Chapter 10
Biosilica-Based Strategies for Treatment
of Osteoporosis and Other Bone Diseases
Heinz C. Schr€ oder, Matthias Wiens, Xiaohong Wang, Ute Schloßmacher,
and Werner E.G. M€ uller
Contents
10.1
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
10.2
Bone Formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
10.3
Silicon Chemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
10.4
Biosilica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
10.5
Silicatein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
10.6
Silicon Metabolism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
10.7
Silicon and Bone Formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
10.8
Effect of Biosilica on Cell Proliferation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
10.9
Effect of Biosilica on HA Formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
10.10 Osteoinductive Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
10.11 Effect of Biosilica on Gene Expression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
10.12 The RANK/RANKL/OPG System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
10.13 Effect of Biosilica on OPG and RANKL Expression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
10.14 Effect of Biosilica on BMP-2 and TRAP Expression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
10.15 Silicon Supplementation and Silicon-Containing Implant Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
10.16 Concluding Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
Abstract Osteoporosis is a common disease in later life, which has become a
growing public health problem. This degenerative bone disease primarily affects
postmenopausal women, but also men may suffer from reduced bone mineral
density. The development of prophylactic treatments and medications of osteoporosis has become an urgent issue due to the increasing proportion of the elderly
in the population. Apart from medical/hormonal treatments, current strategies for
H.C. Schr€ oder (*) • W.E.G. M€ uller (*)
ERC Advanced Grant Research Group, Institute for Physiological Chemistry, University Medical
Center of the Johannes Gutenberg University Mainz, Duesbergweg 6, D-55128 Mainz, Germany
NanotecMARIN GmbH, Duesbergweg 6, D-55128 Mainz, Germany
e-mail: hschroed@uni-mainz.de
W.E.G. M€ uller (ed.), Molecular Biomineralization, Progress in Molecular
and Subcellular Biology 52, DOI 10.1007/978-3-642-21230-7_10,
# Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2011
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Biosilica-Based Strategies for Treatment
of Osteoporosis and Other Bone Diseases
Heinz C. Schr€ oder, Matthias Wiens, Xiaohong Wang, Ute Schloßmacher,
and Werner E.G. M€ uller
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Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
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Bone Formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
10.3
Silicon Chemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
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Biosilica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
10.5
Silicatein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
10.6
Silicon Metabolism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
10.7
Silicon and Bone Formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
10.8
Effect of Biosilica on Cell Proliferation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
10.9
Effect of Biosilica on HA Formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
10.10 Osteoinductive Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
10.11 Effect of Biosilica on Gene Expression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
10.12 The RANK/RANKL/OPG System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
10.13 Effect of Biosilica on OPG and RANKL Expression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
10.14 Effect of Biosilica on BMP-2 and TRAP Expression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
10.15 Silicon Supplementation and Silicon-Containing Implant Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
10.16 Concluding Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
Abstract Osteoporosis is a common disease in later life, which has become a
growing public health problem. This degenerative bone disease primarily affects
postmenopausal women, but also men may suffer from reduced bone mineral
density. The development of prophylactic treatments and medications of osteoporosis has become an urgent issue due to the increasing proportion of the elderly
in the population. Apart from medical/hormonal treatments, current strategies for
H.C. Schr€ oder (*) • W.E.G. M€ uller (*)
ERC Advanced Grant Research Group, Institute for Physiological Chemistry, University Medical
Center of the Johannes Gutenberg University Mainz, Duesbergweg 6, D-55128 Mainz, Germany
NanotecMARIN GmbH, Duesbergweg 6, D-55128 Mainz, Germany
e-mail: hschroed@uni-mainz.de
W.E.G. M€ uller (ed.), Molecular Biomineralization, Progress in Molecular
and Subcellular Biology 52, DOI 10.1007/978-3-642-21230-7_10,
# Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2011
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