方法文章
讨论的文章：
Shen， L.， Karner， CM 培养骨细胞和分离骨干中氨基酸消耗量的评估。 可视化实验杂志。（182），e62995 （2022）。
Jayapalan， S.， Nandy， A.， Rendina-Ruedy， E. 使用实时细胞代谢通量分析仪监测成骨细胞生物能量学。 可视化实验杂志。（181），E63142 （2022）。
Song， C.， Valeri， A.， Long， F. 评估 14CO2 捕获的体外能量底物氧化。可视化实验杂志。（181），E63568 （2022）。
Kim， S. P.， Li， Z.， Riddle， R. C. 培养骨细胞中脂肪酸氧化的评估。 可视化实验杂志。（182），e63638 （2022）。
Guo， W.， Wu， C. 利用低氧张力减少小鼠骨髓基质细胞培养物中的造血细胞。 可视化实验杂志。Epub 印刷前（2022 年）。
骨骼是一种动态组织，会经历不断的重塑，涉及吸收骨的破骨细胞和成骨的成骨细胞。重要的是，这些过程与驻留在骨髓空间中的其他细胞（例如造血细胞和骨髓脂肪细胞）耦合。骨转换的断开会导致骨骼脆弱和随后骨折的增加1。最近的研究表明，代谢底物和能量代谢对于调节骨形成和骨吸收的重要性 2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15，16,17.靶向代谢途径用于治疗各种癌症，并且可能是一种激发性工具，可用于对抗导致骨折发生率增加的各种疾病18。因此，全面了解所有骨细胞的细胞代谢非常重要。不幸的是，由于骨细胞位于矿化组织内，因此在其天然环境中研究骨细胞具有挑战性。与未矿化的组织相比，处理骨骼所需的必要步骤使得对其代谢状态的分子和机制研究变得困难。因此，本系列旨在重点介绍用于监测从其骨骼生态位中分离的细胞代谢途径的既定技术。
“骨能量学”描述了成骨细胞的代谢过程和生物能量潜力，并且仍然是一个活跃的科学兴趣和研究领域。然而，在细胞制造和利用 ATP 的能力之前，必须首先获得高能底物。本集合中的三篇文章重点介绍了用于监测骨细胞内特定底物命运的方法。首先，Shen 和 Karner19 描述了评估体外培养细胞或离体骨头中氨基酸消耗的技术。在体外系统中，将培养的ST2细胞与L-[3,4-3 H]-谷氨酰胺孵育预定时间，并使用闪烁计数器定量谷氨酰胺的摄取。类似地，在离体系统中，从新生小鼠身上收获的骨头与放射性标记的氨基酸一起孵育，并使用闪烁计数器估计氨基酸摄取。这些方法可以快速、灵敏地评估骨细胞或分离骨骼中的氨基酸摄取。重要的是，这些方法很容易修改，以评估不同的氨基酸或其他含能底物并测试各种科学问题。
除了氨基酸之外，葡萄糖和长链脂肪酸 （LCFA） 代表了细胞能量或 ATP 的密集供应。在这种能力下，LCFA 通过肉碱棕榈酰转移酶 （CPTI/II） 进入线粒体，在那里它们很容易通过β氧化被氧化，随后可以进入三羧酸 （TCA） 或氧化磷酸化循环以产生 ATP。这一系列化学反应最终导致碳以气态二氧化碳（CO2）的形式释放出来，这是难以量化的。Song等人和Kim等人专业地描述了两种测量氧化过程中产生的代谢物的相关方法20,21。这两种技术都使用 14C 标记的碳基材和滤纸作为“捕获”工具来量化释放的 14CO2。然而，每种方法都同样重要，因为它们描述了独特的培养容器和数据归一化技术。此外，Song等人20描述了如何计算底物氧化，而Kim等人21则包括一种测量酸溶性代谢物的附加方法。
这些追踪研究使研究者能够确定各种底物的代谢命运。作为补充，Jayapalan等人22 使用代谢通量分析来监测代谢过程，包括糖酵解和通过线粒体呼吸 的 氧化磷酸化。该设备从根本上实时测量活细胞培养物中的氧气和 pH 值。因此，通过成骨细胞分化培养原代骨髓基质细胞（BMSC），可以在监测代谢途径的同时进行多种实验23。该技术可以通过四种不同的注射进行，使研究人员能够根据特定的科学问题调整实验，同时还能够遵循标准化方案，包括 ATP 速率、燃料/底物利用率、线粒体呼吸和糖酵解速率测定。最后，由于其中许多实验本质上是机械性的，因此必须保持均匀的细胞群而不受其他细胞类型的污染。用于监测骨细胞代谢过程的 体外 细胞培养系统具有许多固有的局限性。Guo 和 Wu24 很好地概述了标准 BMSC 培养过程中引入的局限性，并提供了一种详细的方法来富集基质细胞群并最大限度地减少使用缺氧的造血污染。
总之，该集合展示了在体外和离体各种骨骼模型中监测底物利用率和生物能量能力的技术。这些方法中的大多数都是使用细胞培养系统进行的，因此由于人工环境而存在局限性。虽然原代细胞确实允许更生理的系统，但这些细胞通常在含有过量代谢底物浓度的培养基中在高氧中培养，有时甚至与污染细胞群一起培养。因此，这些机制实验必须得到额外的体内数据的支持，这一点至关重要。尽管如此，这个令人兴奋的研究领域已经被证明是有益的。在这方面，继续表征“正常”与病理代谢过程是一个有前途的科学利基。此外，研究骨能量学和新陈代谢，以了解骨细胞如何、为什么以及何时利用各种底物，以及这些对整体骨骼健康的影响，为治疗靶点开辟了广阔的领域。为此，已发现用于治疗骨质疏松症的第一代抗吸收双膦酸盐（即依替膦酸盐和氯膦酸盐）会影响破骨细胞能量学。这些广泛使用的药物是如何利用代谢途径影响整体骨骼健康和改善患者生活质量的完美例子。除了抗吸收治疗外，还有两种 FDA 批准的合成代谢疗法，Teriparatide 和 Romosozumab，它们分别激活 PTH 和 WNT 通路。PTH 和 WNT 都刺激成骨细胞中谷氨酰胺的摄取和代谢 6,11,25,26。强调了这方面的治疗意义，在药理学或遗传上抑制谷氨酰胺代谢活性会减少对 WNT 或合成代谢 PTH 治疗的骨形成 6,11。因此，有必要继续研究以研究骨细胞中的代谢和生物能量学。本集合中描述的技术为解决与骨细胞中的骨能量学和代谢相关的各种科学问题奠定了基础。
作者没有什么可透露的。
这项工作得到了美国国立卫生研究院 （NIH） 和美国国家关节炎和肌肉骨骼和皮肤病研究所 （NIAMS） 拨款的支持 AR072123（ERR）、AR076325 和 AR071967（CMK）;和美国国家老龄化研究所 （NIA） 拨款 AG069795（ERR）。
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