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L’os est un tissu dynamique qui subit un remodelage continu, impliquant des ostéoclastes résorbants et des ostéoblastes formant l’os. Il est important de noter que ces processus sont couplés à d’autres cellules résidant dans l’espace de la moelle osseuse, telles que les cellules hématopoïétiques et les adipocytes de la moelle osseuse. Une déconnexion dans le renouvellement osseux entraîne une fragilité squelettique et une augmentation ultérieure des fractures1. Des études récentes ont démontré l’importance des substrats métaboliques et du métabolisme énergétique pour réguler à la fois la formation osseuse et la résorption osseuse 2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15, 16 et 17. Le ciblage des voies métaboliques est utilisé pour traiter divers cancers et pourrait être un outil provocateur qui pourrait être appliqué pour lutter contre diverses affections qui entraînent une augmentation de l’incidence des fractures18. Pour cette raison, il est important d’avoir une compréhension complète du métabolisme cellulaire dans toutes les cellules osseuses. Malheureusement, l’étude des cellules osseuses dans leur environnement d’origine est difficile en raison de leur localisation dans le tissu minéralisé. Par rapport aux tissus non minéralisés, les étapes requises pour traiter l’os rendent difficiles les études moléculaires et mécanistes de leur état métabolique. À ce titre, cette collection vise à mettre en évidence les techniques établies utilisées pour surveiller les voies métaboliques dans les cellules isolées de leur niche squelettique.
L’ostéoénergétique décrit les processus métaboliques et le potentiel bioénergétique des ostéoblastes et reste un domaine actif d’intérêt scientifique et de recherche. Cependant, avant la capacité des cellules à produire et à utiliser l’ATP, des substrats énergétiques doivent d’abord être acquis. Trois articles de cette collection mettent en évidence les méthodes utilisées pour surveiller le devenir de substrats spécifiques dans les cellules osseuses. Tout d’abord, Shen et Karner19 décrivent des techniques pour évaluer la consommation d’acides aminés dans des cellules cultivées in vitro ou des os isolés ex vivo. Dans le système in vitro, les cellules ST2 cultivées sont incubées avec de la L-[3,4-3 H]-glutamine pendant une durée prédéterminée, et l’absorption de glutamine est quantifiée à l’aide d’un compteur de scintillation. De même, dans le système ex vivo, les os prélevés sur des souris nouveau-nées sont incubés avec des acides aminés radiomarqués, et l’absorption des acides aminés est estimée à l’aide d’un compteur à scintillation. Ces méthodes permettent une évaluation rapide et sensible de l’absorption des acides aminés dans les cellules osseuses ou dans les os isolés. Il est important de noter que ces méthodes sont facilement modifiables pour évaluer différents acides aminés ou autres substrats énergétiques et pour tester diverses questions scientifiques.
En plus des acides aminés, le glucose et les acides gras à longue chaîne (AGLC) représentent un apport dense d’énergie cellulaire ou ATP. À ce titre, les AGLC pénètrent dans les mitochondries via la carnitine palmitoyl transférase (CPTI/II), où ils sont facilement oxydés par β-oxydation, et peuvent ensuite entrer dans l’acide tricarboxylique (TCA) ou le cycle de phosphorylation oxydative pour produire de l’ATP. Cette série de réactions chimiques aboutit finalement à la libération de carbone sous forme de dioxyde de carbone gazeux (CO2), ce qui est difficile à quantifier. Song et al. et Kim et al. décrivent de manière experte deux méthodes connexes pour mesurer les métabolites générés dans le processus d’oxydation20,21. Les deux techniques utilisent un substrat de carbone marqué au carbone 14C et du papier filtre comme outil de « piégeage » pour quantifier les 14CO2 libérés. Cependant, chaque méthode est tout aussi importante car elle décrit des récipients de culture uniques et des techniques de normalisation des données. De plus, Song et al.20 décrivent comment calculer l’oxydation du substrat, tandis que Kim et al.21 incluent une méthode supplémentaire pour mesurer les métabolites solubles dans l’acide.
Ces études de traçage permettent à l’investigateur de déterminer le devenir métabolique de divers substrats. En complément, Jayapalan et al.22 utilisent des analyses de flux métaboliques pour surveiller les processus métaboliques, y compris la glycolyse et la phosphorylation oxydative via la respiration mitochondriale. Cet équipement mesure fondamentalement l’oxygène et le pH dans les cultures de cellules vivantes en temps réel. Par conséquent, en cultivant des cellules stromales primaires de la moelle osseuse (BMSC) par différenciation des ostéoblastes, une variété d’expériences peut être menée tout en surveillant les voies métaboliques23. Cette technique peut être réalisée avec quatre injections différentes, ce qui permet aux chercheurs d’adapter les expériences à des questions scientifiques spécifiques tout en étant en mesure de suivre des protocoles standardisés, notamment le taux d’ATP, l’utilisation du carburant/substrat, la respiration mitochondriale et les dosages du taux glycolytique. Enfin, étant donné que bon nombre de ces expériences sont de nature mécaniste, il est impératif de maintenir une population cellulaire homogène sans contamination par d’autres types de cellules. Les systèmes de culture cellulaire in vitro utilisés pour surveiller les processus métaboliques des cellules osseuses présentent de nombreuses limites inhérentes. Guo et Wu24 offrent un excellent aperçu des limitations introduites lors des cultures BMSC standard et contribuent à une méthode détaillée pour enrichir les populations de cellules stromales et minimiser la contamination hématopoïétique à l’aide de l’hypoxie.
En résumé, cette collection démontre des techniques de suivi de l’utilisation du substrat et de la capacité bioénergétique dans une variété de modèles squelettiques in vitro et ex vivo. La plupart de ces méthodes sont réalisées à l’aide de systèmes de culture cellulaire et, par conséquent, présentent des limites dues à l’environnement artificiel. S’il est vrai que les cellules primaires permettent un système plus physiologique, ces cellules sont souvent cultivées à haute teneur en oxygène dans des milieux contenant des concentrations excessives de substrats métaboliques et, parfois, même avec des populations cellulaires contaminantes. Par conséquent, il est essentiel que ces expériences mécanistes soient étayées par des données in vivo supplémentaires. Néanmoins, ce domaine de recherche passionnant s’est déjà avéré bénéfique. À cet égard, continuer à caractériser les processus métaboliques « normaux » par rapport aux processus métaboliques pathologiques est un créneau scientifique prometteur. De plus, l’étude de l’ostéoénergétique et du métabolisme pour comprendre comment, pourquoi et quand les cellules osseuses utilisent divers substrats et les implications que ceux-ci ont sur la santé globale des os ouvre un large champ pour les cibles thérapeutiques. À cette fin, il a été constaté que les bisphosphonates anti-résorbants de première génération (c’est-à-dire l’étidronate et le clodronate) utilisés pour traiter l’ostéoporose ont un impact sur l’énergie des ostéoclastes. Ces médicaments largement prescrits représentent un exemple parfait de la façon dont les voies métaboliques peuvent être exploitées pour avoir un impact sur la santé globale des os et améliorer la qualité de vie d’un patient. En plus des traitements antirésorptifs, il existe deux thérapies anabolisantes approuvées par la FDA, le tériparatide et le romosozumab, qui activent respectivement les voies PTH et WNT. La PTH et la WNT stimulent toutes deux l’absorption de la glutamine et le métabolisme dans les ostéoblastes 6,11,25,26. Soulignant les implications thérapeutiques de cela, l’inhibition de l’activité métabolique de la glutamine réduit pharmacologiquement ou génétiquement la formation osseuse en réponse aux traitements WNT ou anabolisants PTH 6,11. Par conséquent, des recherches continues sont justifiées pour étudier le métabolisme et la bioénergétique dans les cellules osseuses. Les techniques décrites dans cette collection fournissent une base pour aborder diverses questions scientifiques liées à l’ostéoénergétique et au métabolisme dans les cellules osseuses.