連続的な圧縮力は高レベルの無機物溶解を伴う破骨細胞の分化を誘導する

Continuous Compressive Force Induces Differentiation of Osteoclasts with High Levels of Inorganic Dissolution.

抄録

背景 破骨細胞前駆細胞は骨組織上で成熟破骨細胞へと構成的に分化する。我々は以前、RAW264.7前駆細胞に圧縮力を与え続けると、RANK-RANKリガンドシグナルを介して多核巨細胞の形成が誘導されることを報告した。ここでは、連続的な圧縮力によって誘導される多核破骨細胞の骨吸収機能について検討した。MATERIAL AND METHODS 細胞は、RANKL存在下、培養液量を増加させることにより生じる0.3、0.6、1.1g/cm²の圧縮力で連続的に刺激された。破骨細胞性骨吸収関連酵素をコードする遺伝子のmRNA発現を定量的リアルタイム逆転写ポリメラーゼ連鎖反応により調べた。ミネラル吸収はリン酸カルシウムでコートしたプレートを用いて評価した。その結果、アクチン環を有する多核破骨細胞様細胞が3種類の圧縮力すべてにおいて観察され、アクチン環の面積は加えられた力の関数として増加した。炭酸脱水酵素IIの発現およびリン酸カルシウムプレートからのカルシウム溶出は、0.3 g/cm²よりも0.6 g/cm²および1.1 g/cm²の力で刺激した後の方が顕著に高かった。マトリックスメタロプロテアーゼ-9の発現は減少し、カテプシンKの発現は圧縮力の連続的な負荷によりわずかに増加した。結論 我々の研究は、RAW264.7細胞を連続的な圧縮力で刺激することにより誘導された破骨細胞様多核細胞が、炭酸脱水酵素IIの発現とアクチン環形成をアップレギュレートすることにより、骨の無機相の高い溶解性を示すことを示した。これらの知見は、骨リモデリングにおける機械的負荷の役割についての理解を深めるものである。

BACKGROUND Osteoclast precursor cells are constitutively differentiated into mature osteoclasts on bone tissues. We previously reported that the continuous stimulation of RAW264.7 precursor cells with compressive force induces the formation of multinucleated giant cells via receptor activator of nuclear factor kappaB (RANK)-RANK ligand (RANKL) signaling. Here, we examined the bone resorptive function of multinucleated osteoclasts induced by continuous compressive force. MATERIAL AND METHODS Cells were continuously stimulated with 0.3, 0.6, and 1.1 g/cm² compressive force created by increasing the amount of the culture solution in the presence of RANKL. Actin ring organization was evaluated by fluorescence microscopy. mRNA expression of genes encoding osteoclastic bone resorption-related enzymes was examined by quantitative real-time reverse transcription-polymerase chain reaction. Mineral resorption was evaluated using calcium phosphate-coated plates. RESULTS Multinucleated osteoclast-like cells with actin rings were observed for all three magnitudes of compressive force, and the area of actin rings increased as a function of the applied force. Carbonic anhydrase II expression as well as calcium elution from the calcium phosphate plate was markedly higher after stimulation with 0.6 and 1.1 g/cm² force than 0.3 g/cm². Matrix metalloproteinase-9 expression decreased and cathepsin K expression increased slightly by the continuous application of compressive force. CONCLUSIONS Our study demonstrated that multinucleated osteoclast-like cells induced by the stimulation of RAW264.7 cells with continuous compressive force exhibit high dissolution of the inorganic phase of bone by upregulating carbonic anhydrase II expression and actin ring formation. These findings improve our understanding of the role of mechanical load in bone remodeling.