Metabolic reprogramming of osteoclasts represents a therapeutic target during the treatment of osteoporosis

1. Zusammenfassung 1.1. Hintergrund und Ziele Knochen ist ein aktives Gewebe, welches einen ständigen Umbauprozess durchläuft. Dieser wird zu gleichem Anteil von den knochenbildenden Osteoblasten und knochenabbauenden Osteoklasten bewältigt. Mit zunehmendem Alter oder als Folge von Krankheiten wird das Gleichgewicht zugunsten der Osteoklasten verschoben. Folglich überwiegt der Knochenabbau und das Frakturrisiko steigt an. Ansatzpunkte für neue Therapien sind zum einem die Reduktion der Osteoklastenanzahl oder die Hemmung ihrer Aktivität. Die Differenzierung und die Aktivität des Osteoklasten sind energetisch aufwändige und hochkomplexe Prozesse. Aktuelle Forschungsarbeiten deuten darauf hin, dass der Osteoklast im Laufe seiner Entwicklung einen metabolischen Wandel vollzieht. Aus methodisch-technischen Gründen blieb das metabolische Profil des aktiven, knochenresorbierenden Osteoklasten aber weitestgehend unerforscht. Das Ziel dieser Arbeit ist es, den gesamten Metabolismus des Osteoklasten besser zu verstehen, um daraus neue Strategien für Therapien zu entwickeln. Um dies zu erreichen, wird zunächst ein neues Medium etabliert, welches feinste Knochenfragmente enthält. Dieses induziert eine Differenzierung und weiter eine Aktivierung der Zellen, um so zwischen einem ruhenden und einem aktiven Osteoklasten in verschiedenen Versuchsmodellen zu unterscheiden. 1.2. Methoden Zur Herstellung des Knochenpulvermediums werden Rinderknochen fein zermahlen. Für die Anwendung in der Zellkultur wird das Pulver gelöst und in mehreren Schritten sterilisiert. Die aus Mausknochenmark isolierten Stammzellen werden entweder mit Osteoklastenmedium oder Knochenpulvermedium inkubiert. Auf diese Weise werden zwei Gruppen, die der ruhenden und die der aktivierten Osteoklasten unterschieden 2 und in weiteren Experimenten auf metabolischer Ebene verglichen. Dafür kommen eine extrazelluläre Durchfluss-Analyse mit dem sogenannten „Seahorse“, ein Metabolom und die Messung von Stoffwechselprodukten im Überstand der Zellkulturschalen zum Einsatz. In Osteoplatten, die eine dünne Knochenschicht enthalten, wird die resorptive Aktivität der Zellen gemessen. Anschließend werden die für die Resorption als relevant identifizierten Stoffwechselwege sowie deren Metabolite als Therapieversuch im Osteoporose-Mausmodell geblockt. 1.3. Beobachtungen und Ergebnisse Im Gegensatz zu ruhenden Osteoklasten zeichnen sich aktivierte Osteoklasten durch eine gleichzeitige Steigerung der Glykolyseaktivität und der mitochondrialen Atmung aus. Unsere metabolischen Analysen zeigen einen Anstieg an Metaboliten der Glykolyse und des Krebszyklus in aktivierten Osteoklasten. In Übereinstimmung mit dem aktuellen Stand der Wissenschaft stellen wir fest, dass die oxidative Phosphorylierung für die Osteoklastendifferenzierung wesentlich ist. Durch die Hemmung des mitochondrialen Komplexes I mit Rotenone wurde die Fähigkeit der Osteoklasten zur Differenzierung und Fusion signifikant verringert, die knochenresorbierende Aktivität aber nur mäßig beeinflusst. Im Gegensatz dazu, blockierte die Hemmung der Glykolyse durch 2-Desoxy-D-Glukose (2dG) effizient die Knochenresorption, zeigte aber keinen Einfluss auf die Osteoklastendifferenzierung. Die funktionelle Hemmung der Osteoklasten durch 2-dG konnte durch die Zufuhr von Pyruvat oder Laktat behoben werden. Wir erzielten eine wirksame Verbesserung des durch Ovariektomie verursachten Knochenabbaus bei Mäusen, die mit einem Glykolyse- oder Laktatinhibitor behandelt wurden. 1.4. Praktische Schlussfolgerungen Die erhobenen Daten machen deutlich, dass der Osteoklast während seiner Entwicklung einer spezifischen metabolischen Adaptierung unterliegt, welche seine spätere Aktivität bestimmt. Für seine vollständige Funktion im Knochenabbau zeigt er spezielle energetische und metabolische Bedürfnisse. Die aerobe Glykolyse sowie deren Endprodukt Laktat sind entscheidend für seine resorptiven Fähigkeiten. Unsere Erkenntnisse ermöglichen damit einen neuen therapeutischen Ansatz in der Behandlung von Erkrankungen, die mit einer erhöhten Osteoklastenaktivität und damit reduzierten Knochendichte einhergehen

Neutralizing monoclonal antibodies against SARS-CoV-2 for COVID-19 pneumonia in a rituximab treated patient with systemic sclerosis—A case report and literature review

Patients with immune-mediated diseases (IMID) such as systemic sclerosis (SSc), who are treated with B cell depleting treatments, are at risk for developing severe COVID-19 due to inadequate humoral immune response. During B cell depletion, therapeutic substitution of neutralizing monoclonal antibodies against the SARS-CoV-2 spike protein (mAbs) might be helpful to prevent severe COVID-19. It has been shown, that in non-IMID patients mABs reduce SARS-CoV-2 viral load and lower the risk of COVID-19 associated hospitalization or death. However, there are limited data on the effect of mAbs in IMID patients after exposure, especially in patients treated with B cell depleting agents. Herein, we report a case of a rituximab treated SSc patient who developed COVID-19 and was successfully treated with a combination of mAbs (casirivimab/imdevimab). With this case we show that IMID patients may benefit from post-exposure administration of mAbs. In our case treatment with neutralizing autoantibodies was safe and a possible contributor in protecting the patient from mechanical ventilation and eventually death. We frame this case within the current evidence from the literature and provide a perspective on the future potential role of mAbs for treating IMID patients suffering from COVID-19

Metabolic reprogramming of osteoclasts represents a therapeutic target during the treatment of osteoporosis

Osteoclasts are specialised bone resorbing cells that control both physiological and pathological bone turnover. Functional changes in the differentiation and activity of osteoclasts are accompanied by active metabolic reprogramming. However, the biological significance and the in vivo relevance of these events has remained unclear. Here we show that bone resorption of differentiated osteoclasts heavily relies on increased aerobic glycolysis and glycolysis-derived lactate production. While pharmacological inhibition of glycolysis did not affect osteoclast differentiation or viability, it efficiently blocked bone resorption in vitro and in vivo and consequently ameliorated ovariectomy-induced bone loss. Our experiments thus highlight the therapeutic potential of interfering with osteoclast-intrinsic metabolic pathways as possible strategy for the treatment of diseases characterized by accelerated bone loss

PPARδ-mediated mitochondrial rewiring of osteoblasts determines bone mass

International audienceBone turnover, which is determined by osteoclast-mediated bone resorption and osteoblast-mediated bone formation, represents a highly energy consuming process. The metabolic requirements of osteoblast differentiation and mineralization, both essential for regular bone formation, however, remain incompletely understood. Here we identify the nuclear receptor peroxisome proliferator-activated receptor (PPAR) δ as key regulator of osteoblast metabolism. Induction of PPARδ was essential for the metabolic adaption and increased rate in mitochondrial respiration necessary for the differentiation and mineralization of osteoblasts. Osteoblast-specific deletion of PPARδ in mice, in turn, resulted in an altered energy homeostasis of osteoblasts, impaired mineralization and reduced bone mass. These data show that PPARδ acts as key regulator of osteoblast metabolism and highlight the relevance of cellular metabolic rewiring during osteoblast-mediated bone formation and bone-turnover

An AI-Powered Clinical Decision Support System to Predict Flares in Rheumatoid Arthritis: A Pilot Study

Treat-to-target (T2T) is a main therapeutic strategy in rheumatology; however, patients and rheumatologists currently have little support in making the best treatment decision. Clinical decision support systems (CDSSs) could offer this support. The aim of this study was to investigate the accuracy, effectiveness, usability, and acceptance of such a CDSS—Rheuma Care Manager (RCM)—including an artificial intelligence (AI)-powered flare risk prediction tool to support the management of rheumatoid arthritis (RA). Longitudinal clinical routine data of RA patients were used to develop and test the RCM. Based on ten real-world patient vignettes, five physicians were asked to assess patients’ flare risk, provide a treatment decision, and assess their decision confidence without and with access to the RCM for predicting flare risk. RCM usability and acceptance were assessed using the system usability scale (SUS) and net promoter score (NPS). The flare prediction tool reached a sensitivity of 72%, a specificity of 76%, and an AUROC of 0.80. Perceived flare risk and treatment decisions varied largely between physicians. Having access to the flare risk prediction feature numerically increased decision confidence (3.5/5 to 3.7/5), reduced deviations between physicians and the prediction tool (20% to 12% for half dosage flare prediction), and resulted in more treatment reductions (42% to 50% vs. 20%). RCM usability (SUS) was rated as good (82/100) and was well accepted (mean NPS score 7/10). CDSS usage could support physicians by decreasing assessment deviations and increasing treatment decision confidence