方法論記事
議論された記事:
Shen, L., Karner, CM 培養骨細胞および単離骨幹におけるアミノ酸消費量の評価。 視覚化された実験のジャーナル。(182)、e62995 (2022)。
Jayapalan, S.、Nandy, A.、Rendina-Ruedy, E. リアルタイム細胞代謝フラックス分析装置を使用して骨芽細胞の生体エネルギー学を監視します。 視覚化された実験のジャーナル。(181)、e63142 (2022)。
Song, C.、Valeri, A.、Long, F. 14CO2 トラップによる in vitro でのエネルギー基質酸化の評価。視覚化された実験のジャーナル。(181)、e63568 (2022)。
Kim, SP, Li, Z., Riddle, RC 培養骨細胞における脂肪酸酸化の評価。 視覚化された実験のジャーナル。(182)、e63638 (2022)。
Guo, W., Wu, C. マウス骨髄間質細胞培養における造血細胞を減少させるための低酸素分圧の利用。 視覚化された実験のジャーナル。印刷に先立って Epub (2022)。
骨は、骨吸収破骨細胞と骨形成骨芽細胞を含む継続的なリモデリングを受ける動的な組織です。重要なことに、これらのプロセスは、造血細胞や骨髄脂肪細胞など、骨髄腔に存在する他の細胞と結合しています。骨代謝回転の断絶は、骨格の脆弱性とそれに続く骨折の増加をもたらします1。最近の研究では、骨形成と骨吸収の両方を調節するための代謝基質とエネルギー代謝の重要性が実証されています 2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15、16,17。代謝経路を標的とすることは、さまざまながんの治療に使用され、骨折発生率の増加につながるさまざまな状態と戦うために適用できる挑発的なツールになる可能性があります18。このため、すべての骨細胞の細胞代謝を完全に理解することが重要です。残念ながら、骨細胞が石灰化組織内に局在するため、本来の環境で骨細胞を研究することは困難です。石灰化されていない組織と比較して、骨を処理するために必要なステップは、それらの代謝状態の分子的および機構的研究を困難にします。そのため、このコレクションは、骨格ニッチから分離された細胞の代謝経路を監視するために使用される確立された技術に焦点を当てることを目的としています。
「骨エネルギー学」は、骨芽細胞の代謝プロセスと生体エネルギーの可能性を説明しており、依然として科学的関心と調査の活発な分野です。ただし、細胞がATPを生成および利用する能力に先立って、最初にエネルギー基質を取得する必要があります。このコレクション内の3つの記事では、骨細胞内の特定の基質の運命を監視するために使用される方法に焦点を当てています。まず、ShenとKarner19は、培養細胞におけるアミノ酸消費量をin vitroまたは単離された骨のex vivoで評価する技術について説明しています。in vitroシステムでは、培養したST2細胞をL-[3,4-3 H]-グルタミンと所定の時間インキュベートし、シンチレーションカウンターを用いてグルタミン取り込みを定量する。同様に、ex vivoシステムでは、新生児マウスから採取した骨を放射性標識アミノ酸とインキュベートし、シンチレーションカウンターを用いてアミノ酸取り込みを推定します。これらの方法により、骨細胞または単離された骨におけるアミノ酸の取り込みを迅速かつ高感度に評価できます。重要なのは、これらの方法は、さまざまなアミノ酸やその他の高エネルギー基質を評価し、さまざまな科学的疑問をテストするために簡単に変更できることです。
アミノ酸に加えて、グルコース脂肪酸と長鎖脂肪酸 (LCFA) は、細胞エネルギーまたは ATP の高密度供給を表します。この能力では、LCFAはカルニチンパルミトイルトランスフェラーゼ(CPTI / II)を介してミトコンドリアに入り、そこでβ酸化によって容易に酸化され、その後トリカルボン酸(TCA)または酸化的リン酸化サイクルに入り、ATPを生成することができます。この一連の化学反応により、最終的に炭素はガス状二酸化炭素(CO2)として放出されますが、これは定量化が困難です。SongらとKimらは、酸化プロセス20,21で生成される代謝産物を測定するための2つの関連する方法を専門的に説明しています。どちらの技術も、放出された14CO2を定量化するための「トラップ」ツールとして、14C標識炭素基質とろ紙を使用します。ただし、それぞれの方法は、独自の培養容器とデータの正規化技術を記述するため、同様に重要です。さらに、Songら20は基質酸化を計算する方法を説明していますが、Kimら21は酸可溶性代謝物を測定するための追加の方法を含んでいます。
これらの追跡研究により、研究者はさまざまな基質の代謝運命を決定することができます。補完として、Jayapalanら22 は、代謝フラックス分析を使用して、ミトコンドリア呼吸 を介した 解糖や酸化的リン酸化などの代謝プロセスを監視しています。生細胞培養中の酸素とpHをリアルタイムに測定する装置です。したがって、骨芽細胞分化によって初代骨髄間質細胞(BMSC)を培養することにより、代謝経路を監視しながらさまざまな実験を行うことができます23。この技術は 4 つの異なる注射で実行できるため、研究者は実験を特定の科学的問題に適応させると同時に、ATP 速度、燃料/基質利用、ミトコンドリア呼吸、解糖速度アッセイなどの標準化されたプロトコルに従うこともできます。最後に、これらの実験の多くは本質的に機械的であるため、他の細胞型による汚染なしに均質な細胞集団を維持することが不可欠です。骨細胞の代謝プロセスを監視するために使用される in vitro 細胞培養システムには、多くの固有の制限があります。Guo と Wu24 は、標準的な BMSC 培養中に導入された制限の優れた概要を提供し、間質細胞集団を濃縮し、低酸素症を使用して造血汚染を最小限に抑えるための詳細な方法に貢献しています。
要約すると、このコレクションは、in vitroとex vivoの両方のさまざまな骨格モデルで基質の利用と生体エネルギー能力を監視する技術を示しています。これらの方法のほとんどは細胞培養システムを使用して実行されるため、人工的な環境による制限があります。初代細胞がより生理学的なシステムを可能にするのは事実ですが、これらの細胞は、過剰な濃度の代謝基質を含む培地で高酸素で培養されることが多く、場合によっては汚染された細胞集団でも培養されます。したがって、これらの機構実験は、追加のin vivoデータでサポートされることが重要です。それにもかかわらず、このエキサイティングな研究分野はすでに有益であることが証明されています。この点で、「正常」代謝プロセスと病理学的代謝プロセスを特徴付け続けることは、有望な科学的ニッチです。さらに、骨エネルギー学と代謝を研究して、骨細胞がさまざまな基質をどのように、なぜ、いつ利用するか、およびこれらが骨全体の健康に与える影響を理解することで、治療標的の領域が広がります。この目的のために、骨粗鬆症の治療に使用される第一世代の抗吸収ビスホスホネート (すなわち、エチドロネートとクロドロネート) は、破骨細胞のエネルギーに影響を与えることがわかっています。これらの広く処方されている薬は、代謝経路がどのように利用されて骨全体の健康に影響を与え、患者の生活の質を向上させることができるかを示す完璧な例です。抗吸収治療に加えて、FDA が承認した 2 つの同化療法、テリパラチドとロモソズマブがあり、それぞれ PTH 経路と WNT 経路を活性化します。PTH と WNT はどちらも、骨芽細胞におけるグルタミンの取り込みと代謝を刺激します 6,11,25,26。これの治療上の意味を強調すると、グルタミン代謝活性を薬理学的または遺伝的に阻害すると、WNT または同化 PTH 治療のいずれかに反応して骨形成が減少します 6,11。したがって、骨細胞の代謝と生体エネルギーを研究するには、継続的な研究が必要です。このコレクションで説明されている技術は、骨細胞の骨エネルギー学と代謝に関連するさまざまな科学的問題に対処するための基礎を提供します。
著者らは開示するものは何もない。
この研究は、国立衛生研究所 (NIH) および国立関節炎・筋骨格・皮膚疾患研究所 (NIAMS) 助成金 AR072123 (ERR 向け)、AR076325 および AR071967 (CMK 向け) によって支援されました。国立老化研究所 (NIA) 助成金 AG069795 (ERR へ)。
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