Die Knochenhomöostase stellt ein exquisit orchestriertes physiologisches Paradigma bei Wirbeltieren dar, das durch das empfindliche Gleichgewicht zwischen Osteoblasten-vermittelter Knochenbildung und osteoklastengetriebener Knochenresorption harmonisiertwird 1. Dieses komplizierte Gleichgewicht erhält die Integrität des Skeletts, die biomechanische Belastbarkeit und die metabolische Treue während der gesamten Lebensspanne und reagiert dynamisch auf mechanische Anforderungen, endokrine Störungen und pathologische Herausforderungen2. Der Knochenumbauzyklus umfasst aufeinanderfolgende Phasen der Aktivierung, Resorption, des Übergangs, der Bildung und der Beendigung, die jeweils von komplizierten molekularen Kaskaden gesteuert werden, die die räumlich-zeitliche Synchronisation der zellulären Aktivitäten sicherstellen3.
Eine Störung dieses homöostatischen Mechanismus, insbesondere durch übermäßige Osteoklastenaktivität oder unzureichende Osteoblastenfunktion, führt zu einem pathologischen Knochenverlust, der für zahlreiche osteolytische Erkrankungen charakteristisch ist 4,5. Diese Erkrankungen umfassen ein breites Spektrum von Krankheiten, darunter postmenopausale und seneszente Osteoporose, rheumatoide Arthritis, entzündliche Arthritis, neoplastische Knochenbeteiligung, Morbus Paget und parodontale Erkrankungen6. Zu den klinischen Manifestationen eines übermäßigen Knochenabbaus gehören ein erhöhtes Frakturrisiko, Skelettdeformitäten, chronische Schmerzen, funktionelle Behinderungen und eine erhebliche Belastung des Gesundheitswesens 6,7. Gegenwärtige epidemiologische Metriken zeigen, dass allein Osteoporose über 200 Millionen Menschen weltweit betrifft, wobei die damit verbundenen Frakturen zu erheblichen Morbiditäten, Mortalität und wirtschaftlichen Kosten von mehr als Milliarden von Dollar pro Jahr führen 7,8.
Osteoklasten manifestieren sich als hochspezialisierte mehrkernige Riesenzellen, die von hämatopoetischen Vorläufern der mononukleären Phagozytenlinie abstammen, insbesondere von Makrophagen aus dem Knochenmark9. Ihre Bildung stellt einen komplexen mehrstufigen Prozess dar, der die präzise Koordination von extrazellulären Signalen, intrazellulären Signalkaskaden und Transkriptionsprogrammen erfordert10. Zu den essentiellen Zytokinen, die die Osteoklastogenese steuern, gehören der Rezeptoraktivator des Kernfaktor-κB-Liganden (RANKL) und der Makrophagen-Kolonie-stimulierende Faktor (M-CSF), die an ihre jeweiligen Rezeptoren RANK und c-Fms binden, um Differenzierungsprogramme zu initiieren11. Die RANKL-RANK-Interaktion löst die Aktivierung mehrerer nachgeschalteter Signalwege aus, darunter Mitogen-aktivierte Proteinkinasen (MAPKs), Kernfaktor κB (NF-κB), Phosphoinositid-3-Kinase/Proteinkinase B (PI3K/Akt) und Calcium/Calcineurin-Signalwege, die auf den Kernfaktor der aktivierten T-Zellen zytoplasmatisch 1 (NFATc1), den Haupttranskriptionsregulator der Osteoklastogenese 10,11,12, konvergieren.
Unter den verschiedenen Regulationsmechanismen, die die Osteoklastenbiologie steuern, hat sich der Notch-Signalweg als kritischer Modulator mit komplexen und kontextabhängigen Funktionen herausgestellt13. Der Notch-Signalweg ist ein evolutionär konserviertes Zell-Zell-Kommunikationssystem, das die Bestimmung des Zellschicksals, die Differenzierung, die Proliferation und die Apoptose über verschiedene Gewebe und Entwicklungsstadien hinweg steuert14. Bei Säugetieren interagieren vier Notch-Rezeptoren (Notch1-4) mit fünf kanonischen Liganden (Delta-like 1, 3 und 4 sowie Jagged 1 und 2), um die interzelluläre Signalübertragung zu vermitteln. Die Aktivierung des Signalwegs umfasst die Ligandenbindung, Konformationsänderungen und die sequentielle proteolytische Spaltung durch ADAM-Metalloproteasen und den γ-Sekretase-Komplex, der letztendlich die intrazelluläre Notch-Domäne (NICD) für die nukleäre Translokation und transkriptionelle Regulation von Zielgenen, einschließlich der Hes- und Hey-Familien, freisetzt14,15. Die Rolle des Notch-Signalwegs bei der Osteoklastogenese bleibt umstritten und scheint stark kontextabhängig zu sein, wobei Studien sowohl stimulierende als auch hemmende Wirkungen in Abhängigkeit von den spezifischen Rezeptor-Subtypen, der Verfügbarkeit von Liganden, der zellulären Mikroumgebung und den experimentellen Bedingungen berichten 16,17,18.
Vorherrschende Therapieansätze für osteolytische Erkrankungen konzentrieren sich hauptsächlich auf antiresorptive Strategien, darunter Bisphosphonate, Denosumab (RANKL-Inhibitor), selektive Östrogenrezeptormodulatoren und Calcitonin 7,8,19. Obwohl diese Behandlungen das Knochenresorptions- und Frakturrisiko wirksam reduzieren, sind sie mit erheblichen Einschränkungen verbunden, darunter gastrointestinale Toxizität, Osteonekrose des Kiefers, atypische Frakturen, erhöhtes Infektionsrisiko und Bedenken hinsichtlich der langfristigen Sicherheit. Darüber hinaus können diese Mittel den Knochenumsatz übermäßig unterdrücken, was möglicherweise die Knochenqualität und die Reparaturmechanismen beeinträchtigt. Folglich besteht ein dringender klinischer Bedarf an neuartigen Therapeutika, die die pathologische Osteoklastenaktivität selektiv hemmen und gleichzeitig Nebenwirkungen minimieren und die physiologische Knochenumbaukapazität erhalten können 8,14.
γ-Sekretase-Inhibitoren stellen eine vielversprechende Klasse von Verbindungen dar, die durch Modulation des Notch-Signalwegs bei osteolytischen Erkrankungen eingesetzt werdenkönnen 14,20. Diese Wirkstoffe wurden in der Onkologie und in der Forschung zu neurodegenerativen Erkrankungen ausgiebig untersucht, wobei mehrere Wirkstoffe in klinische Studien für die Alzheimer-Krankheit und verschiedene Krebsarten übergingen. LY900009, ein potenter und selektiver γ-Sekretase-Inhibitor, hat in Vorstudien günstige pharmakologische Eigenschaften gezeigt, einschließlich hoher Spezifität, Bioverfügbarkeit und eines überschaubaren Sicherheitsprofils21,22. Seine spezifischen Auswirkungen auf die RANKL-induzierte Osteoklastogenese und sein potenzieller therapeutischer Nutzen bei osteolytischen Erkrankungen sind jedoch noch unvollständig charakterisiert. In dieser Studie sollte untersucht werden, ob LY900009 die Osteoklastogenese durch die Störung des Notch-Signalwegs hemmen und möglicherweise einen neuen therapeutischen Ansatz für osteolytische Erkrankungen bieten könnte. Wir haben umfassende Protokolle entwickelt, um ihre Auswirkungen auf die Osteoklastenbildung, die Knochenresorptionsaktivität, die Signalwege und die In-vivo-Wirksamkeit in entzündlichen Knochenverlustmodellen zu bewerten.