Abstract: The family of RNAs comprises several members, protein coding mRNAs and a larger group of non-coding RNAs, which include small, approximately 21-25 nucleotides long microRNAs (miRNAs). In addition to an evolving diagnostic use of RNAs, RNA-based drugs are emerging very rapidly in medicine, which is not only -but currently very prominently visible- due to the impressive success of the first-in-class Covid-19 vaccines such as Comirnaty and Moderna (marketed by the companies Biontech/Pfizer and Moderna, respectively). Although administration of RNA-based drugs comes along with several technical obstacles including delivery approaches, the technology is experiencing a breakthrough and technical and conceptual hurdles that may still remain are very likely to be overcome within the near future. It is therefore highly likely that RNA-based pharmacotherapies may revolutionize medicine by improving vaccination concepts but also by providing novel drugs to treat many other conditions like cancer, metabolic- and degenerative diseases and beyond. It is fascinating to witness the rise of such milestones in medicine and is tempting to elaborate which additional accomplishments can be made using this technology towards personalized medicine comprising diagnostic and therapeutic aspects as well as individual drug design. Although the most recent success with mRNA-based and therefore protein coding vaccines currently takes center stage in media and people’s life, other types of RNAs that are less prominent to the public, like non-coding miRNAs, also develop very successfully towards diagnostic and therapeutic purposes. While the diagnostic use of miRNAs was reviewed in another article in this issue (see article from Hackl et al., this issue), this brief review will provide an update on the emerging therapeutic implications of miRNAs. Despite the fact that no miRNA-based drug has yet reached clinical approval, several compounds are in pre-clinical and clinical development for the treatment of various diseases and great progress has been made during the recent years, which also facilitated the establishment of several innovative biotech companies. Several obstacles associated with this novel approach including off-target effects, tissue specificity and delivery systems exist. However, important improvements have already been made and will continue to be made. It can therefore be assumed that treatments using this class of RNA will also further progress and stimulate additional stakeholders to enter the field to develop novel drug candidates as first-in-class medicinal products to address highly unmet clinical needs. This technology is still at its infancy given that miRNAs were uncovered just about 20 years ago but the conditions are promising for the development of next generation miRNA-based drugs.

Abstract: Bone is the most common site of breast cancer recurrence. Despite the increasing knowledge about the metastatic process and treatment advances, the disease still remains incurable once the cancer cells actively proliferate in bone. Complex interactions between cancer cells and cells of the bone microenvironment (BME) regulate the initiation and progression of metastatic tumor growth in bone. In particular, breast cancer cells shift the otherwise tightly balanced bone remodeling towards increased bone resorption by osteoclasts. Cellular interactions in the metastatic BME are to a large extent regulated by secreted molecules. These include various cytokines as well as microRNAs (miRNAs), small non-coding RNAs that post transcriptionally regulate protein abundance in several cell types. Through this mechanism, miRNAs modulate physiological and pathological processes including bone remodeling, tumorigenesis and metastasis. Consequently, miRNAs have been identified as important regulators of cellular communication in the metastatic BME. Disruption of the crosstalk between cancer cells and the BME has emerged as a promising therapeutic target to prevent the establishment and progression of breast cancer bone metastasis. In this context, miRNA mimics or antagonists present innovative therapeutic approaches of high potential for interfering with pathological bone – cancer cell interactions. This review will discuss the role of miRNAs in the tumor-BME crosstalk in vivo and will emphasize how this could be targeted by miRNAs to improve therapeutic outcome for patients with breast cancer bone metastases.

Abstract: Genetics studies the inheritance of genetic information encoded by the base pair sequence and its variants. Sequence variants can have severe consequences as seen in genetically inherited diseases (e. g. osteogenesis Imperfecta, hypophosphatasia). On the other hand, epigenetics deals with inherited and dynamically reversible modifications of chromatin without changing the base pair sequence, resulting in a change in phenotype without a change in genotype. These modifications primarily exert their effects by influencing gene expression. Initially, the definition of epigenetics exclusively comprised inherited changes that persist across several generations without changes in the DNA sequence. This definition has been extended to include also dynamic and partially reversible changes that occur more short-term. These gene modulatory effects introduce new levels of complexity and are crucial determinants of cell fate and organismal development. With its length of approximately two meters, human DNA has to be compacted to fit into the nuclei and fulfill its functions. DNA is wrapped around histone octamers into so-called nucleosomes. DNA, histones, and other DNA-associated proteins together form what is called chromatin. DNA packaging is achieved by variable degrees of chromatin condensation depending on cell type and context. Epigenetic transcriptional regulation modifies the affinity and accessibility of cis-regulatory elements (CREs) for transcription factors and the basic transcriptional machinery and governs interaction between CREs. CREs include promoters, enhancers, silencers, and insulators and are potent modulators of gene expression impacting core cell biological processes such as proliferation and differentiation. Chromatin looping and remodeling by differential covalent modifications of DNA (e. g., methylation or hydroxylation) and histone tails (e. g., acetylation or methylation) elicit fundamental changes in CRE accessibility, thus impacting gene expression. Chromatin looping depends on a specialized machinery including cohesins. Chromatin modifications are mediated by specific enzymes like DNA methylases (DNMTs), histone-modifying enzymes, like histone methyl- and acetyltransferases (KMTs, HATs/KATs), and histone demethylases and deacetylases (KDMs, HDACs). It becomes increasingly evident that epigenetic (dys)regulation plays a decisive role in physiology and pathophysiology, impacting many age-related diseases like cancer and degenerative pathologies (e. g., osteoporosis, Alzheimer’s, or Parkinson’s) in a significant fashion. Recently, small-molecule inhibitors of chromatin-modifying enzymes (e. g., vorinostat) have been identified and successfully introduced in therapy. Significant progress in high-throughput sequencing technologies and big data analysis has broadened our understanding of noncoding (nc) RNAs and DNA sequence regions in (post-)transcriptional regulation and disease development. Among ncRNAs that play vital roles in gene expression are micro- (miRs) and long noncoding RNAs (lncRNAs; e. g., XIST or HOTAIR). By interacting with the coding genome, these RNAs modulate important genetic programs. Interfering RNAs can, for example, enhance the post-transcriptional degradation of transcripts, altering their translation, or assist in the recruitment of chromatin-modifying enzymes to regulate transcription. They can also be packaged into extracellular vesicles as cargo and thus deliver critical information to the microenvironment or even systemically to distant tissues. Therefore, ncRNAs represent a novel playground for therapeutical investigations and supplement epigenetic mechanisms of gene regulation while being subject to epigenetic regulation themselves. Last but not least, dysregulated ncRNAs can also propagate disease. Until recently, the detection of epigenetic phenomena necessitated invasive diagnostic interventions. However, with the arrival of so-called “liquid biopsies” an analysis of circulating cell-free DNA fragments (cfDNA) and RNAs as well as vesicle-packed RNAs through minimal invasively drawn blood samples can be obtained. Such “fragmentomics” and RNAomics approaches on peripheral blood will ultimately serve as diagnostic tools for personalized clinical interventions.

Abstract: Man spricht von Osteoporose, wenn der Knochen von der Entwicklung her so fragil angelegt ist oder im Lauf des Lebens sich dahingehend verändert hat, dass er nicht die ausreichende Bruchfestigkeit aufweist, um den physikalischen Belastungen eines durchschnittlichen Lebens standzuh alten. Knochenbrüche bei inadäquater Belastung oder Niedrig-Energie-Trauma, Fragilitätsfrakturen, sind demgemäß die klinischen Charakteristika. Die häufigsten Frakturen, gleichzeitig diejenigen mit den schwerwiegendsten klinischen Auswirkungen, sind hüftnahe Frakturen des Femur und vertebrale Frakturen. Auch wenn die klinischen Manifestationen der Osteoporose relativ uniform erscheinen, gibt es eine sehr breite Palette möglicher molekularer Ursachen. Beeinträchtigter Knochenaufbau, beschleunigter Knochenabbau und Beeinträchtigung der lebenslangen Adaptation und Regeneration stellen die groben Facetten der Erkrankung dar. Osteogene Signalkaskaden können genetisch, epigenetisch oder durch andere Krankheiten Regulationsstörungen aufweisen, die den Knochenmetabolismus sekundär verändern. Zwar hat sich die Forschung über die molekularen Mechanismen und die Entwicklung zielgenauer Medikamente in den letzten Dekaden sehr rasch entwickelt, am wenigsten aber ist derzeit über die spezifischen epigenetischen Ursachen bekannt. Epigenetische Mechanismen wie Methylierung von DNA und Histonen, Acetylierung von Histonen und Expression verschiedener nichtkodierender RNA-Moleküle (ncRNA) sind sehr eng verknüpft mit der Knochenformation während der Entwicklung und der Regeneration, aber auch mit dem adaptiven Remodeling im Erwachsenenalter. Essentielle Regulatoren der Knochenformation wie der osteogene Transkriptionsfaktor RUNX2 und die Inhibitoren osteogener wnt-Signalkaskaden Dickkopf-1 (DKK1) und Sklerostin (SOST) werden wie auch viele nachgeordnete osteogene Proteine physiologischerweise im Rahmen der Differenzierungsprogramme skelettaler Vorläuferzellen durch Methylierung von DNA und andere epigenetische Mechanismen moduliert. Hand in Hand damit finden Veränderungen der Chromatin-Architektur statt, die z. B. durch polycomb-Proteinkomplexe wie PRC2 und durch (De-) Methylierung und (De-)Acetylierung von Histonen sowie durch Expression bestimmter nicht-kodierender RNAs gemeinsam orchestriert werden, und Knochen-Formation oder -Abbau begünstigen oder verhindern. Von daher wissen wir, dass physiologischerweise Knochenentwicklung und Remodellierung im Erwachsenenalter mit epigenetischen Regulationsmechanismen gesteuert werden kann. Dies öffnet folgerichtig auch alle Türen für die Entwicklung von Fehlregulationen und Pathologien, die Krankheiten begünstigen, auch die Entstehung der Osteoporose. Über die zentral an der Knochenformation beteiligten Zelltypen hinaus hat jüngste Forschung Erkenntnisse darüber erbracht, wie überraschend essenziell der Einfluss gewebe-spezifischer residenter Zellen des Immunsystems auf die Geweberegeneration ist, beispielsweise gewebespezifischer Makrophagen und myeloischer Vorläufer oder Lymphozyten. Solche innovativen Aspekte der Geweberegeneration im Allgemeinen eröffnen ein neues Level der Komplexität, besonders was die epigenetischen Mechanismen der intrinsischen Gewebe-Regeneration anbelangt. Im Besonderen eröffnen sie neue Fragen über mögliche epigenetische Ursachen defizienter Regeneration oder eintretender Degeneration in Geweben nicht nur in den gewebeeigenen Zellen, in diesem Fall Osteoblasten / Osteozyten und Osteoklasten, sondern auch in spezifischen Kompartimenten wie beispielsweise den gewebe-residenten Zellen des Immunsystems. Prinzipiell sind epigenetische Konstellationen erblich, es gibt aber auch die erwähnten, sich dynamisch verändernden Aktivitäten epigenetischer Regulations-Mechanismen, die ihrerseits wiederum im Rahmen von Pathologie-Entwicklung zur Krankheitsursache werden können. In den letzten Jahren wurden Untersuchungen durchgeführt, die in der DNA peripherer Leukozyten und in skelettalen Vorläuferzellen aus dem Knochenmark bei OsteoporosepatientInnen im Vergleich zu knochengesunden Personen nach epigenetischen Veränderungen gesucht haben, die ursächlich für die Osteoporose sein könnten. Ziele solcher Untersuchungen sind neben dem besseren Verständnis der Pathogenese der Erkrankung die Identifizierung neuer therapeutischer Zielmoleküle und / oder die Etablierung epigenetischer Marker als Risikoindikatoren. Einige Arbeiten konnten differentielle Methylierungsmuster in bestimmten Genregionen in der DNA zirkulierender Blutzellen finden, sowohl in solchen Genen die zentral mit dem Knochenstoffwechsel verknüpft sind als auch in solchen die man bisher nicht mit der Knochenbiologie in Verbindung brachte. Andere Arbeiten fanden in der DNA der mononukleären Blutzellen bei Berechnung mit hoher Stringenz keine signifikanten Veränderungen. Mehrere Arbeiten jedoch erbrachten Hinweise darauf, dass EZH2, ein Mitglied des polycomb Komplexes PRC2 mit Methyltransferase-Aktivität, signifikant bei Osteoporose überexprimiert wird und überaktiv ist. Solche Mechanismen dürfen als Kandidaten für epigenetische Ursachen der Osteoporose angesehen werden, die Ergebnisse sind aber derzeit noch nicht konsistent. Es gab bei OsteoporosepatientInnen keine Hinweise für eine Progerie-Konstellation, eine frühzeitige Alterung mit systemischen Auswirkungen. Untersuchungen an skelettalen Vorläuferzellen im Knochenmark, ergaben jedoch eindeutige Veränderungen des Transkriptoms skelettaler Vorläuferzellen bei OsteoporosepatientInnen, was bei Fehlen relevanter genetischer Veränderungen am ehesten im Sinne epigenetischer Ursachen zu interpretieren ist. Diese sind möglicherweise beschränkt auf das Milieu im Knochen und Knochenmark und daher peripher nicht eindeutig zu identifizieren. Am ehesten sind diese Veränderungen epigenetischer Regulation als segmentale Störung im Lauf des Lebens akquiriert, die durch Gewebealterung und begünstigende Krankheiten anderer Gewebe ein Regenerationsdefizit bedingen. Zusammengefasst ergeben sich eindeutige Hinweise dafür, dass die altersassoziierte Osteoporose epigenetische Ursachen hat. Wir wissen aber noch nicht, welche charakteristischen epigenetisch veränderten übergeordneten Schaltstellen es gibt, die über Generationen vererbt werden und / oder im Lauf des Lebens im Gewebe erworben werden. In den nächsten Jahren ist mit Sicherheit zu erwarten, dass neue Zielmechanismen für die Therapie entdeckt werden und Risikokonstellationen mit epigenetischen Markern beschr ieben werden können.

Abstract: Osteoporose, eine systemische Skeletterkrankung, ist assoziiert mit einem höheren Lebensalter und betrifft Männer und Frauen. Als Folgen der Osteoporose kann es nach einem inadäquaten Trauma zu Fragilitätsfrakturen kommen. Indexfrakturen sind Frakturen des distalen Unterarmes, des proximalen Humerus, des proximalen Femurs sowie vertebrale Frakturen. Das Risiko, nach einer solchen Fraktur innerhalb eines Jahres eine Folgefraktur zu erleiden, ist deutlich erhöht. Vor allem nach der proximalen Femurfraktur kommt es zu einer Reduktion der Mobilität und Lebensqualität sowie zu einer Erhöhung der Morbidität und Mortalität. Die Bemühungen um eine bessere Versorgung dieser Patienten impliziert eine kontinuierliche Behandlung im Sinne eines Disease-Management-Programms. Die Alterstraumatologie nimmt hier eine zentrale Rolle ein. Neben der operativen Versorgung steht eine interdisziplinäre und interprofessionelle Betreuung im Zentrum. Neben der Behandlung der meist multiplen Komorbiditäten liegt der Fokus auf der Abklärung der Osteoporose sowie der Einleitung einer umfassenden Therapie. Die Lücke zwischen der stationären und ambulanten Versorgung kann durch einen Fracture liaison service (FLS) geschlossen werden. Ein FLS stellt die Basis für ein erfolgreiches Nahtstellenmanagement dar. Damit diese intersektorale Versorgung Bestandteil der Regelversorgung werden kann, wurde das „FLS-Care-Programm“ im Rahmen einer durch den Innovationsfonds der Bundesregierung finanzierten Studie von uns initiiert. Das Ziel ist die Weiterführung der stationär begonnenen Therapie in einer sektorenübergreifenden Zusammenarbeit, um Folgefrakturen zu vermeiden und Lebensqualität zu erhalten.

Abstract: Sarcopenia in geriatric patients is often associated with or even caused by changes of the endocrine and nervous system. The multifactorial pathogenesis of sarcopenia and additional multimorbidity in geriatric patients makes it difficult to study distinct pathogenic pathways leading to sarcopenia. Patients suffering from diabetes, Cushing’s syndrome, chronic kidney disease, Klinefelter’s syndrome or motor neuron diseases, such as amyotrophic lateral sclerosis for example are known to have impaired muscle property and reduced physical performance. These patients are typically younger and suffer from conditions caused by a known molecular disease mechanism and a peculiar sarcopenic phenotype. Therefore, these sequelae can serve as prototypic disease models to study isolated endocrinological and neurodegenerative causes for sarcopenia. This review focuses on diseases whose etiopathogenesis of muscle impairment is known. The idea is to use these diseases as proof of principles to develop a classification algorithm of sarcopenia in the elderly to make a more mechanism-oriented therapy be possible.