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El hueso es un tejido dinámico que se somete a una remodelación continua, que involucra osteoclastos que reabsorben los huesos y osteoblastos formadores de hueso. Es importante destacar que estos procesos se combinan con otras células que residen en el espacio de la médula, como las células hematopoyéticas y los adipocitos de la médula ósea. Una desconexión en el recambio óseo da como resultado fragilidad esquelética y un aumento posterior de fracturas1. Estudios recientes han demostrado la importancia de los sustratos metabólicos y el metabolismo energético para regular tanto la formación ósea como la resorción ósea 2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15, 16,17. Dirigirse a las vías metabólicas se utiliza para tratar varios tipos de cáncer y podría ser una herramienta provocativa que podría aplicarse para combatir diversas afecciones que conducen a una mayor incidencia de fracturas18. Debido a esto, es importante tener una comprensión completa del metabolismo celular en todas las células óseas. Desafortunadamente, estudiar las células óseas en su entorno nativo es un desafío debido a su localización dentro del tejido mineralizado. En comparación con los tejidos no mineralizados, los pasos necesarios para procesar el hueso dificultan los estudios moleculares y mecanicistas de su estado metabólico. Como tal, esta colección tiene como objetivo resaltar las técnicas establecidas utilizadas para monitorear las vías metabólicas en células aisladas de su nicho esquelético.
"Osteoenergética" describe los procesos metabólicos y el potencial bioenergético de los osteoblastos y sigue siendo un área activa de interés e investigación científica. Sin embargo, antes de la capacidad de las células para producir y utilizar ATP, primero se deben adquirir sustratos energéticos. Tres artículos dentro de esta colección destacan los métodos utilizados para monitorear destinos de sustrato específicos dentro de las células óseas. En primer lugar, Shen y Karner19 describen técnicas para evaluar el consumo de aminoácidos en células cultivadas in vitro o huesos aislados ex vivo. En el sistema in vitro, las células ST2 cultivadas se incuban con L-[3,4-3 H]-glutamina durante un tiempo predeterminado, y la captación de glutamina se cuantifica utilizando un contador de centelleo. De manera similar, en el sistema ex vivo, los huesos recolectados de ratones neonatales se incuban con aminoácidos radiomarcados y la absorción de aminoácidos se estima utilizando un contador de centelleo. Estos métodos permiten una evaluación rápida y sensible de la absorción de aminoácidos en las células óseas o en huesos aislados. Es importante destacar que estos métodos son fácilmente modificables para evaluar diferentes aminoácidos u otros sustratos energéticos y para probar diversas preguntas científicas.
Además de los aminoácidos, la glucosa y los ácidos grasos de cadena larga (AGCC) representan un suministro denso de energía celular o ATP. En esta capacidad, los LCFA ingresan a las mitocondrias a través de la carnitina palmitoil transferasa (CPTI / II), donde se oxidan fácilmente a través de la β-oxidación, y posteriormente pueden ingresar al ciclo de fosforilación oxidativa o ácido tricarboxílico (TCA) para producir ATP. Esta serie de reacciones químicas finalmente da como resultado la liberación de carbono como dióxido de carbono gaseoso (CO2), que es difícil de cuantificar. Song et al. y Kim et al. describen de manera experta dos métodos relacionados para medir los metabolitos generados en el proceso de oxidación20,21. Ambas técnicas utilizan un sustrato de carbono marcado con 14C y papel de filtro como herramienta de "atrapamiento" para cuantificar el 14CO2 liberado. Sin embargo, cada método es igualmente importante ya que describen recipientes de cultivo únicos y técnicas de normalización de datos. Además, Song et al.20 describen cómo calcular la oxidación del sustrato, mientras que Kim et al.21 incluyen un método adicional para medir los metabolitos solubles en ácido.
Estos estudios de rastreo permiten al investigador determinar el destino metabólico de varios sustratos. Como complemento, Jayapalan et al.22 utilizan análisis de flujo metabólico para monitorear procesos metabólicos, incluida la glucólisis y la fosforilación oxidativa a través de la respiración mitocondrial. Este equipo mide fundamentalmente el oxígeno y el pH en cultivos de células vivas en tiempo real. Por lo tanto, al cultivar células estromales primarias de la médula ósea (BMSC) a través de la diferenciación de osteoblastos, se pueden realizar una variedad de experimentos mientras se monitorean las vías metabólicas23. Esta técnica se puede realizar con cuatro inyecciones diferentes, lo que permite a los investigadores adaptar los experimentos a preguntas científicas específicas y, al mismo tiempo, poder seguir protocolos estandarizados, incluida la tasa de ATP, la utilización de combustible / sustrato, la respiración mitocondrial y los ensayos de tasa glucolítica. Finalmente, dado que muchos de estos experimentos son de naturaleza mecanicista, es imperativo mantener una población celular homogénea sin contaminación por otros tipos de células. Los sistemas de cultivo celular in vitro utilizados para monitorear los procesos metabólicos de las células óseas tienen muchas limitaciones inherentes. Guo y Wu24 ofrecen una excelente descripción general de las limitaciones introducidas durante los cultivos estándar de BMSC y contribuyen con un método detallado para enriquecer las poblaciones de células estromales y minimizar la contaminación hematopoyética mediante hipoxia.
En resumen, esta colección demuestra técnicas para monitorear la utilización del sustrato y la capacidad bioenergética en una variedad de modelos esqueléticos tanto in vitro como ex vivo. La mayoría de estos métodos se realizan utilizando sistemas de cultivo celular y, por lo tanto, presentan limitaciones debido al entorno artificial. Si bien es cierto que las células primarias permiten un sistema más fisiológico, estas células a menudo se cultivan con alto contenido de oxígeno en medios que contienen concentraciones excesivas de sustratos metabólicos y, a veces, incluso con poblaciones celulares contaminantes. Por lo tanto, es fundamental que estos experimentos mecanicistas estén respaldados con datos in vivo adicionales. No obstante, esta emocionante área de investigación ya ha demostrado ser beneficiosa. En este sentido, continuar caracterizando los procesos metabólicos "normales" versus patológicos es un nicho científico prometedor. Además, el estudio de la osteoenergética y el metabolismo para comprender cómo, por qué y cuándo las células óseas utilizan varios sustratos y las implicaciones que estos tienen en la salud ósea general abre una amplia área para los objetivos terapéuticos. Con este fin, se ha descubierto que los bifosfonatos antirresortivos de primera generación (es decir, etidronato y clodronato) utilizados para tratar la osteoporosis afectan la energía de los osteoclastos. Estos medicamentos ampliamente recetados representan un ejemplo perfecto de cómo se pueden explotar las vías metabólicas para afectar la salud ósea general y mejorar la calidad de vida del paciente. Además de los tratamientos antirresortivos, existen dos terapias anabólicas aprobadas por la FDA, Teriparatida y Romosozumab, que activan las vías PTH y WNT, respectivamente. Tanto la PTH como la WNT estimulan la captación y el metabolismo de la glutamina en los osteoblastos 6,11,25,26. Destacando las implicaciones terapéuticas de esto, la inhibición de la actividad del metabolismo de la glutamina, ya sea farmacológica o genéticamente, reduce la formación ósea en respuesta a los tratamientos con WNT o PTH anabólica 6,11. Por lo tanto, se justifica la investigación continua para estudiar el metabolismo y la bioenergética en las células óseas. Las técnicas descritas en esta colección proporcionan una base para abordar diversas cuestiones científicas relacionadas con la osteoenergética y el metabolismo en las células óseas.