fettbildenden) Entwicklungslinie, die zulasten der normalen osteogenen (knochenbildenden) Spezialisierung verläuft. Zu Analyse auf Stammzell-Ebene werden modernste Methoden der Einzelzell-Analyse eingesetzt, um den Einfluss der Ernährung auf die genetischen und epigenetischen Regulationsmechanismen der Stammzellfunktion zu erforschen. Zudem werden mithilfe von Fütterungsversuchen im Tiermodell die Effekte verschiedener Nahrungskomponenten auf die Knochengesundheit ermittelt. Basierend auf diesen Erkenntnissen versuchen wir herauszufinden, inwieweit die Ernährung therapeutische Ansätze günstig beeinflussen kann, welche die Knochengesundheit verbessern.

Neben den ernährungsbasierten Versuchen werden auch pharmakologische Ansätze verfolgt. Beispielsweise konnten wir eine aus der Diabetestherapie wohlbekannte Wirkstoffgruppe, die Gliptine, mit einer verbesserten Knochenheilung in Zusammenhang bringen (Ambrosi et al, Cell Stem Cell 2017). Neben ihren positiven Einflüssen auf den Glukosestoffwechsel, vermindern Gliptine die pathologischen Wirkungen von Fettzellen im Knochen. Das Ziel zukünftiger Studien ist daher, diese Wirkstoffgruppe hinsichtlich ihrer Einsatzmöglichkeiten bei Patienten mit gestörter Knochenheilung, zum Beispiel im hohen Alter oder bei Adipositas, zu evaluieren.