Biomarker der Knochenregeneration in der Kiefer- und Gesichtschirurgie: Eine kritische Literaturübersicht

Zusammenfassung

Relevanz. Es ist bekannt, dass bei der Entstehung von medikamentenassoziierter Osteonekrose eine Reihe von pathologischen Veränderungen auftreten. Auch die Titer von Biomarkern, die für den Stoffwechsel des Knochengewebes verantwortlich sind, sind von diesen Veränderungen betroffen. Sie sind wichtig für die Diagnose und die Planung der Behandlung von Patienten, insbesondere bei chirurgischen Eingriffen, aufgrund des Risikos der Entstehung von Osteonekrose. Ziel – auf der Grundlage der Daten der modernen wissenschaftlichen Literatur und Artikel die Marker für Störungen des Knochenremodellierens und des Endothels zu identifizieren, die die größte Bedeutung für die Optimierung der frühen Diagnose von Mikrozirkulationsstörungen bei Patienten mit kraniofazialen Pathologien haben.

Materialien und Methoden. Übersicht über die vorhandenen Daten in der Literatur zur normalen Anatomie des Knochens, Biomarkern des Knochengewebes und regulierenden Faktoren. Untersuchung der Diagnoseregeln und Identifizierung der wertvollsten und schnellsten Marker für Störungen des Knochens und des Endothels der Gefäße.

Ergebnisse. Laut den Ergebnissen der Studien sind Osteocalcin, C-terminales Telopetid und tartratresistente saure Phosphatase, VEGF die informativsten in der klinischen Praxis zur Prognose des Auftretens von Osteonekrose der Kieferknochen. Bei einer Konzentration des C-terminalen Telopetids im Serum von weniger als 100 pg/mL steigt das Risiko für das Auftreten von Osteonekrose. Serum-Osteocalcin gilt als spezifischer Biomarker für die Funktion der Osteoblasten zur Bewertung der Knochenbildungsrate bei Osteoporose. Der durchschnittliche Osteocalcinspiegel zeigte einen signifikanten Unterschied zwischen postmenopausaler Osteoporose (16,16 ± 4,5 ng/mL) und Nicht-Osteoporose (11,26 ± 3,07 ng/mL) bei Frauen. Die tartratresistente saure Phosphatase (TRAP 5b) wird als Referenz für die Aktivität und Anzahl der Osteoklasten verwendet. TRAP 5b kann spezifisch im Serum mittels Immunanalysen nachgewiesen werden.

Schlussfolgerung. Die Untersuchung von Markern des Knochenumbaus und vaskulären Markern ermöglicht ein klareres Verständnis der Prinzipien des Auftretens von Osteonekrose und damit eine genauere Prognose und Diagnose von Osteonekrose sowie eine fundierte Auswahl der Behandlungstaktik für diese Patienten, Art des chirurgischen Eingriffs: konservativ, operativ (partielle Resektion, vollständige Resektion der Kiefer), palliativ, prä- und postmedikamentöse Vorbereitung des Körpers auf den Eingriff.

Aktualität

In den letzten Jahren hat die Anzahl der medikamentenassoziierten Osteonekrosen der Kiefer in der Zahnmedizin zugenommen. Dies steht im Zusammenhang mit der Einnahme von antiosteoklastischen Medikamenten, wie: Bisphosphonatgruppen, monoklonalen Antikörpern (Denosumab), rekombinanten hybriden Proteinen (Aflibercept). Es ist bekannt, dass bei Auftreten einer medikamentenassoziierten Osteonekrose eine Reihe von pathologischen Veränderungen auftreten. Auch die Titer von Biomarkern, die den Charakter des Stoffwechsels und der Regeneration von Knochengewebe widerspiegeln, sind von diesen Veränderungen betroffen. Sie sind wichtig für die Diagnose und die Planung der Behandlung von Patienten, insbesondere bei chirurgischen Eingriffen, aufgrund des Risikos einer Osteonekrose.

Ziele und Aufgaben

Anhand der verfügbaren Literatur sollen Biomarker für Störungen der Knochenremodellierung und des Endothels identifiziert werden, die die größten Werte für die Optimierung der frühen Diagnose von Mikrozirkulationsstörungen bei Patienten mit kraniofazialen Pathologien aufweisen.

Materialien und Methoden

Überblick über die Methoden zur Analyse der normalen Knochenregeneration unter Berücksichtigung von Biomarkern des Knochengewebes und regulierenden Faktoren. Untersuchung der Diagnoseregeln und Identifizierung der wertvollsten und schnellsten Störungen von Knochen und Endothelzellen der Gefäße.

Die Mechanismen, die die Verbindung zwischen Osteoklasten und Osteoblasten regulieren, sind entscheidend für die Biologie der Knochenzellen. Es wurde gezeigt, dass Osteoblasten und Osteoklasten über direkten Zellkontakt, Zytokine und Wechselwirkungen mit der extrazellulären Matrix miteinander kommunizieren können. Osteoblasten können die Bildung, Differenzierung oder Apoptose von Osteoklasten über mehrere Wege beeinflussen, wie die Wege OPG / RANKL / RANK, RANKL / LGR4 / RANK, Ephrin2 / ephB4 und Fas / FasL. Darüber hinaus beeinflussen Zytokine, die aus dem resorbierten Knochenmatrix freigesetzt werden, wie TGF-β und IGF-1, ebenfalls die Aktivität der Osteoblasten. Die Regulation der Osteoklastenaktivität erfolgt durch folgende Faktoren: das Protein, das mit dem Parathormon verwandt ist, PTHrP, 1,25-Dihydroxyvitamin D3, Thyroxin, die die Anzahl und Aktivität der Osteoklasten erhöhen. Das Hormon Calcitonin und Östrogene hemmen die Aktivität der Osteoklasten (inhibieren die Aktivität von RANKL, erhöhen die Produktion von OPG). Kalziumregulierende Hormone und Zytokine (wie Vitamin D3, Parathormon, Prostaglandin E2, IL-11) stimulieren die Osteoklastogenese. Bakterielle LPS und einige entzündungshemmende Zytokine (TNF-alpha, IL-1,3,6, Prostaglandine von Makrophagen und Osteoblasten) verstärken die Osteoklastogenese.

Osteozyten machen 95% der Gesamtzahl der Zellen des reifen Knochengewebes aus. Sie entstehen aus Osteoblasten, nachdem sie von allen Seiten von verkalktem Knochenmatrix umgeben sind. Osteozyten bestimmen das Gleichgewicht von Ca und P im Körper, regulieren die Aktivität von Osteoblasten und Osteoklasten, produzieren in geringen Mengen Komponenten der Matrix und Signalmoleküle (Prostaglandin E2, Osteoprotegerin OPG, Stickstoffmonoxid NO, RANKL, Sklerostin usw.). Die interzelluläre Substanz des Knochengewebes (Matrix) besteht aus Mineralien (Hydroxyapatiten), Proteinen (Proteoglykane, Glykoproteine, Lipide, Säuren, Kollagen Typ I bei reifen und III, IV, V, XI, XIII in Regenerationsbereichen).

Forschungsergebnisse und deren Diskussion

Der Abbau des Knochengewebes besteht aus zwei Mechanismen: Verlust von Knochengewebe und unzureichende Wiederauffüllung. Der Abbau des Knochengewebes erfolgt mit der Bildung von erosiven (resorptiven) Lakunen von Havers. Die Resorption von Knochen umfasst: die Anheftung an die Knochenoberfläche im Bereich der Resorption; die Auflösung der mineralischen Komponente der Knochenmatrix aufgrund der Versauerung der resorptiven Lakune auf pH 4,5; den Abbau organischer Komponenten durch lysosomale Enzyme; die Entfernung von Abbauprodukten aus der Lakune durch deren Austritt in helle Zonen („Entgasung“ der Zone der dichten Anheftung des Osteoklasten an die Knochenmatrix). Im Knochen führen der Verlust der proteinartigen Matrix und die erhöhte Knochenresorption zu Osteoporose und können zu pathologischen Frakturen und einem Rückgang des Wachstums der Trabekel führen. Eine Erhöhung von RANKL verursacht wahrscheinlich die osteoklast-induzierte Knochenresorption und den Knochenabbau und kann helfen zu erklären, warum bei Patienten mit Osteomyelitis ein erheblicher Verlust an Knochenmasse beobachtet wird. Im Jahr 2003 wurden die ersten Berichte veröffentlicht, die Osteonekrose des Kiefers bei Patienten beschreiben, die Bisphosphonate erhielten. Im letzten Protokoll von 2014 änderte die AAOMS den Begriff in medikamenteninduzierte Osteonekrose des Kiefers (MRONJ). In letzter Zeit gibt es eine ausreichende Anzahl von Studien, die die für Kliniker relevantesten Biomarker der Knochenregeneration angeben (Tab. 1).

TRAP wird von Osteoklasten während der Knochenresorption exprimiert, und die TRAP-Aktivität im Serum korreliert mit der resorptiven Aktivität bei Störungen des Knochenstoffwechsels. TRAP 5b wird als Referenz für die Aktivität und Anzahl der Osteoklasten verwendet und kann spezifisch im Serum mittels immunologischer Analysen nachgewiesen werden.

In der Studie zum bisphosphonatinduzierten Osteonekrose zeigte die Färbung von TRAP, dass die Anzahl der TRAP-positiven (aktivierten) Osteoklasten bei der Behandlung mit ZOL abnahm (Anzahl der TRAP-positiven Zellen: Kontrollgruppe, 5,5 ± 1,4; ZOL-Gruppe, 3,0 ± 2,1). Es gab keine signifikanten Unterschiede zwischen den Gruppen. Vor der Immunhistochemie wurde die endogene Peroxidaseaktivität durch Abschnitte, die in Wasserstoffperoxid inkubiert wurden, inhibiert. Die Schnitte wurden einer Antigen-Suche mit einem Citrate-Phosphat-Puffer (pH 6,0) unterzogen. Zur Bewertung der zellulären Antwort während der Knochenremodellierung wurden primäre Antikörper gegen OPG, RANKL und TRAP verwendet, polyklonale Antikörper, die in Ziegen produziert wurden (Santa Cruz Biotechnology, Dallas, Texas, USA). TRAP 5b kann spezifisch im Serum mittels immunhistochemischer Analyse (im Folgenden – IHC) bereits am siebten Tag nach der ersten Verabreichung von Denosumab an Ratten nachgewiesen werden. Dies deutet darauf hin, dass Denosumab die Bildung reifer Osteoklasten in vivo unterdrückt. Da Denosumab Osteonekrose ohne zytotoxische Wirkung als solche verursacht, kann angenommen werden, dass die Nekrose aufgrund struktureller Veränderungen auftritt, wie z.B. einer nicht resorbierbaren Oberfläche der Knochen oder dem Fehlen von Gefäßkeimung. Die Methode der histochemischen Bewertung wurde in einem experimentellen Modell der Osteonekrose der Kiefer von Ratten unter Einnahme von Denosumab von den Autoren Williams et al. (2014) beschrieben – der Oberkiefer und der Oberschenkelknochen wurden von Ratten isoliert, in 4% Paraformaldehyd fixiert, mit einem Pufferlösung pH 7.4 bei 4 Grad über Nacht fixiert und in 70% Ethanol fixiert. Anschließend wurde eine Mikro-Computertomographie durchgeführt, nach der das erhaltene Gewebe in 5% EDTA und 4% Saccharose in einem Puffer pH 7.4 dekalziniert wurde.

Die knochenspezifische alkalische Phosphatase (BALP) wird bei normaler Leberfunktion bei Erwachsenen aus dem Knochen im Blutserum produziert. Für den immunoenzymatischen Test von BALP liegt die Nachweisgrenze bei 0,7 U/l, während die Mittelwerte 24,9 ± 7,0 U/l und 19,7 ± 5,6 U/l für Männer und Frauen in der Prämenopause betragen. Somit kann BALP ein Marker der Wahl bei der frühen Diagnose von Knochenstoffwechselstörungen sein.

Serum-Osteocalcin gilt als spezifischer Biomarker für die Funktion der Osteoblasten zur Bewertung der Bildungsgeschwindigkeit von Knochengewebe bei Osteoporose. Ein Anstieg des intakten Osteocalcins im Blutserum spiegelt die Synthese neuer Osteoblasten wider. Nach dem Eintritt in den Blutkreislauf aus der extrazellulären Flüssigkeit unterliegt Osteocalcin einer schnellen proteolytischen Abbau zu Polypeptidfragmenten: Aminosäuren 1–19 (N-terminal), 20–43 (MID), 1–43 (N-MID), 44–49 (C-terminal), 20–49 (MID-C).

Der vernetzte Carboxyterminus des Typ-1-Kollagen-Telopeptids (CTX-1, C-terminales Telopeptid, CrossLaps) ist ein Abbauprodukt von Typ-1-Kollagen. Es werden α- (junges Alter) und β-Isomere (Erwachsene) von CrossLaps unterschieden. Bei Knochenmetastasierung wird ein mehr als 20-faches Ansteigen der CrossLaps-Konzentration im Blutserum beobachtet, dessen Niveau nach der Menopause ansteigt und ein Jahr nach der medikamentösen Therapie mit Bisphosphonaten wieder normal wird. In Situationen mit erhöhtem Knochenumbau wird Typ-1-Kollagen von Osteoklasten abgebaut, die CrossLaps-Moleküle freisetzen. In der Studie von Marx RE et al wurde festgestellt, dass das Risiko für Komplikationen nach chirurgischen Eingriffen im Mundraum, einschließlich der Entwicklung von Osteonekrose, mit der Menge an CrossLaps im Blutserum korreliert.

Der Rezeptoraktivator des Liganden NF-κB (RANKL) im menschlichen Blutserum zeigt laut Studien das Vorhandensein von metabolischen Knochenerkrankungen. Es gibt eine Reihe von Studien, die biochemische Marker bei der Diagnose von Thrombose und endothelialer Dysfunktion angeben. vWF spielt eine zentrale Rolle in der primären Hämostase, wo er die Adhäsion von Thrombozyten an das geschädigte vaskuläre Subendothel und anschließend die Aggregation von Thrombozyten vermittelt. Experimentelle Daten weisen darauf hin, dass der von Willebrand-Faktor ein Inhibitor der angiogenen Prozesse ist, der von dem vaskulären endothelialen Wachstumsfaktor (VEGF) abhängt und seine Wirkung durch intrazelluläre und extrazelluläre Mechanismen unter Beteiligung von avb3 und Angiopoietin-2 entfaltet, die als Liganden für den von Willebrand-Faktor dienen. Der Inhibitor des Gewebefaktors (TFPI) kann die Angiogenese unabhängig von TF durch Sequenzen an seinem Carboxylende (C-TFPI) beeinflussen, indem er die Aktivierung des VEGF-Rezeptors 2 blockiert und die Migrationsfähigkeit der Endothelzellen verringert. Erhöhte TFPI-Spiegel im Plasma bei entzündlichen Zuständen können zu einer endothelialen Dysfunktion führen. Syndecan-1 ist ein Heparansulfat-Proteoglykan der Zelloberfläche, das die entzündliche Antwort, die Proliferation von glatten Muskelzellen (SMC) bei Gefäßschäden reguliert und prognostisch notwendig ist, um die Dynamik der entzündlichen Reaktion im Körper zu bestimmen.

Fazit

Das Ausgangsniveau dieser Marker ermöglicht die Bewertung des allgemeinen Zustands der Stoffwechselprozesse im Knochengewebe sowie die Begründung der Möglichkeit, Medikamente abzusetzen, die nekrotische Veränderungen in den Kiefern verursacht haben. Es ist bekannt, dass medikamentenassoziierte Nekrosen der Kiefer vor dem Hintergrund der Einnahme von Medikamenten (Aminobisphosphonate, monoklonale Antikörper, narkotische phosphathaltige Substanzen) nach einer Verletzung, wie z.B. einer Zahnextraktion, auftreten. So ist beispielsweise die Durchführung der oben genannten Marker bei Patienten mit medikamenteninduzierten Osteonekrosen des Unterkiefers in langfristigen Beobachtungszeiträumen (sechs Monate und mehr) notwendig, um die Resorption zu kontrollieren. Bei Osteoporose wurde eine Aktivität der knochenspezifischen alkalischen Phosphatase von 66,4 ± 8,7 U/l bei Frauen über 59 Jahren festgestellt. Der durchschnittliche Osteocalcinspiegel zeigte einen signifikanten Unterschied zwischen postmenopausaler Osteoporose (16,16 ± 4,50 ng/ml) und Nicht-Osteoporose (11,26 ± 3,07 ng/ml) bei Frauen. Das Fehlen des von-Willebrand-Faktors im Serum zeigt ausgeprägte angiogene Prozesse: In In-vitro-Modellen wurde ein signifikantes Ansteigen der Proliferation von Endothelzellen bei Fehlen des von-Willebrand-Faktors demonstriert. Bei Patienten mit Osteonekrose wird ein Rückgang von VEGF beobachtet. Die Untersuchung von Markern der Knochengewebsdegeneration und vaskulären Markern ermöglicht ein klareres Verständnis der Prinzipien der Entstehung von Osteonekrose und somit eine präzisere Prognose, die Identifizierung potenzieller Marker der Entzündungsreaktion und Degeneration des Knochens sowie die gezielte Auswahl der Behandlungstaktik für diese Patienten, Art des chirurgischen Eingriffs: konservativ, operativ (partielle Resektion, vollständige Resektion der Kiefer), palliativ, prä- und postmedikamentöse Vorbereitung des Körpers auf den Eingriff.

G.A. Kosach, S.I. Kutukova, T.D. Vlasov, A.I. Jaremko

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