Protein mineral particle-mediated cell and tissue calcification

• Protein-Mineralpartikel-vermittelte Zell- und Gewebekalzifizierung

Gorgels, Andrea; Jahnen-Dechent, Wilhelm (Thesis advisor); Blank, Lars M. (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021, 2022)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Kurzfassung

Calciproteinpartikel (CPP) sind im Blut befindliche kolloidale Protein-Mineral-Komplexe aus Calcium, Phosphat, Fetuin-A und Haupt-Plasmaproteinen, die gemeinsam Mineral stabilisieren und Kristallwachstum und -ausfällung verhindern. Höhere Zahlen von CPP wurden bei Patienten mit chronischer Nierenerkrankung (CKD) gefunden und die CPP-Anzahl bei diesen Patienten war direkt mit dem Schweregrad der Gefäßverkalkung assoziiert. Protein-Mineral-Partikel, einschließlich CPP, werden jetzt als hoch gesättigte Mineralvorläufer für die Knochenmineralisierung angesehen. In diesem Zusammenhang könnte CPP als messbare Einheit auch im Hinblick auf das Mineralisierungsparadoxon bei CKD-Patienten, nämlich verminderte Knochenmineralmasse und erhöhte vaskuläre Mineralmasse, von Interesse sein. Ein Ziel dieser Arbeit war es, die Beteiligung von CPP an der pathologischen Gefäßverkalkung und der physiologischen Knochenbildung sowie den Einfluss spezifischer Blutveränderungen bei CKD-Patienten auf die Zusammensetzung und Wirkung von CPP zu analysieren. Die CPP-Zusammensetzung wurde durch Senkung der Fetuin-A-Menge und durch Erhöhung der Lipide verändert. Osteoblasten, glatte Muskelzellen und ex vivo Aortenringe wurden in Gegenwart von CPP-basierten kalzifizierenden Medien kultiviert und ihre Kalzifizierungsmuster analysiert. Es wurde ein Vessel-on-a-Chip entwickelt, um den Einfluss einer endothelialen Barriere auf die Partikel-induzierte Kalzifizierung zu analysieren. Es konnte gezeigt werden, dass ein Mangel an Fetuin-A im Plasma mit einer erhöhten Kalzifizierungsneigung verbunden war, die durch eine beschleunigte Reifung von CPP-1 zu CPP-2 gemessen wurde. Lipide banden bevorzugt kristalline Partikel, was das Konzept von lipidischem kalzifiziertem Debridus als Nidus der Gewebeverkalkung bestätigte. Jedoch hatte die Lipidbindung keinen direkten Einfluss auf die Kalzifizierungsneigung. CPP kalzifizierten Osteoblasten und glatte Muskelzellen vergleichbar gut wie Kalzium und Phosphat. Eine detaillierte Analyse der Kalzifizierung von Osteoblasten und glatten Muskelzellen zeigte jedoch, dass ein aktiver Zellstoffwechsel notwendig war, damit die Kalzifizierung in Gegenwart von CPP stattfinden kann. Beide Zelltypen transzytosierten die Partikel entlang des endolysosomalen Transportwegs, was letztendlich die Mineralablagerung an der Zelloberfläche oder der umgebenden extrazellulären Matrix ermöglichte. CPP kalzifizierten glatte Muskelzellen, lösten aber keine Kalzifizierung von Aortenringen in Gewebekultur aus. Die erhöhte Kalzifizierungsneigung von CPP mit reduzierter Fetuin-A-Menge spiegelte sich in einer erhöhten Kalzifizierung von glatten Muskelzellen, aber nicht von Aortenringen wider. Zusammengenommen sind CPP essenzielle Transport- und Ausscheidungseinheiten für überschüssiges Mineral im Körper, die sowohl bei der physiologischen Knochenmineralisierung als auch bei der pathologischen vaskulären Kalzifizierung mitwirken. Eine intakte endotheliale Barriere beugt der CPP-induzierten Gefäßverkalkung vor und wird damit zu einem lohnenden Forschungsgegenstand speziell bei CKD-Patienten, die zirkulierende CPP nicht ausscheiden können und daher ein hohes Risiko für Gefäßverkalkung haben und zudem schon früh im Verlauf der Erkrankung Endothelschäden der Gefäße erleiden.

Einrichtungen

• Lehrstuhl für Angewandte Mikrobiologie [161710]
• Fachgruppe Biologie [160000]
• [529000-2]