歯周炎における骨芽細胞-マクロファージ・クロスストークの細胞特異的効果を解読する

Deciphering Cell-specific Effect of Osteoblast-Macrophage Crosstalk in Periodontitis.

抄録

歯周炎では、細菌が誘導する炎症性マクロファージ細胞と、感染した骨組織内に存在する骨芽細胞との相互作用が広く関与することにより、骨のリモデリングプロセスが阻害される。骨形成から破骨細胞形成へとバランスを変える主役を理解するためには、細胞間の複雑な相互作用を解読する必要がある。しかし、バイオミメティックな三次元（3D）組織様マトリックスを用いて、骨芽細胞とマクロファージ間のクロストーク相互作用を調べた研究はわずかである。本研究では、細胞を含む3次元組織類似体を作成し、これら2種類の細胞間の間接的クロストークと、3次元足場上で一緒に培養した場合の直接的相乗効果を研究した。破骨細胞の分化における細胞特異的な役割を、骨芽細胞および炎症性マクロファージ特異的フィードバック研究によって調べた。その結果、マクロファージが骨芽細胞由来のコンディショニング培地にさらされると、M1マクロファージは炎症性表現型を維持する傾向があることが示唆された。さらに、骨芽細胞が炎症性マクロファージからの分泌物に曝されると、骨形成培地のみに曝された骨芽細胞と比較して、Receptor activator of NF-kBリガンド（RANKL）発現の上昇とALP活性の低下を示した。さらに、3Dマトリックス内の炎症性マクロファージにおけるTNF-αとc-Fosのアップレギュレーションは、間接的に骨芽細胞のRANKL発現を増加させ、ALP活性を低下させ、破骨細胞形成を促進した。3Dマトリックス内で骨芽細胞と炎症性マクロファージを接触共培養すると、炎症性マーカー（TNFαとIL1β）の発現が上昇することが示された。一方、抗炎症マーカー（CCL18）の発現は低下し、破骨マーカー（TRAP6およびACP5）の発現は変化しなかった。このデータは、骨芽細胞がマクロファージの破骨細胞分化を抑制する一方で、マクロファージは依然として炎症性分化を維持していることを示唆した。D共培養内の骨芽細胞は、マクロファージを含まない3Dコラーゲンマトリックス内で培養した骨芽細胞と比較して、ALP活性の上昇を示し、RANKLを有意に発現しなかった。接触共培養は、細菌由来の炎症環境において骨組織に同化作用をもたらす。

In periodontitis, the bone remodeling process is disrupted by the prevalent involvement of bacteria-induced pro-inflammatory macrophage cells and their interaction between osteoblast cells residing within the infected bone tissue. The complex interaction between the cells needs to be deciphered to understand the dominant player in tipping the balance from osteogenesis to osteoclastogenesis. Yet, only a few studies have looked at the crosstalk interaction between osteoblasts and macrophages using biomimetic three-dimensional (3D) tissue-like matrices. In this study, we created a cell-laden 3D tissue analog to study indirect crosstalk between these two cell types and the direct synergistic effect when they were cultured together on a 3D scaffold. The cell-specific role on osteoclast differentiation was investigated through osteoblast- and pro-inflammatory macrophage-specific feedback studies. The results suggested that when macrophages were exposed to osteoblasts-derived conditioned media from the mineralized matrix, the M1 macrophages tended to maintain their pro-inflammatory phenotype. Further, when osteoblasts were exposed to secretions from pro-inflammatory macrophages, they demonstrated elevated Receptor activator of NF-kB ligand (RANKL) expression and decreased ALP activities compared to osteoblasts exposed to only osteogenic media. In addition, the upregulation of TNF-α and c-Fos in pro-inflammatory macrophages within the 3D matrix indirectly increased the RANKL expression and reduced the ALP activity of osteoblasts, which in turn promoted osteoclastogenesis. The contact co-culturing with osteoblast and pro-inflammatory macrophages within 3D matrix demonstrated that the pro-inflammatory markers (TNFα and IL1β) expressions were upregulated. In contrast, anti-inflammatory marker (CCL18) were downregulated and osteoclastic markers (TRAP 6 and ACP5) were unchanged. The data suggested that the osteoblasts curbed the osteoclastic differentiation of macrophages while macrophages still preserve their pro-inflammatory lineages. The osteoblast within the 3D co-culture demonstrated increased ALP activity and did not express RANKL significantly different than the osteoblast cultured within a 3D collagen matrix without macrophages. Contact co-culturing has an anabolic effect on bone tissue in a bacteria-derived inflammatory environment.