Die Wirkung von Fluorid auf Osteoblasten (knochenbildende Zellen)

Wie der National Research Council feststellte, „ist die wohl deutlichste Auswirkung von Fluorid auf das Skelett die Stimulation der Osteoblastenvermehrung.“ (NRC 2006). Osteoblasten sind knochenbildende Zellen. „Die stimulierende Wirkung von Fluorid auf Osteoblasten führt zur Bildung von Osteoid, das anschließend mineralisiert wird.“ (Fisher RL, et al. 1989). Wenn das neue Osteoidgewebe anschließend mineralisiert wird, kommt es zu einer Erhöhung der Knochendichte wird die Folge sein. Wie zahlreiche Studien jedoch gezeigt haben, wird durch Fluorid induziertes Osteoid nicht immer mineralisiert, was zu einer erhöhten Menge an unmineralisierter Knochen („Hypomineralisierung“) – was den Knochen anfälliger zu brechen. Wenn Knochen zu viel nicht mineralisiertes Osteoidgewebe enthalten, ein Zustand, der als Osteomalazie (bei Erwachsenen) und Rachitis (bei Kindern) Ergebnisse.

Einige Forscher spekulieren, dass die Verzögerung/das Versagen der Mineralisierung von durch Fluorid induziertem Osteoid ein Beweis dafür ist, dass Fluorid eine stimulierende Wirkung auf die Vorläuferzellen von Osteoblasten hat (und so eine erhöhte Anzahl von Osteoblasten auslöst), aber eine toxische Wirkung auf die Osteoblastenzellen selbst hat (was zu weniger funktionsfähigen Osteoblasten führt). Ein Forscher meint dazu:

„Obwohl die Osteoblasten in fluoridiertem Knochen aktiv sind, gibt es weniger pralle, kubische, stark sekretorische Osteoblasten. Dies legt die Vermutung nahe, dass Fluorid zwar mitogen auf osteoblastische Vorläufer wirkt, für einzelne Osteoblasten in derselben Konzentration jedoch toxisch ist.“
QUELLE: Chachra D, et al. (1999). Die Wirkung einer Fluoridbehandlung auf das Knochenmineral bei Kaninchen. Verkalktes Gewebe International 64: 345-351.

Der Mechanismus, durch den Fluorid die Osteoblastenvermehrung stimuliert, ist noch nicht verstanden, obwohl mehrere Theorien vorgeschlagen wurden (siehe unten). Unabhängig vom Mechanismus erhöht die Fähigkeit von Fluorid, die Zellvermehrung im Knochengewebe zu stimulieren, die Wahrscheinlichkeit, dass Fluorid, ein bekanntes Mutagen, eine krebsartige Veränderung hervorrufen könnte. Wie der National Research Council feststellt: „Da Fluorid die Osteoblastenvermehrung stimuliert, besteht ein theoretisches Risiko, dass es eine bösartige Veränderung der wachsenden Zellpopulation hervorrufen könnte. Dies hat Bedenken geweckt, dass Fluoridexposition ein unabhängiger Risikofaktor für neue Osteosarkome sein könnte.“

Allgemeiner Hintergrund

„Die Wirkung auf Osteoblasten wurde aus klinischen Studien Anfang der 1980er Jahre abgeleitet, die eine Zunahme der Knochenmineraldichte in der Wirbelsäule dokumentierten, die nicht auf eine Wirkung von Fluorid auf die Knochenresorption zurückgeführt werden konnte. Biopsieproben bestätigten die Wirkung von Fluorid auf die zunehmende Anzahl von Osteoblasten beim Menschen. … Der Nachweis einer Wirkung von Fluorid auf das Osteoblastenwachstum in vitro wurde erstmals 1983 bei Vogelosteoblasten berichtet.“
QUELLE: National Research Council. (2006). Fluorid im Trinkwasser: Eine wissenschaftliche Überprüfung der EPA-Standards. National Academies Press, Washington DC, S. 109.

„In-vitro-Studien legten nahe, dass die verstärkte (Knochen-)Bildung auf eine direkte Wirkung von Fluorid bei der Stimulierung der Osteoblastenproliferation zurückzuführen sein könnte.“
QUELLE: Lundy MW, et al. (1995). Histomophometrische Analyse von Beckenkammknochenbiopsien bei Placebo-behandelten im Vergleich zu Fluorid-behandelten Probanden. Osteoporosis International 5:115-129.

„Die anabole Wirkung der Fluoridtherapie hängt von ihren zellulären Auswirkungen auf die Osteoblasten ab.“
QUELLE: Boivin G, et al. (1993). Zusammenhang zwischen Knochenfluoridgehalt und histologischem Nachweis von Verkalkungsdefekten bei osteoporotischen Frauen, die langfristig mit Natriumfluorid behandelt wurden. Osteoporosis International 3:204-208.

„Fluorid ist einer der wirksamsten, aber am wenigsten verstandenen Stimulatoren der Knochenbildung in vivo. Es wurde nachgewiesen, dass die Knochenbildung durch direkte Auswirkungen auf Knochenzellen entsteht. Die Behandlung mit Natriumfluorid erhöhte die Proliferation und alkalische Phosphataseaktivität von Knochenzellen in vitro und steigerte die Knochenbildung in embryonaler Schädeldecke bei Konzentrationen, die die Knochenbildung in vivo stimulieren.“
QUELLE: Farley JR, et al. (1983). Fluorid stimuliert direkt die Proliferation und alkalische Phosphataseaktivität knochenbildender Zellen. Science 222: 330-332

Fluorid hat eine toxische Wirkung auf Osteoblasten (was die unzureichende Mineralisierung des Osteoids erklären könnte)

„Die Zunahme des trabekulären Knochens bei der Fluoridtherapie gilt als morphologischer Ausdruck dafür, dass Fluorid die Knochenbildung stimuliert. Wir gehen davon aus, dass die Zunahme des trabekulären Knochens auf eine pathologische Knochenbildung durch verletzte Osteoblasten und eine verringerte Knochenresorption durch resorbierende Osteozyten und Osteoklasten zurückzuführen ist.“
QUELLE: Krook L, Minor RR. (1998). Fluorid und alkalische Phosphatase. Fluorid 31: 177-182.

Bei mit Fluorid behandelten Ratten gab es eine „Tendenz zur Abnahme der Mineralappositionsrate und zur Verlängerung der Osteoidreifungszeit, was darauf schließen lässt, dass eine toxische Wirkung auf die Osteoblastenfunktion oder die Mineralisierung aufgetreten ist … Auf Gewebeebene tendierte die Rate der mineralisierten Knochenbildung zum Rückgang, was darauf hindeutet, dass die Hemmung der Osteoblastenfunktion die stimulierende Wirkung auf die Osteoblastenproliferation überwog.“
QUELLE: Ittel TH, et al. (1992). Wirkung von Fluorid auf durch Aluminium verursachte Knochenerkrankungen bei Ratten mit Nierenversagen. Kidney International 41: 1340-1348.

„Langfristige Auswirkungen von Fluorid können eine Verkürzung der Lebensdauer und eine Verringerung der Anzahl der Knochenzellen sein, nicht aber eine anhaltende Hyperzellularität der knochenbildenden Zellen.“
QUELLE: Ittel TH, et al. (1992). Wirkung von Fluorid auf durch Aluminium verursachte Knochenerkrankungen bei Ratten mit Nierenversagen. Kidney International 41: 1340-1348.

„Die Skelettfluorose ist also durch eine unausgewogene Kopplung zugunsten der Knochenbildung und eine große Anzahl von Osteoblasten mit einem hohen Anteil flacher Osteoblasten gekennzeichnet. Dies könnte die Mineralisationsbeeinträchtigung erklären, die sich durch dicke Osteoidsäume und eine reduzierte Mineralanlagerungsrate zeigt, und stützt die Ansicht, dass Fluorid eine doppelte Wirkung auf Osteoblasten haben könnte: eine wahrscheinlich erhöhte Geburtenrate auf Gewebeebene aufgrund einer mitogenen Wirkung von Fluorid auf Vorläufer von Osteoblasten und eine toxische Wirkung auf der Ebene einzelner Zellen. Die Summe dieser beiden Effekte stellt jedoch eine deutliche Zunahme der Knochenbildung auf Organebene dar.“
QUELLE: Boivin G, et al. (1989). Skelettfluorose: histomorphometrische Analyse von Knochenveränderungen und Knochenfluoridgehalt bei 29 Patienten. Bone 10:89-99.

„Es gibt einige Hinweise darauf, dass Fluorid in hohen Konzentrationen eine toxische Wirkung auf die Osteoblastenfunktion haben kann. Nach einer langfristigen Fluorideinwirkung, insbesondere bei hohen Dosen, nehmen Osteoblasten ein flaches, inaktives Aussehen an … Nach einer langfristigen Fluorideinwirkung nimmt die Menge der von Osteoblasten bedeckten Osteoidoberflächen ab, was auf eine verringerte Osteoblastenaktivität hindeutet.“
QUELLE: Pak CY. (1989). Fluorid und Osteoporose. Proceedings of the Society for Experimental Biology and Medicine 191: 278-86.

„Eine mögliche Wirkungsweise von NaF könnte darin bestehen, dass seine Verabreichung zunächst Osteoblasten dazu anregt, mehr Knochen zu produzieren als von Osteoklasten abgebaut wird. Innerhalb kurzer Zeit können jedoch toxische Wirkungen auftreten und so zu der beobachteten Abnahme der Knochenbildungsaktivität führen. Da Osteoklasten ebenfalls von der Verabreichung von NaF betroffen sind, kann es nach längerer Zeit zu keiner weiteren Zunahme der Knochenmasse kommen. Die Erhaltung der vorhandenen Knochenmasse kann auf eine Abnahme der Anzahl der Knochenzellen, ihrer funktionellen Effizienz und ihrer individuellen Lebensdauer zurückzuführen sein, die vermutlich auf die zelluläre toxische Wirkung von NaF zurückzuführen ist.“
QUELLE: Snow GR, Anderson C. (1986). Kurzfristige chronische Fluoridverabreichung und trabekulärer Knochenumbau bei Beagles: eine Pilotstudie. Calcified Tissue International 38: 217-221.

„Osteoblasten, die als Osteozyten überleben, sind sichtbar abnormal.“
QUELLE: Riggs BL. (1983). Behandlung von Osteoporose mit Natriumfluorid: Eine Einschätzung. Bone and Mineral Research 2: 366-393.

„Im vorliegenden Material waren die Osteoblasten atrophisch.“
QUELLE: Krook L, Maylin GA. (1979). Industrielle Fluoridverschmutzung. Chronische Fluoridvergiftung bei Cornwall Island-Rindern. Cornell Veterinarian 69 (Suppl 8): 1-70.

„Zytologische Anomalien in Osteoblasten gefunden.“
QUELLE: Baylink DJ, Bernstein DS. (1967). Die Auswirkungen der Fluoridtherapie auf metabolische Knochenerkrankungen. Clinical Orthopaedics and Related Research 55: 51-85.

„Fleckenbildung und Osteomalazie waren mit Veränderungen in den Osteoblasten verbunden. Bei mäßigen Konzentrationen waren die überlebenden Osteoblasten abnormal, was sich in der Fleckenbildung zeigte. Bei hohen Fluoridkonzentrationen waren die Osteoblasten frei von Halbmonden, spindelförmig oder sehr pyknotisch.“
QUELLE: Johnson LC. (1965). Histogenese und Mechanismen bei der Entwicklung von Osteofluorose. In: HCHodge und FASmith, Hrsg.: Fluorine Chemistry, Band 4. New York, NY, Academic Press (1965) 424-441.

vorgeschlagene Mechanismen, durch die Fluorid die Osteoblastenproliferation stimuliert

„Das Verständnis der subzellulären Signalmechanismen, durch die Fluorid Osteoblasten beeinflusst, ist von größter Bedeutung. Informationen auf diesem Gebiet können möglicherweise bestimmen, ob die Fluorideffekte spezifisch sind, ob Toxizität ein Problem darstellt und welche Konzentration die Funktion der Knochenzellen beeinflussen kann. Darüber hinaus könnten sich mit zunehmender Klarheit der Signalwege andere Ziele ergeben. In der Literatur gibt es zwei Hypothesen, die die Wirkung von Fluorid beschreiben. Beide besagen, dass die Konzentration von Tyrosin-phosphorylierten Signalweg-Zwischenprodukten nach Fluoridexposition erhöht ist. Die Art und Weise, wie dies geschieht, unterscheidet sich jedoch in den Hypothesen. Eine Ansicht ist, dass Fluorid die Aktivität einer Phosphotyrosinphosphatase blockiert oder hemmt und dadurch den Pool tyrosinphosphorylierter Proteine erhöht. Die andere Ansicht unterstützt eine Wirkung von Fluorid (zusammen mit Aluminium) auf die Stimulation der Tyrosinphosphorylierung, die auch den Pool tyrosinphosphorylierter Proteine erhöhen würde. In der ersten Hypothese würde die Aktivierung des Ras-Raf-MAP-Kinase-Signalwegs durch Wachstumsfaktoren eine Stimulation der Phosphotyrosinkinase-Aktivität beinhalten. Dies wird durch eine Familie zytosolischer G-Proteine vermittelt, wobei Guanosintriphosphat als Energiequelle fungiert. In Gegenwart von Fluorid würde eine anhaltend hohe Konzentration tyrosinphosphorylierter Proteine aufrechterhalten, da die Zelle nicht in der Lage ist, die Proteine zu dephosphorylieren. Diese Theorie impliziert die Existenz einer fluoridempfindlichen Tyrosinphosphatase in Osteoblasten. Ein solches Enzym wurde identifiziert und gereinigt. Es scheint sich um ein einzigartiges osteoblastensäurephosphatase-ähnliches Enzym zu handeln, das durch klinisch relevante Fluoridkonzentrationen gehemmt wird (Lau et al. 1985, 1987, 1989; Wergedal und Lau 1992). Die zweite Hypothese stützt die Annahme, dass ein AlFx-Komplex die Tyrosinphosphorylierung direkt aktiviert. Daten aus dieser Perspektive zeigen, dass Fluorid allein die Tyrosinphosphorylierung nicht stimuliert, sondern dass dafür die Anwesenheit von Aluminium erforderlich ist (Caverzasio et al. 1996). Der angebliche Mechanismus besteht darin, dass der MAP-Kinase-Signalweg durch AlFx aktiviert wird, was die Proliferationsreaktion auslöst. Eine neue Tyrosinkinase, Pyk2, wurde identifiziert, von der bekannt ist, dass sie durch AlFx über eine G-Protein-gekoppelte Reaktion aktiviert wird und für diesen Effekt verantwortlich sein könnte (Jeschke et al. 1998). Zwei wichtige Beweise, die einen G-Protein-regulierten Tyrosinkinase-Aktivierungsschritt bei der Fluoridwirkung unterstützen, sind, dass die mitogene Wirkung von Fluorid durch Genistein (einen Protein-Tyrosinkinase-Inhibitor) und Pertussis-Toxin (einen spezifischen Inhibitor heterotrimerer G-Proteine) blockiert werden kann (Caverzasio et al. 1997; Susa et al. 1997).
Mindestens zwei weitere mögliche Mechanismen verdienen Erwähnung. Kawase und Suzuki (1989) schlugen vor, dass Fluorid die Proteinkinase C (PKC) aktiviert, und Farley et al. (1993) und Zerwekh et al. (1990) legten Beweise vor, dass der Kalziumeinstrom in die Zellen ein Signal für die fluoridvermittelte Stimulation der Proliferation sein könnte.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die In-vitro-Wirkungen von Fluorid auf die Osteoblastenproliferation zumindest eine Regulierung von Tyrosin-phosphorylierten Proteinen zu beinhalten scheinen. Ob dies durch die Aktivierung von MAP-Kinasen, G-Proteinen, Phosphatasen, PKC oder Kalzium (oder einer Kombination davon) geschieht, muss noch ermittelt werden. Was auch immer der Mechanismus ist, es ist offensichtlich, dass Fluorid eine anabole Wirkung auf Osteoblasten und ihre Vorläufer hat.“
QUELLE: National Research Council. (2006). Fluorid im Trinkwasser: Eine wissenschaftliche Überprüfung der EPA-Standards. National Academies Press, Washington DC, S. 110.

„Der Mechanismus, durch den NaF die Proliferation und Differenzierung von Knochenzellen stimuliert, ist umstritten, da es derzeit zwei konkurrierende Hauptmodelle gibt, die beide die Aktivierung der mitogenaktivierten Proteinkinase (MAPK) beinhalten. Einerseits postulierten wir, dass NaF in osteogenen Konzentrationen eine fluoridempfindliche Protein-Tyrosinphosphatase in Osteoblasten hemmt, was zu einer anhaltenden Zunahme der Protein-Tyrosinphosphorylierung wichtiger Signalproteine des mitogenen MAPK-Signalwegs führt. Dies würde dann zu einer Verstärkung der durch Wachstumsfaktoren initiierten Knochenzellproliferation führen. Andererseits schlugen Caverzasio et al. ein alternatives Modell vor, bei dem NaF durch die Bildung des Fluoraluminat-Ions (AlF4) mit dem Aluminiumion wirkt. Das AlF4-Ion würde dann ein Pertussis-Toxin-empfindliches heterotrimeres Go/i-Protein aktivieren, was zu einer Aktivierung bestimmter zellulärer Protein-Tyrosinkinasen führen würde. Dies wiederum würde die Tyrosinphosphorylierung wichtiger Signalproteine des MAPK-Signalwegs erhöhen, was in der Folge zu einer verstärkten Osteoblastenproliferation führen würde.“
QUELLE: Lau KH, et al. (2002). Die mitogene Wirkung von Fluoraluminat und Aluminiumfluorid auf Knochenzellen, jedoch nicht die von Natriumfluorid, beinhaltet eine Hochregulierung des insulinähnlichen Wachstumsfaktorsystems. Bone 30: 705–711.

„Die erste Beobachtung, dass Fluorid die Aktivität osteoblastischer Zellen in Kultur direkt beeinflussen kann, wurde 1983 von Farley und seinen Mitarbeitern gemacht. Sie zeigten, dass mikromolare Fluoridkonzentrationen die Proliferation und alkalische Phosphataseaktivität von Knochenzellen aus der Schädeldecke von Hühnerembryonen erhöhten … Ähnliche Beobachtungen wurden dann von derselben Gruppe bei menschlichen Knochenzellen aus dem trabekulären Knochen von Femurkopfproben berichtet, die bei einer Hüftoperation gewonnen wurden. Nach diesen ersten Beobachtungen wurden die In-vitro-Wirkungen von Fluorid auf osteoblastische Zellen in mehreren Laboratorien untersucht. Es stellte sich jedoch heraus, dass die In-vitro-Wirkungen von Fluorid auf kultivierte Osteoblasten in ähnlichen oder anderen kultivierten osteoblastenähnlichen Systemen nur schwer reproduziert werden konnten. Zwei Laboratorien berichteten über ihre negativen Ergebnisse hinsichtlich der direkten Wirkung von Fluorid auf die Proliferation menschlicher osteoblastischer Zellen. Aus diesen negativen Ergebnissen … wurde der Schluss gezogen, dass Fluorid in vivo entweder indirekt durch die lokale Synthese einiger Wachstumsfaktoren wirken oder eine bevorzugte Wirkung auf eine Subpopulation osteoblastischer Zellen ausüben kann. Für die letztere Hypothese spricht, dass Osteoblastenvorläufer empfindlicher auf die Wirkung von Fluorid reagieren als reife Osteoblasten. Es wurde auch die Möglichkeit in Betracht gezogen, dass die Wirkung von Fluorid in vivo durch einen Cofaktor vermittelt wird.“
QUELLE: Caverzasio J, et al. (1998). Fluorid: Wirkungsweise. Bone 22: 585-589.

„Es wurde festgestellt, dass Aluminium ein wichtiger Kofaktor für die Expression der mitogenen Wirkung von Fluorid in osteoblastenähnlichen Zellen ist … In Gegenwart von Spuren von Aluminium steigerten Fluoridkonzentrationen, die denen im Plasma von osteoporotischen Patienten nahe kamen, die mit Fluoridsalzen behandelt wurden, die Zellproliferation reproduzierbar. In-vivo-Studien zeigten, dass die Kombination von Fluorid und Aluminium bei der Steigerung der Knochenmineralmasse der Tibia bei erwachsenen ovariektomierten Ratten auch effizienter war als die Verabreichung jedes Ions einzeln. Diese Beobachtungen legten stark nahe, dass ein Fluoraluminokomplex wahrscheinlich das aktive Fluoridmolekül ist, das für die Steigerung der Proliferation knochenbildender Zellen und die Veränderung der Knochenmineralmasse in vivo verantwortlich ist.“
QUELLE: Caverzasio J, et al. (1998). Fluorid: Wirkungsweise. Bone 22: 585-589.

„Wirkungsweise und toxische Ereignisse können mit den hemmenden oder aktivierenden Effekten von Fluorid auf eine Reihe von Zellenzymen zusammenhängen. Besonders interessant ist, dass Aluminium starke Komplexe mit Fluorid bildet, die möglicherweise zu dem Wirkungsspektrum gehören, das Fluorid bisher zugeschrieben wurde. Da beide Ionen hauptsächlich über die Nieren ausgeschieden werden, sollte eine Beeinträchtigung der Nierenfunktion die Retention von Fluorid und Aluminium erleichtern und so die gegenseitigen Wirkungen verstärken.“
QUELLE: Ittel TH, et al. (1992). Wirkung von Fluorid auf durch Aluminium verursachte Knochenerkrankungen bei Ratten mit Nierenversagen. Kidney International 41: 1340-1348.

„Diese Erkenntnisse … liefern zusätzliche Unterstützung für unsere Hypothese, dass F die Proliferation von Osteoblastenzellen stimuliert, indem es die mitogene Wirkung von Wachstumsfaktoren verstärkt.“
QUELLE: Lau KH, et al. (1989). Ein vorgeschlagener Mechanismus der mitogenen Wirkung von Fluorid auf Knochenzellen: Hemmung der Aktivität einer osteoblastischen sauren Phosphatase. Metabolism 38:858-68.

„Der Mechanismus, durch den Fluorid Osteoblasten stimuliert, ist unklar. Es wurden sowohl zelluläre als auch nichtzelluläre Mechanismen vorgeschlagen … Es ist jedoch klar, dass sich nichtzelluläre und zelluläre Mechanismen nicht gegenseitig ausschließen.“
QUELLE: Riggs BL. (1983). Behandlung von Osteoporose mit Natriumfluorid: Eine Einschätzung. Bone and Mineral Research 2: 366-393.