Die Wirkung von IGF1 auf Zellen des parodontalen Ligaments unter Einfluss von Hypoxie und Entzündung

Abstract

Der Zahnhalteapparat ist verschiedenen Stressfaktoren ausgesetzt. Neben dem Stress durch mechanische Belastung als Folge von physiologischen Prozessen (z.B. Mastikation, Okklusion) bzw. zahnärztlichen Behandlungen (z.B. kieferorthopädische Zahnbewegung), spielen vor allem inflammatorische und hypoxische Reize eine große Rolle. Das den Zahn verankernde Bindegewebe (parodontales Ligament, PDL) zwischen Zahn und Knochen kann wichtige Funktionen hinsichtlich Druckverteilung und Regeneration von Defekten ausüben.<br /> In dieser Arbeit wurde überprüft, welchen Einfluss der Wachstumsfaktor IGF1 auf PDL-Zellen hat, wenn diese inflammatorischen (IL-1β) und hypoxischen (0,5 % O₂) Verhältnissen ausgesetzt sind. Aufgrund der allgemein bekannten IGF1-Effekte, wie z.B. Hemmung der Apoptose, Förderung von Proliferation, aber auch Differenzierung, könnte eine therapeutische Anwendung von IGF1 bei entzündlichen Erkrankungen des Zahnhalteapparates in Frage kommen. Die PDL-Zellen wurden hinsichtlich ihrer basalen Genexpression und ihres Sauerstoffverbrauchs charakterisiert. Es wurde der Einfluss von IGF1 auf die Proliferation, die Differenzierung und die differentielle Expression verschiedener Gene untersucht. Hierfür wurden Gene ausgewählt, welche bei der Regulation von Prozessen wie Angiogenese, Osteoblasten- und Osteoklastendifferenzierung bzw- aktivierung eine Rolle spielen. Außerdem wurde die mRNA-Expression von Komponenten des IGF-Systems unter den verschiedenen Bedingungen untersucht.<br /> Es konnte gezeigt werden, dass PDL-Zellen einen sehr geringen Sauerstoffbedarf haben. IL-1β führte zu einem verminderten Sauerstoffverbrauch. Hypoxie mit 0,5 % Sauerstoff im Inkubationsgas förderte die Proliferation der Zellen. IL-1β hingegen hemmte die Proliferation. IGF1 hatte auf die angeführten Effekte nur geringen positiven bis keinen Einfluss. In einem <i>in-vitro</i>-Wundheilungsmodell hingegen konnte IGF1 den hemmenden Effekt von IL-1β umkehren. Aufgrund des schwachen Einflusses von IGF1 auf den IL-1β-Effekt hinsichtlich der Proliferation, könnte der Wundverschluss durch eine erhöhte Migration der Zellen unter zusätzlichem IGF1 begünstigt sein. Unter entzündlichen und hypoxischen Bedingungen, zur Simulation einer Parodontitis, wurden Gene reguliert, welche zur Begünstigung von Angiogenese, Lymphangiogenese, Osteoklastenaktivierung, zur Hemmung der Osteoblastenfunktion, zum Integritätsverlust des PDLs, sowie zu Zerstörung der extrazellulären Matrix beitragen können. Die beobachteten Einflüsse von IGF1 auf die Transkription einiger der untersuchten Gene könnten zur Hemmung des Knochenabbaus und zu einer Milderung der Entzündungsreaktion verhelfen. Um diese Beobachtungen zu verifizieren, müssen weitere Versuche auf Proteinebene folgen.

<strong>The effect of IGF1 on cells of the periodontal ligament under hypoxic and inflammatory conditions</strong><br /> The tooth supporting apparatus is exposed to various stress factors. In addition to mechanical stress as a consequence of physiological processes (e.g. mastication, occlusion) respectively dental treatments (e.g. orthodontic tooth movement), especially inflammatory and hypoxic stimuli are relevant stressors (e.g. gingivitis, periodontitis). The tooth-anchoring connective tissue (periodontal ligament, PDL) located between tooth and alveolar bone can administrate important functions concerning pressure balancing and regeneration of defects.<br /> In this work it was tested, how IGF1 influenced PDL cells when these were exposed to inflammatory (IL-1β) and hypoxic (0.5 % O₂) conditions. Due to the fact that IGF1 can inhibit apoptosis, advance proliferation, but also differentiation, the therapeutic application of IGF1 could come into consideration for treating inflammatory diseases of the tooth supporting apparatus. PDL cells were characterized concerning their basic gene expression and oxygen consumption. The influence of IGF1 on proliferation, differentiation and differential expression of various genes involved in processes like angiogenesis, osteoblastic and osteoclastic differentiation respectively activation were analyzed. Furthermore, the mRNA expression of IGF system components was investigated. <br /> PDL cells were shown to have a low oxygen demand. Additionally, IL-1β reduced oxygen consumption. Hypoxia with 0.5 % O₂in the incubation gas increased proliferation. However, IL-1β inhibited proliferation. IGF1 hardly influenced the effects of IL-1β mentioned above. In contrast, IGF1 could reverse the negative impact of IL-1β in an <i>in-vitro</i> wound healing model. Due to the weak IGF1 influence on the IL-1β effect concerning proliferation, wound closure could be supported by increased migration of the PDL cells under additional IGF1. Inflammatory and hypoxic conditions led to the regulation of genes that support angiogenesis, lymph angiogenesis, osteoclast activation, inhibition of osteoblast function, loss of integrity of the PDL as well as degradation of extracellular matrix. However, observed influences of IGF1 on the transcription of a few investigated genes could contribute to the mitigation of IL-1β-induced bone destruction as well as inflammatory reaction. <br /> Further investigations are necessary to resolve, how far IGF1 affects the translation of studied mRNAs or post-translational modification on protein level.