Choroby układu mięśniowo-szkieletowego dotykają miliony ludzi w Stanach Zjednoczonych i mają poważne konsekwencje dla krajowych i lokalnych systemów opieki zdrowotnej1. Zaburzenia te charakteryzują się utratą funkcji kości i stawów, która wymaga intensywnego leczenia i długich okresów rekonwalescencji. Zwykle obserwuje się względny wzrost liczby i/lub aktywności osteoklastów, komórek wyspecjalizowanych w resorpcji kości, w osteoporozie i zapaleniu stawów2. W warunkach fizjologicznych liczba i aktywność osteoklastów jest regulowana przez aktywator receptora liganda czynnika jądrowego κ-B (RANKL), który jest wytwarzany przez osteoblasty. Osteoprotegeryna (OPG), receptor wabik dla RANKL, jest również wytwarzana przez osteoblasty3. Modele zwierzęce in vivo, które obejmują ogólnoustrojową nadekspresję sRANKL lub delecję OPG, są bardzo cenne w badaniach nad osteoporozą; Metody te wymagają jednak wyhodowania myszy transgenicznych4,5. W tym miejscu opisano nowatorską alternatywną metodę nadekspresji sRANKL do badania zaburzeń związanych z układem mięśniowo-szkieletowym. W szczególności wykorzystano technologię minicircle DNA (MC) i metody dostarczania hydrodynamicznego, aby osiągnąć transfer genów sRANKL in vivo i ogólnoustrojową nadekspresję sRANKL u myszy6.
Ta metoda jest również komplementarna do innych modeli osteoporozy in vivo, takich jak hormonalna modulacja osteoklastów po wycięciu jajników7 i interwencja dietetyczna poprzez dietę niskowapniową8. Modele te są bardzo przydatne do badania różnych aspektów zaburzeń związanych z układem mięśniowo-szkieletowym, jednak wymagają zabiegów chirurgicznych i mogą trwać nawet kilka miesięcy, co wiąże się ze znacznymi kosztami9. Model gryzoni po owariektomii (OVX) jest eksperymentalnym modelem zwierzęcym, w którym usunięcie jajników prowadzi do niedoboru estrogenu, naśladując w ten sposób ludzką osteoporozępo menopauzie. Osteoporoza pomenopauzalna u ludzi, stan, w którym niedobór estrogenów prowadzi do zwiększonego ryzyka złamań kości, a osteoporoza dotyka około ośmiu milionów kobiet w samych Stanach Zjednoczonych. Chociaż model OVX jest przydatny w przypadku osteoporozy pomenopauzalnej, oferuje ograniczone korzyści w badaniu osteoporozy w ogóle. Estrogen hamuje utratę masy kostnej, indukując osteoklasty i hamując apoptozę osteoblastów, dlatego przy jego braku obserwuje się zwiększoną aktywność osteoklastów10-12. Obserwuje się również nierównowagę proporcji RANKL-OPG, która sprzyja resorpcji kości13. Jednak niedoborowi estrogenów in vivo towarzyszy również obniżony poziom transformującego czynnika wzrostu β (TGF β), zwiększony poziom interleukiny-7 (IL-7) oraz TNF, IL-1 i IL-614,15. Ponieważ cytokiny te mają znane funkcje modulacyjne przebudowy kości niezależne od szlaku RANKL, niemożliwe jest przypisanie jakiejkolwiek aktywacji osteoklastów wyłącznie osi RANKL-RANK. Model opisany w tej pracy umożliwia naukowcom badanie in vivo osi RANKL-RANK w osteoklastogenezie i utracie masy kostnej bez cytokin prozapalnych w porównaniu z modelami gryzoni OVX.
Dodatkowo, techniki osteoklastogenezy in vitro są niezbędnymi narzędziami do badania aktywacji osteoklastów dla potencjalnych terapii chorób układu mięśniowo-szkieletowego. Wcześniejsze badania wykazały również, że hodowla makrofagów pochodzących ze szpiku kostnego myszy (BMM) z mysim czynnikiem stymulującym tworzenie kolonii makrofagów (M-CSF) i mysim sRANKL może prowadzić do różnicowania osteoklastów3,16,17. W tym miejscu opisano protokoły generowania wielojądrowych komórek podobnych do osteoklastów ze szpiku kostnego myszy, a także z ludzkich komórek jednojądrzastych krwi obwodowej (PBMC) in vitro18. Pokrótce opisano również testy komórkowe wymagane do zdefiniowania dojrzałego, terminalnie zróżnicowanego i w pełni funkcjonalnego osteoklastu. Te techniki in vitro uzupełniają nowatorskie podejście in vivo i razem służą jako potężne narzędzia badawcze do badania różnicowania i aktywacji osteoklastów. Korzystając z tych systemów, naukowcy są w stanie generować osteoklasty in vivo i in vitro oraz definiować bodźce i sygnały niezbędne do ich proliferacji i aktywacji, a także testować skuteczność inhibitorów farmakologicznych i biologicznych.