Veränderungen in Zahngeweben bei Biogenesestörungen der Peroxisomen

Durch Untersuchungen am Menschen sind bereits Defekte am Schmelz und Knochengewebe in Verbindung mit peroxisomalen Erkrankungen bekannt. Jedoch sind bisher keine näheren mikroskopischen Details zu den Auswirkungen von peroxisomalen Biogenesestörungen auf Zähne und Alveolarknochen beschrieben worden. In der vorliegenden Dissertation wurde deshalb die Symptomatik von peroxisomalen Biogenesestörungen durch die morphologische und zellbiologische Analyse verschiedener Zelltypen der Zahngewebe und des Alveolarknochens erweitert. Dabei ist das peroxisomale Kompartiment in dentalen Zellen und dessen Relevanz für die Odontogenese genauer charakterisiert worden. Aus vorhergehenden Resultaten unserer Arbeitsgruppe ist bekannt, dass Peroxisomen in der Zahnentwicklung vor allem im Sekretionsstadium der Ameloblasten und Odontoblasten eine wichtige Rolle spielen, weshalb Defekte in Schmelz und Dentin zu erwarten waren. Zur Charakterisierung der Veränderungen durch peroxisomale Dysfunktion wurden in dieser Dissertation Wildtyp-, Pex11-heterozygote und Pex11-Knockoutmäuse im Vergleich zueinander untersucht. Das Pex11-Knockoutmausmodell wurde vorher bereits in unserer Arbeitsgruppe als geeignetes Modell etabliert, um peroxisomale Biogenesestörungen in anderen Organsystemen (z.B. ZNS) zu untersuchen. Zur Charakterisierung der Defekte in Zahngeweben wurden neugeborene Mäuse der unterschiedlichen Pex11-Genotypen mit 4% Paraformaldehyd-PBS-Lösung perfusionsfixiert und in Paraffin eingebettet. Anhand von Immunfluoreszenzen und spezifischen Markern konnten spezifische Unterschiede zwischen den drei Genotypen eindeutig beschrieben werden. Durch monospezifische Antikörper wurden sowohl die peroxisomalen Markerproteine Katalase, PEX14p, PEX13p, PEX3p, PEX19p, PEX5p als auch die mitochondrialen Markerproteine SOD2 und Komplex IV der Atmungskette (OxPhos) nachgewiesen. Darüber hinaus wurden auch zytoskelettale Marker morphologisch analysiert, die für die Differenzierung von Ameloblasten und Odontoblasten elementar sind, sowie auch zusätzliche Antikörper gegen Knochenmarkerproteine wie Osteokalzin und Osteopontin zur Untersuchung des Alveolarknochens und der Odontoblasten verwendet.
Die Resultate dieser Dissertation zeigen, dass das peroxisomale Kompartiment besonders in den sekretorischen Ameloblasten und Odontoblasten ausgeprägt ist, weshalb Peroxisomen vermutlich für die Schmelz- und Dentinbildung von besonderer Bedeutung sind. Die Ergebnisse erbrachten weiterhin eine eindeutige Reduzierung der Peroxisomen in den Molaren der Pex11-Knockoutmäuse. Diese war besonders in den Ameloblasten ausgeprägt, wobei die verringerte Präsenz von Amelogenin und Connexin 43 die beobachtete Hypomineralisierung des Schmelzes bei Patienten mit Zellweger-Syndrom-Spektrum erklären könnte. Darüber hinaus waren die Mineralisationsmarker von Dentin und Alveolarknochen in den Pex11-Knockoutmäusen vermindert, was auf eine Hypomineralisierung in diesen Mäusen schließen lässt. Während die Hypomineralisiserung des Schmelzes auch bereits in Patienten mit peroxisomalen Erkrankungen nachgewiesen wurde, wurde die Hypomineralisation von Dentin bisher noch nicht für peroxisomale Biogenesestörungen in der internationalen Literatur beschrieben. Zusätzlich zu den Pex11-Knockoutmäusen wiesen die Pex11-heterozygoten Mäuse ebenfalls Defekte in Schmelz, Dentin und Alveolarknochen auf, welche sich jedoch in einem geringeren Ausmaß darstellten und eine geringere statistische Signifikanz zeigten. Darüber hinaus hat sich die bereits in anderen Geweben beobachtete Auswirkung von peroxisomalen Biogenesestörungen auf die mitochondriale Aktivität auch in den Zahngeweben bestätigt. Das Pex11-Knockout-Mausmodell hat sich damit als sehr gut geeignet herausgestellt, um die molekulare Pathogenese in den Zahngeweben bei peroxisomlaen Biogenesestörungen zu charakterisieren. Studies on humans already showed enamel and bone defects connected to peroxisomal biogenesis disorders. Nevertheless, there are no microscopic investigations about the effects of peroxisomal disorders on teeth and alveolar bone yet. The present dissertation expanded the symptoms of peroxisomal biogenesis disorders through morphological and cellbiological analysis of dental and alveolar bone tissues. The peroxisomal compartiment in dental cells and its significance for odontogenesis was further characterized. Earlier results of our research group could show that peroxisomes play an important role in odontogenesis when it comes to secretory ameloblasts and odontoblasts and therefore defects in enamel and dentin in mice with peroxisomal biogenesis disorder were likely. For the characterization of these defects the Pex11-knockout mouse model and corresponding wildtype and heterozygotes, which were formaldehyd-fixed and paraffin-embedded were used in this dissertation. The Pex11-knockout mouse model was described as very suitable to investigate peroxisomal biogenesis disorders in different organs (e.g. ZNS). For the characterization of defects newborn mice of the different Pex11-genotypes were fixed with 4% Paraformaldehyde-PBS-solution and paraffin-embedded. With the help of immunofluorescence using specific markers it was possible to describe the effects of the Pex11-knockout on tooth development precisely. Both peroxisomal monospecific markers such as catalse, PEX14p, PEX13p, PEX3p, PEX19p, PEX5p and mitochondrial markers such as SOD2 and complex IV of the respiratory chain (OxPhos) were used. Moreover also cytoskeletal markers, which are important for the differentiation of ameloblasts and odontoblasts and bone-specific markers such as osteocalcin and osteopontin for the investigation of alveolar bone and odontoblasts were used. The results of this dissertation demonstrated that the peroxisomal compartiment was very prominent in secretory ameloblasts and odontoblasts and therefore might be important for the formation of enamel and dentin. The results revealed furthermore a clear decrease of peroxisomes in the molars of the Pex11-knockout mice. This was particulary evident in the ameloblasts, whereat the decreased presence of amelogenin and connexin 43 could explain the observed hypomineralization of enamel in patients with diseases of the Zellweger syndrome spectrum. Furthermore the mineralizationmarkers of dentin and alveolar bone were reduced in the Pex11-knockout mice, which indicates a hypomineralization in these mice. Whereas the hypomineralization of enamel was already described in patients with peroxisomal disorders, the hypomineralization of dentin so far has never been described before in the international literature. The Pex11-heterozygous mice also showed defects in enamel, dentin and alveolar bone, but they were not that severe and mostly not statistically significant. It also was confirmed for dental tissues what was previously demonstrated for several other tissues, namely that peroxisomal defects have an impact on mitochondrial activity. The Pex11-knockout mouse model turned out to be very suitable to characterize the molecular pathogenesis in dental tissues associated with peroxisomal disorders.