방법 논문

골에너지학과 신진대사를 연구하는 방법

DOI:

10.3791/64649

⸱

2022년 8월 12일

 , 
1Department of Medicine, Clinical Pharmacology, Vanderbilt University Medical Center, 2Department of Internal Medicine, Charles and Jane Pak Center for Mineral Metabolism and Clinical Research, University of Texas Southwestern Medical Center

이 논문에서

초록

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논의된 기사:

Shen, L., Karner, CM 배양된 골세포 및 분리된 골간에서 아미노산 소비 평가. 시각화 실험 저널. (182), e62995 (2022).

Jayapalan, S., Nandy, A., Rendina-Ruedy, E. 실시간 세포 대사 플럭스 분석기를 사용하여 조골세포 생체 에너지학을 모니터링합니다. 시각화 실험 저널. (181), e63142 (2022).

Song, C., Valeri, A., Long, F. 14CO2 트래핑을 사용하여 시험관 내 에너지 기질 산화 평가. 시각화 실험 저널. (181), e63568 (2022).

Kim, SP, Li, Z., Riddle, RC 배양된 뼈 세포의 지방산 산화 평가. 시각화 실험 저널. (182), e63638 (2022).

Guo, W., Wu, C. 쥐 골수 간질 세포 배양에서 조혈 세포를 감소시키기 위해 낮은 산소 분압을 활용합니다. 시각화 실험 저널. 인쇄를 앞둔 Epub(2022).

사설

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뼈는 뼈 흡수 파골세포와 뼈 형성 조골세포를 포함하는 지속적인 리모델링을 거치는 동적 조직입니다. 중요한 것은 이러한 과정이 조혈 세포 및 골수 지방 세포와 같은 골수 공간에 상주하는 다른 세포와 결합된다는 것입니다. 뼈 회전율의 단절은 골격의 취약성과 그에 따른 골절의 증가를 초래합니다1. 최근 연구에서는 뼈 형성과 뼈 흡수를 모두 조절하기 위한 대사 기질과 에너지 대사의 중요성이 입증되었습니다 2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15, 16,17. 대사 경로를 표적으로 삼는 것은 다양한 암을 치료하는 데 사용되며 골절 발생률 증가로 이어지는 다양한 상태를 퇴치하는 데 적용될 수 있는 도발적인 도구가 될 수 있습니다18. 이로 인해 모든 뼈 세포의 세포 대사를 완전히 이해하는 것이 중요합니다. 불행하게도 자연 환경에서 뼈 세포를 연구하는 것은 광물화된 조직 내의 국소화로 인해 어렵습니다. 광물화되지 않은 조직과 비교할 때 뼈를 처리하는 데 필요한 필수 단계는 대사 상태에 대한 분자 및 기계론적 연구를 어렵게 만듭니다. 따라서 이 컬렉션은 골격 틈새에서 분리된 세포의 대사 경로를 모니터링하는 데 사용되는 확립된 기술을 강조하는 것을 목표로 합니다.

"골에너지학"은 조골세포의 대사 과정과 생체 에너지 잠재력을 설명하며 과학적 관심과 탐구의 활발한 영역으로 남아 있습니다. 그러나 ATP를 만들고 활용하는 세포의 능력에 앞서 먼저 에너지 기질을 획득해야 합니다. 이 컬렉션의 세 기사는 뼈 세포 내의 특정 기질 운명을 모니터링하는 데 사용되는 방법을 강조합니다. 첫째, Shen과 Karner19는 시험관 내에서 배양된 세포 또는 생체 외에서 분리된 뼈에서 아미노산 소비를 평가하는 기술을 설명합니다. 시험관 내 시스템에서 배양된 ST2 세포를 L-[3,4-3H]-글루타민과 함께 미리 정해진 시간 동안 배양하고, 글루타민 흡수를 섬광 계수기를 사용하여 정량화합니다. 유사하게, 생체 외 시스템에서 신생아 마우스로부터 채취한 뼈를 방사성 표지 아미노산과 함께 배양하고 섬광 카운터를 사용하여 아미노산 흡수를 추정합니다. 이러한 방법을 사용하면 뼈 세포 또는 분리된 뼈에서 아미노산 흡수를 빠르고 민감하게 평가할 수 있습니다. 중요한 것은 이러한 방법을 쉽게 수정하여 다양한 아미노산 또는 기타 에너지 기질을 평가하고 다양한 과학적 질문을 테스트할 수 있다는 것입니다.

아미노산 외에도 포도당과 장쇄 지방산(LCFA)은 세포 에너지 또는 ATP의 조밀한 공급을 나타냅니다. 이 능력에서 LCFA는 카르니틴 팔미토일 트랜스퍼라제(CPTI/II)를 통해 미토콘드리아로 들어가 β 산화를 통해 쉽게 산화되고 이후 트리카르복실산(TCA) 또는 산화적 인산화 주기에 들어가 ATP를 생성할 수 있습니다. 이러한 일련의 화학 반응은 궁극적으로 탄소가 기체 이산화탄소(CO2)로 방출되는 결과를 초래하는데, 이는 정량화하기 어렵습니다. Song et al. 및 Kim et al. 산화 공정에서 생성된 대사 산물을 측정하기 위한 두 가지 관련 방법을 전문적으로 설명합니다20,21. 두 기술 모두 방출된 14CO2를 정량화하기 위해 14C 표지 탄소 기질과 여과지를 "트래핑" 도구로 사용합니다. 그러나 각 방법은 고유한 배양 용기와 데이터 정규화 기술을 설명하기 때문에 똑같이 중요합니다. 또한, Song et al.20은 기질 산화를 계산하는 방법을 설명하는 반면, Kim et al.21은 산용성 대사산물을 측정하는 추가 방법을 포함합니다.

이러한 추적 연구를 통해 연구자는 다양한 기질의 대사 운명을 결정할 수 있습니다. 보완적으로 Jayapalan et al.22 는 대사 플럭스 분석을 사용하여 미토콘드리아 호흡 을 통한 해당작용 및 산화적 인산화를 포함한 대사 과정을 모니터링합니다. 이 장비는 기본적으로 살아있는 세포 배양의 산소와 pH를 실시간으로 측정합니다. 따라서, 조골세포 분화를 통해 일차 골수 간질 세포(BMSC)를 배양함으로써 대사 경로를 모니터링하면서 다양한 실험을 수행할 수 있다23. 이 기술은 4가지 주입으로 수행할 수 있으며, 이를 통해 연구자는 ATP 속도, 연료/기질 활용, 미토콘드리아 호흡 및 해당과정 분석을 포함한 표준화된 프로토콜을 따를 수 있는 동시에 특정 과학적 질문에 실험을 적용할 수 있습니다. 마지막으로, 이러한 실험 중 다수는 본질적으로 기계적이기 때문에 다른 세포 유형에 의한 오염 없이 균질한 세포 집단을 유지하는 것이 필수적입니다. 골세포 대사 과정을 모니터링하는 데 사용되는 시험관 내 세포 배양 시스템에는 많은 고유한 한계가 있습니다. Guo 및 Wu24 는 표준 BMSC 배양 중에 도입된 한계에 대한 탁월한 개요를 제공하고 간질 세포 집단을 농축하고 저산소증을 사용하여 조혈 오염을 최소화하는 자세한 방법에 기여합니다.

요약하면, 이 컬렉션은 시험관 내 및 생체 외 모두에서 다양한 골격 모델에서 기질 활용 및 생체 에너지 용량을 모니터링하는 기술을 보여줍니다. 이러한 방법의 대부분은 세포 배양 시스템을 사용하여 수행되므로 인공 환경으로 인해 한계가 있습니다. 일차 세포가 보다 생리학적 시스템을 허용하는 것은 사실이지만, 이러한 세포는 종종 과도한 농도의 대사 기질을 포함하는 배지에서 고산소에서 배양되며 때로는 오염된 세포 집단으로도 배양됩니다. 따라서 이러한 기계론적 실험은 추가 생체 내 데이터로 뒷받침되는 것이 중요합니다. 그럼에도 불구하고 이 흥미로운 연구 분야는 이미 유익한 것으로 입증되었습니다. 이와 관련하여 "정상" 대 병리학적 대사 과정을 계속 특성화하는 것은 유망한 과학적 틈새 시장입니다. 또한, 골 에너지학 및 신진대사를 연구하여 뼈 세포가 다양한 기질을 활용하는 방법, 이유, 시기와 이것이 전반적인 뼈 건강에 미치는 영향을 이해하면 치료 표적이 넓어집니다. 이를 위해 골다공증 치료에 사용되는 1세대 항흡수성 비스포스포네이트(즉, 에티드로네이트 및 클로드로네이트)가 파골세포 에너지학에 영향을 미치는 것으로 밝혀졌습니다. 널리 처방되는 이러한 약물은 대사 경로가 어떻게 활용되어 전반적인 뼈 건강에 영향을 미치고 환자의 삶의 질을 향상시킬 수 있는지를 보여주는 완벽한 예를 나타냅니다. 항흡수 치료 외에도 각각 PTH 및 WNT 경로를 활성화하는 두 가지 FDA 승인 단백동화 요법인 테리파라타이드와 로모소주맙이 있습니다. PTH와 WNT는 모두 조골세포에서 글루타민 흡수 및 대사를 자극합니다 6,11,25,26. 이것의 치료적 의미를 강조하자면, 글루타민 대사 활성을 약리학적 또는 유전적으로 억제하면 WNT 또는 단백동화 PTH 치료에 대한 반응으로 뼈 형성이 감소합니다 6,11. 따라서 뼈 세포의 대사 및 생체 에너지학을 연구하기 위해서는 지속적인 조사가 필요합니다. 이 컬렉션에 설명된 기술은 뼈 세포의 골 에너지학 및 대사와 관련된 다양한 과학적 질문을 해결하기 위한 기반을 제공합니다.

공개 사항

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저자는 공개할 것이 없습니다.

감사의 글

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이 작업은 국립 보건원(NIH) 및 국립 관절염 및 근골격계 및 피부 질환 연구소(NIAMS) 보조금 AR072123(ERR), AR076325 및 AR071967(CMK)의 지원을 받았습니다. 및 국립 노화 연구소(NIA) 보조금 AG069795(ERR로).

참고문헌

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