Prostaglandin E2 (PGE2) Autoamplifies its Production Through EP1 Subtype of PGE Receptor in Mouse Osteoblastic MC3T3-E1 Cells

Prostaglandin E₂ (PGE₂) is known to autoamplify its production in the osteoblasts through the induction of prostaglandin G/H synthase-2 (PGHS-2), which is the inducible form of the rate-limiting enzyme in PG synthesis, PGHS. To elucidate the cellular mechanism mediating this process, we have employed the PGE₂ analogs, which are specific agonists for four subtypes of PGE receptor, and studied the potency of these analogs to induce PGHS-2 mRNA in mouse osteoblastic MC3T3-E1 cells. The induction was mainly observed by 17-phenyl-ω-trinor PGE₂ (EP₁ agonist) and sulprostone (EP₃/EP₁ agonist), but not by butaprost (EP₂ agonist) or 11-deoxy PGE₁ (EP₄/EP₂ agonist). Since EP₃ subtype was undetectable in MC3T3-E1 cells, these data indicate that PGHS-2 mRNA induction is mediated through EP₁ subtype of PGE receptor in MC3T3-E1 cells. PGE₂ production determined by radioimmunoassay was also increased by 17-phenyl-ω-trinor PGE₂ and sulprostone. The autoamplification of PGE₂ production is considered to be important in elongating the otherwise short-lived PGE₂ action in certain physiological conditions such as mechanical stress and fracture healing, as well as the pathological inflammatory bone loss. The observations in the present study provide us with the better understanding of these processes. Received: 29 April 1997 / Accepted: 22 August 1997     

Inhibitory Effects of 1,25(OH)2D3 on Membrane-Associated and Cytosolic Casein Kinase Activity in MC3T3-E1 Osteoblast-like Cells

The secretion of phosphorylated matrix proteins is high in osteoblasts. Phosphorylation of these proteins may be catalyzed by casein kinases (CK), and CK may play an important role in the site of bone mineralization. In this study, we examined the effects of 1,25(OH)₂D₃ on CK activities in MC3T3-E1 osteoblast-like cells. Different concentrations (ranging from 10⁻⁷ to 10⁻¹¹M) of 1,25(OH)₂D₃ were included in a culture medium. After incubation for various lengths of time, MC3T3-E1 cells were homogenized and segregated into cytosolic (c) and microsomal (m) fractions. To measure CK activity, each fraction was used as an enzyme source to phosphorylate casein. MC3T3-E1 cells showed the highest cCK activity after incubation for 21 days, and showed the highest mCK activity after incubation for 14 days. 1,25(OH)₂D₃ inhibited mCK activity at the early stage of culture, but inhibited cCK activity at the late stage of culture. In contrast, 1,25(OH)₂D₃ had a slight stimulatory effect on CK activity in the culture medium of MC3T3-E1 cells. Our data suggest that cCK and mCK may play different roles in the function of osteoblasts, and 1,25(OH)₂D₃ regulates intracellular and extracellular casein kinase activities related to the function of osteoblasts. Received: 26 June 1997 / Accepted: 23 March 1998     

Die lokale Freisetzung von IGF-I und TGF-b1 aus einer biodegradierbaren Poly(D,L-Lactid) Beschichtung von Implantaten beschleunigt die Frakturheilung

Zusammenfassung. In zahlreichen in vitro und in vivo Studien konnte eine osteoinduktive Wirkung von Wachstumsfaktoren, wie IGF-I oder TGF-β1 nachgewiesen werden. Die lokale Applikation der Faktoren für einen therapeutischen Einsatz bei der Frakturheilung stellt jedoch ein Problem dar. Die kontinuierliche Freisetzung von Wachstumsfaktoren aus einer biodegradierbaren Beschichtung von Implantaten k?nnte die Frakturheilung lokal stimulieren. Das beschichtete Osteosynthesematerial würde einerseits die Fraktur stabilisieren und gleichzeitig als „Carrier“ für die lokale Freisetzung von Wirksubstanzen dienen. Vorversuche zeigten eine hohe mechanische Stabilit?t einer 10 μm dünnen Poly(D,L-Lactid)-Beschichtung (PDLLA) auf Metalloberfl?chen, die einer intramedull?ren Implantation zu 96 % standhielt. Nach einem initialen Peak wurden 80 % der eingearbeiteten Wachstumsfaktoren IGF-I und TGF-β1 kontinuierlich über einen Zeitraum von 42 Tagen aus der Beschichtung freigesetzt. An einem Rattenmodell wurde der Effekt der PDLLA-Beschichtung und der eingearbeiteten Wachstumsfaktoren auf die Frakturheilung untersucht. Eine Fraktur der rechten Tibia von 5 Monate alten weiblichen Sprague Dawley Ratten wurde mit beschichteten versus unbeschichteten Titan-Kirschner-Dr?hten stabilisiert. Es folgten radiologische Verlaufsuntersuchungen und die Analyse von Serumparametern. Das K?rpergewicht und die K?rpertemperatur wurden gemessen, um systemische unerwünschte Wirkungen zu erfassen. Nach 42 Tagen wurden die Knochen biomechanisch torsional getestet sowie histologisch und histomorphometrisch untersucht. Die Ergebnisse zeigten in der mit Wachstumsfaktoren behandelten Gruppe nach 42 Tagen in der radiologischen Untersuchung eine komplett durchbaute Fraktur, ein signifikant h?heres maximales Drehmoment und eine signifikant h?here Torsionssteifigkeit in der biomechnischen Testung sowie histologisch ein fortgeschrittenes Remodeling im Vergleich zu den Kontrollgruppen. Die PDLLA-Beschichtung alleine, ohne eingearbeitete Wachstumsfaktoren, zeigte bereits einen positiven Effekt auf die Frakturheilung. Die Untersuchung der Serumparameter, des systemischen IGF-I und dessen Bindungsproteine sowie des K?rpergewichts und der K?rpertemperatur ergaben keine Unterschiede in den Gruppen. Die Untersuchungen belegen, da? die lokale Freisetzung von IGF-I und TGF-β1 aus einer biodegradierbaren PDLLA Beschichtung von Implantaten die Frakturheilung signifikant beschleunigt, wobei keine unerwünschten Wirkungen beobachtet werden konnten.