Abstract

Osteoclasts are multinuclear bone degrading cells differentiated from monocytes which can be isolated from bone marrow and peripheral blood. Complex signaling between osteoclast precursors and other bone cells, such as mesenchymal stromal cells (MSC) occurs during the differentiation. Gap junctional communication (GJC) is one of the mechanisms in the cell fusion. GJC can be modulated with several substances such as the specific GJC stimulators, antiarrhythmic peptides (AAP). Due to their promising clinical value in the treatment of cardiac disorders, the effects of AAPs in cardiac tissue are studied extensively. This study was conducted in order to investigate the roles of GJC and AAPs in bone cell cultures. Further, the contribution of the MSCs on the effects of AAPs was studied along with comparison of two types of osteoclastogenesis cultures with differing quantities of MSCs.

GJC in osteoclastogenesis was studied with both GJC inhibitors and stimulators in mouse monocyte line RAW 264.7 cells and primary cultures with bone marrow hematopoietic cells. The following studies were made with human monocytes from peripheral blood and bone marrow where the effects of AAP10 were investigated in normal and acidic environments. In addition, comparison of osteoclastogenesis from bone marrow and peripheral blood monocytes was carried out in in vitro cell cultures on bovine or human bone slices. The cells were analyzed with regard to multinuclearity, bone resorption and the expression of several osteoclast markers.

The results show that GJC is utilized in osteoclastogenesis, but it is not indispensable. GJC in monocytes can be stimulated with the AAPs during osteoclastogenesis, but the effects depend on the culture conditions as well as on the presence of MSCs in the culture. The AAPs can also activate the MSCs leading to indirect regulation of osteoclastogenesis, as the MSCs produce several molecules affecting the differentiation. Further, monocytes from peripheral blood showed increased potential for osteoclastogenic differentiation compared to bone marrow derived monocytes. This can be explained by the presence of the osteoclastogenesis-controlling MSCs in the bone marrow culture, while the peripheral blood cultures contain only few of these cells and thus lack their regulatory effects.

Tiivistelmä

Osteoklastit ovat monitumaisia luuta hajottavia soluja, jotka ovat erilaistuneet monosyyteistä. Monosyyttejä voidaan eristää luuytimestä tai perifeerisestä verestä. Erilaistumisen aikana osteoklastien esiastesolujen sekä muiden luusolujen, kuten mesenkymaalisten stroomasolujen (MSC) välillä tapahtuu monimutkaista signalointia. Aukkoliitoskommunikointi (GJC) on eräs solufuusiossa tapahtuvista mekanismeista. GJC:tä voidaan muunnella useilla aineilla, esimerkiksi spesifisillä stimulaattoreilla, antiarytmisillä peptideillä (AAP). AAP-yhdisteiden vaikutuksia on tutkittu laajalti sydänkudoksessa johtuen niiden lupaavista kliinisistä ominaisuuksista sydänperäisten oireiden hoidossa. Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää GJC:n ja AAP-yhdisteiden roolia luusoluviljelmissä. Lisäksi tutkittiin MSC-solujen osallistumista AAP-yhdisteiden vaikutuksiin sekä vertailtiin kahta erilaista osteoklastogeneesiviljelmää, joissa oli eri määrä MSC-soluja.

GJC:tä osteoklastogeneesissä tutkittiin sekä sitä estävillä että stimuloivilla yhdisteillä hiiren monosyyttilinjan RAW 264.7 -soluissa sekä luuytimen hematopoieettisten solujen primääriviljelmissä. Seuraavat tutkimukset tehtiin ihmisen luuytimen ja perifeerisen veren monosyyteillä, ja niissä selvitettiin AAP10-yhdisteen vaikutuksia fysiologisissa sekä happamissa olosuhteissa. Lisäksi vertailtiin luuytimen ja perifeerisen veren monosyyttien osteoklastogeneesiä. In vitro -soluviljelmät tehtiin naudan tai ihmisen luulastujen päällä, ja soluista analysoitiin monitumaisuus, luun resorptio sekä useiden osteoklastimarkkereiden ilmentyminen.

Tulokset osoittavat, että GJC:tä hyödynnetään osteoklastogeneesissä, mutta se ei ole korvaamaton mekanismi. GJC:tä voidaan stimuloida AAP-yhdisteillä osteoklastogeneesin aikana, mutta vaikutukset riippuvat viljelyolosuhteista sekä MSC-solujen läsnäolosta. AAP-yhdisteet voivat aktivoida myös MSC-soluja johtaen osteoklastogeneesin epäsuoraan säätelyyn, kun MSC-solut tuottavat useita erilaistumiseen vaikuttavia molekyylejä. Lisäksi perifeerisen veren monosyyteillä havaittiin korkeampi osteoklastogeeninen erilaistumispotentiaali verrattuna luuytimen monosyytteihin. Tulokset voidaan selittää osteoklastogeneesiä säätelevien MSC-solujen läsnäololla luuydinviljelmissä, kun taas perifeerisen veren monosyyttiviljelmissä näitä soluja on vain vähän, jolloin myös niiden säätelyominaisuudet puuttuvat.