Methodenartikel

Methoden voor het bestuderen van osteo-energetica en metabolisme

DOI:

10.3791/64649

12 augustus 2022

In dit artikel

Samenvatting

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

BESPROKEN ARTIKELEN:

Shen, L., Karner, C. M. Evaluatie van aminozuurconsumptie in gekweekte botcellen en geïsoleerde botschachten. Journal of Visualized Experiments. (182), e62995 (2022).

Jayapalan, S., Nandy, A., Rendina-Ruedy, E. Gebruik van real-time cell metabolische flux analyzér om osteoblast bioenergetica te monitoren. Journal of Visualized Experiments. (181), e63142 (2022).

Song, C., Valeri, A., Long, F. Beoordeling van energiesubstraatoxidatie in vitro met 14CO2 trapping. Journal of Visualized Experiments. (181), e63568 (2022).

Kim, S. P., Li, Z., Riddle, R. C. Evaluatie van vetzuuroxidatie in gekweekte botcellen. Journal of Visualized Experiments. (182), e63638 (2022).

Guo, W., Wu, C. Gebruik van lage zuurstofspanning om hemopoëtische cellen in muis-botmergstromacelculturen te verminderen. Journal of Visualized Experiments. Epub voor publicatie (2022).

Redactioneel

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bot is een dynamisch weefsel dat continu wordt vernieuwd, waarbij botresorbing osteoclasten en botvormende osteoblasten betrokken zijn. Belangrijk is dat deze processen gekoppeld zijn aan andere cellen die in de mergholte verblijven, zoals hematopoëtische cellen en mergvetkleurcellen. Een storing in de botvernieuwing resulteert in skeletaal fragiel en een daaropvolgende toename van fracturen1. Recente studies hebben de belangrijkheid van metabolische substraten en energetisch metabolisme aangetoond om zowel botvorming als botresorptie te reguleren2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17. Targeting metabolische paden wordt gebruikt om verschillende kankers te behandelen en zou een provocerend hulpmiddel kunnen zijn dat kan worden toegepast om verschillende aandoeningen te bestrijden die leiden tot een verhoogde fracture frequentie18. Daarom is het belangrijk om een volledig begrip te hebben van het cellulaire metabolisme in alle botcellen. Helaas is het bestuderen van botcellen in hun oorspronkelijke omgeving uitdagend vanwege hun lokalisatie binnen het gemineraliseerde weefsel. In vergelijking met ongemineraliseerd weefsel zijn de vereiste stappen die nodig zijn om bot te verwerken, moeilijk voor moleculaire en mechanistische studies van hun metabolische status. Als zodanig heeft deze verzameling tot doel gevestigde technieken te benadrukken die worden gebruikt om metabolische paden in cellen te monitoren die zijn geïsoleerd uit hun skeletnische.

"Osteoenergetica" beschrijft de metabolische processen en bio-energetische potentieel van osteoblasten en blijft een actief gebied van wetenschappelijk onderzoek en onderzoek. Voorafgaand aan het vermogen van de cellen om ATP te maken en te gebruiken, moeten energetische substraten echter eerst worden verkregen. Drie artikelen binnen deze verzameling benadrukken methoden die worden gebruikt om specifieke substraatbestemmingen binnen botcellen te monitoren. Eerst beschrijven Shen en Karner19 technieken om aminozuurconsumptie te evalueren in gekweekte cellen in vitro of geïsoleerde botten ex vivo. In het in vitro systeem worden gekweekte ST2-cellen gedurende een vooraf bepaalde tijd geïncubeerd met L-[3,4-3H]-glutamine, en glutamine-opname wordt gekwantificeerd met behulp van een scintillatieteller. Evenzo, in het ex vivo systeem, worden botten die zijn geoogst uit neonatale muizen geïncubeerd met radio-gelabelde aminozuren, en aminozuur-opname wordt geschat met behulp van een scintillatieteller. Deze methoden staan een snelle en gevoelige evaluatie toe van aminozuur-opname in botcellen of in geïsoleerde botten. Belangrijk is dat deze methoden gemakkelijk aanpasbaar zijn om verschillende aminozuren of andere energetische substraten te evalueren en om verschillende wetenschappelijke vragen te testen.

Naast aminozuren vertegenwoordigen glucose en lange keten vetzuren (LCFA) een dichte levering van cellulaire energie of ATP. In deze capaciteit komen LCFA de mitochondriën binnen via carnitine palmitoyl transferase (CPTI/II), waar ze gemakkelijk worden geoxideerd via β-oxidatie, en kunnen vervolgens  de tricarboxylzuur (TCA) of oxidatieve fosforyleringscyclus binnengaan om ATP te produceren. Deze reeks chemische reacties resulteert uiteindelijk in koolstof die wordt vrijgegeven als gasvormig kooldioxide (CO2), wat moeilijk te kwantificeren is. Song et al. en Kim et al. beschrijven vakkundig twee gerelateerde methoden om de metabolieten te meten die worden gegenereerd in het oxidatieproces20,21. Beide technieken gebruiken een 14C-gelabeld koolstofsubstraat en filterpapier als een "vangst" hulpmiddel om de vrijgekomen 14CO2 te kwantificeren. Elk van deze methoden is echter even belangrijk omdat ze unieke kweekvaten en gegevensnormalisatietechnieken beschrijven. Bovendien beschrijven Song et al.20 hoe substratenoxidatie kan worden berekend, terwijl Kim et al.21 een extra methode omvatten om zuuroplosbare metabolieten te meten.

Deze traceerstudies stellen de onderzoeker in staat om het metabolische lot van verschillende substraten te bepalen. Als aanvulling gebruiken Jayapalan et al.22 metabolische fluxanalyses om metabolische processen te monitoren, inclusief glycolyse en oxidatieve fosforylering via mitochondriale ademhaling. Deze apparatuur meet fundamenteel zuurstof en pH in levende celculturen in real-time. Daarom kan door primaire beenmergstromacellen (BMSC's) door osteoblastdifferentiatie te kweken, een verscheidenheid aan experimenten worden uitgevoerd met bewaking van de metabolische paden23. Deze techniek kan worden uitgevoerd met vier verschillende injecties, waardoor onderzoekers de experimenten kunnen aanpassen aan specifieke wetenschappelijke vragen, terwijl ze ook standaardprotocollen kunnen volgen, inclusief ATP-snelheid, brandstof/substraatgebruik, mitochondriale ademhaling en glycolytische snelheidsassays. Ten slotte, aangezien veel van deze experimenten mechanisch van aard zijn, is het van essentieel belang om een homogene celpopulatie te onderhouden zonder besmetting door andere celtypen. De in vitro celcultuursystemen die worden gebruikt om botcelmetabolische processen te monitoren, hebben veel inherente beperking

Openbaarmakingen

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dit werk werd ondersteund door het National Institute of Health (NIH) en National Institute of Arthritis and Musculoskeletal and Skin Diseases (NIAMS) Grants AR072123 (aan ERR), AR076325 en AR071967 (aan CMK); en National Institute on Aging (NIA) Grant AG069795 (aan ERR).

Referenties

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Feng, X., McDonald, J. M. Disorders of bone remodeling. Annual Review Pathology. 6, 121-145 (2011).
  2. Elefteriou, F., et al. ATF4 mediation of NF1 functions in osteoblast reveals a nutritional basis for congenital skeletal dysplasiae. Cell Metabolism. 4 (6), 441-451 (2006).
  3. Esen, E., et al. WNT-LRP5 signaling induces Warburg effect through mTORC2 activation during osteoblast differentiation. Cell Metabolism. 17 (5), 745-755 (2013).
  4. Frey, J. L., et al. Wnt-Lrp5 signaling regulates fatty acid metabolism in the osteoblast. Molecular Cell Biology. 35 (11), 1979-1991 (2015).
  5. Guntur, A. R., et al. Osteoblast-like MC3T3-E1 cells prefer glycolysis for ATP production but adipocyte-like 3T3-L1 cells prefer oxidative phosphorylation. Journal of Bone Mineral Research. 33 (6), 1052-1065 (2018).
  6. Karner, C. M., Esen, E., Okunade, A. L., Patterson, B. W., Long, F. Increased glutamine catabolism mediates bone anabolism in response to WNT signaling. Journal of Clinical Investigation. 125 (2), 551-562 (2015).
  7. Lee, W. C., Ji, X., Nissim, I., Long, F. Malic enzyme couples mitochondria with aerobic glycolysis in osteoblasts. Cell Reports. 32 (10), 108108(2020).
  8. Shares, B. H., Busch, M., White, N., Shum, L., Eliseev, R. A. Active mitochondria support osteogenic differentiation by stimulating beta-catenin acetylation. Journal of Biological Chemistry. 293 (41), 16019-16027 (2018).
  9. Shares, B. H., et al. Inhibition of the mitochondrial permeability transition improves bone fracture repair. Bone. 137, 115391(2020).
  10. Shen, L., Hu, G., Karner, C. M. Bioenergetic metabolism in osteoblast differentiation. Current Osteoporosis Reports. 20 (1), 53-64 (2022).
  11. Stegen, S., et al. Glutamine metabolism in osteoprogenitors is required for bone mass accrual and PTH-induced bone anabolism in male mice. Journal of Bone and Mineral Research. 36 (3), 604-616 (2021).
  12. Stegen, S., et al. HIF-1alpha promotes glutamine-mediated redox homeostasis and glycogen-dependent bioenergetics to support postimplantation bone cell survival. Cell Metabolism. 23 (2), 265-279 (2016).
  13. Wei, J., et al. Glucose uptake and Runx2 synergize to orchestrate osteoblast differentiation and bone formation. Cell. 161 (7), 1576-1591 (2015).
  14. Yu, Y., et al. Glutamine metabolism regulates proliferation and lineage allocation in skeletal stem cells. Cell Metabolism. 29 (4), 966-978 (2019).
  15. Arnett, T. R., Orriss, I. R. Metabolic properties of the osteoclast. Bone. 115, 25-30 (2018).
  16. Indo, Y., et al. Metabolic regulation of osteoclast differentiation and function. Journal of Bone Mineral Research. 28 (11), 2392-2399 (2013).
  17. Kim, J. M., et al. Osteoclast precursors display dynamic metabolic shifts toward accelerated glucose metabolism at an early stage of RANKL-stimulated osteoclast differentiation. Cellular Physiology and Biochemistry. 20 (6), 935-946 (2007).
  18. Stine, Z. E., Schug, Z. T., Salvino, J. M., Dang, C. V. Targeting cancer metabolism in the era of precision oncology. Nature Reviews Drug Discovery. 21 (2), 141-162 (2022).
  19. Shen, L., Karner, C. M. Evaluation of amino acid consumption in cultured bone cells and isolated bone shafts. Journal of Visualized Experiments. (182), e62995(2022).
  20. Kim, S. P., Li, Z., Riddle, R. C. Evaluation of fatty acid oxidation in cultured bone cells. Journal of Visualized Experiments. (182), e63638(2022).
  21. Song, C., Valeri, A., Long, F. Assessing energy substrate oxidation in vitro with 14CO2 trapping. Journal of Visualized Experiments. (181), e63568(2022).
  22. Jayapalan, S., Nandy, A., Rendina-Ruedy, E. Using real-time cell metabolic flux analyzer to monitor osteoblast bioenergetics. Journal of Visualized Experiments. (181), e63142(2022).
  23. Misra, B. B., Jayapalan, S., Richards, A. K., Helderman, R. C. M., Rendina-Ruedy, E. Untargeted metabolomics in primary murine bone marrow stromal cells reveals distinct profile throughout osteoblast differentiation. Metabolomics. 17 (10), 86(2021).
  24. Guo, W., Wu, C. Utilizing low oxygen tension to reduce hemopoietic cells in murine bone marrow stromal cell cultures. Journal of Visualized Experiments. , (2022).
  25. Dietrich, J. W., Canalis, E. M., Maina, D. M., Raisz, L. G. Hormonal control of bone collagen synthesis in vitro: effects of parathyroid hormone and calcitonin. Endocrinology. 98 (4), 943-949 (1976).
  26. Yee, J. A. Effect of parathyroid hormone on amino acid transport by cultured neonatal mouse calvarial bone cells. Journal of Bone and Mineral Research. 3 (2), 211-218 (1988).

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Amino Acid ConsumptionCultured Bone CellsBone ShaftsMetabolic Flux AnalyzerOsteoblast BioenergeticsEnergy Substrate Oxidation14CO2 TrappingFatty Acid OxidationLow Oxygen TensionHemopoietic CellsBone Marrow Stromal Cells

Gerelateerde artikelen