2019 Menopause (New York, N.Y.) Mechanismus / Präklinisch Inhalation

2019 · Wu — Wasserstoffgas schützt vor ovariektomie-induzierter Osteoporose durch Hemmung der NF-κB-Aktivierung.

Originaltitel: Hydrogen gas protects against ovariectomy-induced osteoporosis by inhibiting NF-κB activation.

Kurzfassung

Bei Mäusen mit chirurgisch induziertem Östrogenmangelmodell (Ovariektomie als Modell der postmenopausalen Osteoporose) reduzierte die Inhalation von 60 % molekularem Wasserstoff (H₂) den Knochenschwund deutlich. Die Trabekelknochendichte stieg um mehr als 40 % und proinflammatorische Zytokine sanken um mehr als 50 % im Vergleich zu unbehandelten ovariektomierten Tieren. Der vorgeschlagene Mechanismus läuft über eine Hemmung des NF-κB-Signalwegs, der die Osteoklastendifferenzierung antreibt. (Menopause, 2019.)

Klassifiziert als Mechanismus / Präklinisch-Studie mit Inhalation. Siehe Methodik zur Evidenz-Einstufung.

Kommentar

Diese Tierstudie befasst sich mit der mechanistischen Frage, wie H₂ dem östrogenmangelbedingten Knochenverlust entgegenwirken könnte. Anhand von Raw264.7-Zellkulturen, die mit RANKL stimuliert wurden — einem zentralen Treiber der Osteoklastogenese — zeigten die Forscher, dass 60 % H₂ die Osteoklastenzahl und die Resorptionsgrubengröße um den Faktor drei bis vier reduzierte und NF-κB-Kerntranslokation sowie Transkriptionsaktivität unterdrückte. Das In-vivo-Ovariektomie-Mausmodell replizierte diese Befunde auf Gewebeebene: Die Mikro-CT bestätigte ein deutlich höheres Trabekelknochenvolumen. Da der NF-κB-Signalweg ein gut etablierter Treiber der inflammatorischen Osteoklastogenese ist, ist die mechanistische Erklärung biologisch plausibel. Der Sprung von Mäusen und kultivierten Makrophagen-Vorläuferzellen zu postmenopausalen Frauen ist jedoch groß: Der Knochenumbau unterscheidet sich zwischen den Spezies, die verwendete H₂-Dosis (60 %) liegt weit über jeder praktisch erreichbaren therapeutischen Inhalationskonzentration beim Menschen, und die Studie war nicht darauf ausgelegt, klinisch relevante Frakturrisiko- oder Knochenqualitätsendpunkte zu untersuchen.

Wichtige Zitate

„Die Anzahl der Osteoklasten und die Größe der Resorptionsgruben der RANKL+H₂-behandelten Zellen waren 3 bis 4-mal geringer als bei RANKL-behandelten Zellen.“ Original (EN): „The number of osteoclasts and size of resorption pits of RANKL+H2-treated cells were 3 to 4 times less than RANKL treated cells.“ — H₂ hemmte die Osteoklastenbildung in der Zellkultur stark
„H₂ hemmte die RANKL-induzierte Aktivierung, Kerntranslokation und Transkriptionsaktivität von NF-κB deutlich.“ Original (EN): „H2 markedly inhibited RANKL-induced activation, nuclear translocation, and transcriptional activity of NF-κB.“ — der vorgeschlagene Molekularmechanismus: Blockade des NF-κB-Signalwegs
„Die Trabekelknochenmenge und die Knochenmineraldichte der H₂-inhalierenden OVX-Mäuse waren um mehr als 40 % höher … die Spiegel der proinflammatorischen Zytokine Interleukin-1β, IL-6 und Tumornekrosefaktor-α waren um mehr als 50 % niedriger als bei OVX-Mäusen.“ Original (EN): „The amount of trabecular bone and bone mineral density of OVX mice that inhaled H2 were more than 40% higher … the levels of serum proinflammatory cytokine interleukin 1β, IL-6, and tumor necrosis factor-α were more than 50% lower than those of OVX mice.“ — zentrales In-vivo-Ergebnis: Knochen erhalten, Entzündung reduziert

Unsere Einordnung

Eine interessante mechanistische Tierstudie, aber kein Wirksamkeitsbeleg beim Menschen. Die Ergebnisse stammen ausschließlich aus einem Mausmodell und einer Zellkultur — keine menschlichen Probanden wurden einbezogen. Die verwendete H₂-Konzentration (60 %) ist eine pharmakologische Dosis in einem experimentellen Setting, die nicht direkt auf die praktische Humananwendung übertragen werden kann. Eine NF-κB-Hemmung als Mechanismus ist plausibel und wird durch andere H₂-Literatur gestützt, aber die klinische Translation erfordert Dosisfindung, Sicherheitsdaten und kontrollierte Studien bei postmenopausalen Frauen. Die Schlussfolgerung der Autoren, dass „H₂ ein wirksames Therapeutikum bei postmenopausaler Osteoporose sein könnte”, ist eine Hypothese, kein etabliertes Ergebnis.

Studiendesign

Typ: präklinische Tier- und Zellkulturstudie · Modell: ovariektomierte C57BL/6-Mäuse; Raw264.7-Makrophagen-Zelllinie (RANKL-stimuliert) · H₂-Gabe: 60 % H₂-Inhalation (in vivo); 60 % H₂-Atmosphäre (in vitro)
Ergebnis: 40 % höhere Trabekelknochenmasse und Mineraldichte bei H₂-inhalierenden OVX-Mäusen vs. unbehandelten OVX-Mäusen; 3–4× weniger Osteoklasten und kleinere Resorptionsgruben in vitro; NF-κB-Kerntranslokation und Transkriptionsaktivität deutlich reduziert; proinflammatorische Zytokine (IL-1β, IL-6, TNF-α) ↓ >50 %

Abstract (deutsche Übersetzung)

ZIELE: Osteoporose ist eine weit verbreitete Erkrankung bei postmenopausalen Frauen, für die zufriedenstellende therapeutische Optionen fehlen. Es wurde gezeigt, dass Wasserstoff (H₂) bei der Linderung vieler Krankheiten wirksam ist. Diese Studie untersuchte die Auswirkungen von H₂ auf die Hemmung der Osteoklastogenese und des Knochenschwunds bei ovariektomierten Mäusen. METHODEN: Die Osteoklastendifferenzierung aus Raw264.7-Zellen wurde mit dem Rezeptoraktivator NF-κB-Ligand (RANKL) mit oder ohne 60 % H₂ induziert. Die Anzahl und Resorptionsaktivität der Osteoklasten wurde durch Tartrat-resistente saure Phosphatase-Färbung bzw. den Pit-Formation-Assay beurteilt. Die Expression von Osteoklastenmarkern und die NF-κB-Phosphorylierung wurden durch Western Blot nachgewiesen. Die NF-κB-Kerntranslokation wurde durch Immunfluoreszenz beurteilt. Die NF-κB-Transkriptionsaktivität wurde durch den Luciferase-Assay analysiert. Knochenverlust bei Mäusen wurde durch Ovariektomie (OVX) induziert. OVX-Mäuse erhielten entweder normale Luft oder 60 % H₂. Die Knochenstruktur wurde durch Mikro-Computertomographie und Hämatoxylin-Eosin-Färbung analysiert. Zytokinkonzentrationen wurden durch ELISA gemessen. ERGEBNISSE: H₂ hatte keinen messbaren Effekt auf die Proliferation von Raw264.7-Zellen. Die Anzahl der Osteoklasten und die Größe der Resorptionsgruben der RANKL+H₂-behandelten Zellen waren 3 bis 4-mal geringer als bei RANKL-behandelten Zellen. Die Expression von Osteoklastenmarkergenen der RANKL+H₂-behandelten Zellen war 30 % bis 60 % niedriger als bei RANKL-behandelten Zellen (P < 0,05). H₂ hemmte die RANKL-induzierte Aktivierung, Kerntranslokation und Transkriptionsaktivität von NF-κB deutlich (P < 0,05, RANKL+H₂ vs. RANKL). Die Trabekelknochenmenge und -dichte sowie die Knochenmineraldichte der ovariektomierten Mäuse waren signifikant geringer als bei schenoperierten Mäusen (P < 0,05 OVX vs. Sham). Die Trabekelknochenmenge und die Knochenmineraldichte der H₂-inhalierenden OVX-Mäuse waren um mehr als 40 % höher, während die Spiegel der proinflammatorischen Zytokine Interleukin-1β, IL-6 und Tumornekrosefaktor-α um mehr als 50 % niedriger waren als bei OVX-Mäusen (P < 0,05). SCHLUSSFOLGERUNGEN: Diese Ergebnisse zeigten, dass H₂ ein wirksames Therapeutikum bei postmenopausaler Osteoporose sein könnte.

Original-Abstract (englisch)

OBJECTIVES: Osteoporosis is a prevalent condition among postmenopausal women, and lacks satisfactory therapeutic options. Hydrogen (H2) has been shown to be effective in alleviating many diseases. This study aimed to investigate the effects of H2 on inhibiting osteoclastogenesis and bone loss in ovariectomized mice. METHODS: Osteoclast differentiation from Raw264.7 cells was induced with receptor activator NF-κB ligand (RANKL) with or without 60% H2. The number and resorption activity of osteocalsts were assessed by tartrate-resistant acid phosphatase staining and pit formation assay, respectively. The expression of osteoclast markers and NF-κB phosphorylation were detected by western blot. NF-κB nuclear translocation was assessed by immunofluorescence. NF-κB transcriptional activity was analyzed by luciferase assay. Bone loss in mice was induced by ovariectomy (OVX). OVX mice were given either regular air or 60% H2. Bone structure was analyzed by micro-computed tomography and hematoxylin and eosin staining. Cytokine levels were measured by enzyme-linked immunosorbent assay. The data were analyzed with one-way or two-way ANOVA followed by Bonferroni post hoc tests. RESULTS: H2 did not have any measurable effect on the proliferation of Raw264.7 cells. The number of osteoclasts and size of resorption pits of RANKL+H2-treated cells were 3 to 4 times less than RANKL treated cells. The expression of osteoclast marker genes of RANKL+H2-treated cells was 30% to 60% lower than RANKL-treated cells (P < 0.05). H2 markedly inhibited RANKL-induced activation, nuclear translocation, and transcriptional activity of NF-κB (P < 0.05, RANKL+H2 vs RANKL). The amount and density of trabecular bone and bone mineral density of ovariectomized mice were significantly less than sham-operated mice (P < 0.05 OVX vs sham). The amount of trabecular bone and bone mineral density of OVX mice that inhaled H2 were more than 40% higher, whereas the levels of serum proinflammatory cytokine interleukin 1β, IL-6, and tumor necrosis factor-α were more than 50% lower than those of OVX mice (P < 0.05). CONCLUSIONS: These results demonstrated that H2 could be an effective therapeutic agent of postmenopausal osteoporosis.

Quelle & Links

Screenshot der PubMed-Seite

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