$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
O osso é um tecido dinâmico que sofre remodelação contínua, envolvendo osteoclastos reabsorventes ósseos e osteoblastos formadores de osso. É importante ressaltar que esses processos são acoplados a outras células que residem no espaço da medula, como células hematopoiéticas e adipócitos da medula óssea. Uma desconexão na renovação óssea resulta em fragilidade esquelética e subsequente aumento das fraturas1. Estudos recentes têm demonstrado a importância dos substratos metabólicos e do metabolismo energético para regular tanto a formação óssea quanto a reabsorção óssea 2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15, 16,17. O direcionamento das vias metabólicas é usado para tratar vários tipos de câncer e pode ser uma ferramenta provocativa que pode ser aplicada para combater várias condições que levam ao aumento da incidência de fraturas18. Devido a isso, é importante ter uma compreensão completa do metabolismo celular em todas as células ósseas. Infelizmente, estudar as células ósseas em seu ambiente nativo é um desafio devido à sua localização no tecido mineralizado. Em comparação com os tecidos não mineralizados, as etapas necessárias para processar o osso dificultam os estudos moleculares e mecanísticos de seu estado metabólico. Como tal, esta coleção visa destacar técnicas estabelecidas usadas para monitorar vias metabólicas em células isoladas de seu nicho esquelético.
"Osteoenergética" descreve os processos metabólicos e o potencial bioenergético dos osteoblastos e continua sendo uma área ativa de interesse e investigação científica. Precedendo a capacidade das células de produzir e utilizar ATP, no entanto, substratos energéticos devem primeiro ser adquiridos. Três artigos desta coleção destacam métodos usados para monitorar destinos específicos de substrato dentro das células ósseas. Primeiro, Shen e Karner19 descrevem técnicas para avaliar o consumo de aminoácidos em células cultivadas in vitro ou ossos isolados ex vivo. No sistema in vitro, as células ST2 cultivadas são incubadas com L-[3,4-3 H]-glutamina por um tempo predeterminado, e a captação de glutamina é quantificada usando um contador de cintilação. Da mesma forma, no sistema ex vivo, os ossos colhidos de camundongos neonatais são incubados com aminoácidos marcados com rádio, e a absorção de aminoácidos é estimada usando um contador de cintilação. Esses métodos permitem uma avaliação rápida e sensível da absorção de aminoácidos em células ósseas ou em ossos isolados. É importante ressaltar que esses métodos são facilmente modificáveis para avaliar diferentes aminoácidos ou outros substratos energéticos e testar várias questões científicas.
Além dos aminoácidos, a glicose e os ácidos graxos de cadeia longa (AGCL) representam um suprimento denso de energia celular ou ATP. Nessa capacidade, os LCFA entram nas mitocôndrias via carnitina palmitoil transferase (CPTI / II), onde são prontamente oxidados por β-oxidação e, posteriormente, podem entrar no ácido tricarboxílico (TCA) ou no ciclo de fosforilação oxidativa para produzir ATP. Essa série de reações químicas resulta na liberação de carbono como dióxido de carbono gasoso (CO2), o que é difícil de quantificar. Song et al. e Kim et al. descrevem habilmente dois métodos relacionados para medir os metabólitos gerados no processo de oxidação20,21. Ambas as técnicas usam um substrato de carbono marcado com 14C e papel de filtro como uma ferramenta de "aprisionamento" para quantificar o 14CO2 liberado. No entanto, cada método é igualmente importante, pois descreve vasos de cultura exclusivos e técnicas de normalização de dados. Além disso, Song et al.20 descrevem como calcular a oxidação do substrato, enquanto Kim et al.21 incluem um método adicional para medir metabólitos solúveis em ácido.
Esses estudos de rastreamento permitem ao investigador determinar o destino metabólico de vários substratos. Como complemento, Jayapalan et al.22 usam análises de fluxo metabólico para monitorar processos metabólicos, incluindo glicólise e fosforilação oxidativa via respiração mitocondrial. Este equipamento mede fundamentalmente o oxigênio e o pH em culturas de células vivas em tempo real. Portanto, ao cultivar células estromais primárias da medula óssea (BMSCs) por meio da diferenciação de osteoblastos, uma variedade de experimentos pode ser conduzida enquanto monitora as vias metabólicas23. Essa técnica pode ser realizada com quatro injeções diferentes, o que permite aos pesquisadores adaptar os experimentos a questões científicas específicas, ao mesmo tempo em que podem seguir protocolos padronizados, incluindo taxa de ATP, utilização de combustível/substrato, respiração mitocondrial e ensaios de taxa glicolítica. Finalmente, como muitos desses experimentos são de natureza mecanicista, é imperativo manter uma população de células homogênea sem contaminação por outros tipos de células. Os sistemas de cultura de células in vitro usados para monitorar os processos metabólicos das células ósseas têm muitas limitações inerentes. Guo e Wu24 oferecem uma excelente visão geral das limitações introduzidas durante as culturas BMSC padrão e contribuem com um método detalhado para enriquecer as populações de células estromais e minimizar a contaminação hematopoiética usando hipóxia.
Em resumo, esta coleção demonstra técnicas para monitorar a utilização do substrato e a capacidade bioenergética em uma variedade de modelos esqueléticos, tanto in vitro quanto ex vivo. A maioria desses métodos é realizada usando sistemas de cultura celular e, portanto, apresenta limitações devido ao ambiente artificial. Embora seja verdade que as células primárias permitem um sistema mais fisiológico, essas células são frequentemente cultivadas em alto oxigênio em meios contendo concentrações excessivas de substratos metabólicos e, às vezes, até mesmo com populações de células contaminantes. Portanto, é fundamental que esses experimentos mecanicistas sejam apoiados com dados in vivo adicionais. No entanto, esta empolgante área de pesquisa já se mostrou benéfica. Nesse sentido, continuar a caracterizar processos metabólicos "normais" versus patológicos é um nicho científico promissor. Além disso, estudar osteoenergética e metabolismo para entender como, por que e quando as células ósseas utilizam vários substratos e as implicações que eles têm na saúde óssea geral abre uma ampla área para alvos terapêuticos. Para este fim, descobriu-se que os bifosfonatos antirreabsortivos de primeira geração (ou seja, etidronato e clodronato) usados para tratar a osteoporose afetam a energia dos osteoclastos. Esses medicamentos amplamente prescritos representam um exemplo perfeito de como as vias metabólicas podem ser exploradas para afetar a saúde óssea geral e melhorar a qualidade de vida do paciente. Além dos tratamentos antirreabsortivos, existem duas terapias anabolizantes aprovadas pela FDA, Teriparatida e Romosozumabe, que ativam as vias PTH e WNT, respectivamente. Tanto o PTH quanto o WNT estimulam a captação e o metabolismo da glutamina nos osteoblastos 6,11,25,26. Destacando as implicações terapêuticas disso, a inibição da atividade do metabolismo da glutamina farmacológica ou geneticamente reduz a formação óssea em resposta a tratamentos WNT ou PTH anabólico 6,11. Portanto, a investigação contínua é necessária para estudar o metabolismo e a bioenergética nas células ósseas. As técnicas descritas nesta coleção fornecem uma base para abordar várias questões científicas relacionadas à osteoenergética e ao metabolismo nas células ósseas.