파골세포는 신체의 주요 뼈 흡수 세포입니다. 이 프로토콜은 인간 말초 혈액 단핵구로부터 파골세포의 시험관내 분화를 위한 신뢰할 수 있는 방법을 설명합니다. 이 방법은 항상성 및 질병에서 파골세포 생물학을 더 깊이 이해하는 데 중요한 도구로 사용될 수 있습니다.
파골세포(OC)는 골격 발달과 성인 뼈 리모델링에 중추적인 역할을 하는 뼈 흡수 세포입니다. 여러 뼈 질환은 OC의 분화 및 활성화 증가로 인해 발생하므로 이 병리학의 억제가 핵심 치료 원리입니다. 골수 전구체에서 OC의 분화를 유도하는 두 가지 핵심 요인은 대식세포 집락 자극 인자(M-CSF)와 핵 인자 카파-B 리간드의 수용체 활성화제(RANKL)입니다. 인간 순환 CD14+ 단핵구는 시험관 내에서 OC로 분화하는 것으로 오랫동안 알려져 왔습니다. 그러나 노출 시간과 RANKL의 농도는 분화 효율에 영향을 미칩니다. 실제로, 시험관 내에서 인간 OC를 생성하기 위한 프로토콜이 설명되었지만 종종 열악하고 긴 분화 과정을 초래합니다. 여기서, 기능적으로 활성인 성숙한 인간 OC를 적시에 생성하기 위한 견고하고 표준화된 프로토콜이 제공된다. CD14+ 단핵구는 인간 말초 혈액 단핵 세포(PBMC)에서 농축되고 M-CSF로 프라이밍되어 RANK를 상향 조절합니다. RANKL에 대한 후속 노출은 용량 및 시간 의존적 방식으로 OC를 생성합니다. OC는 타르타르산염 내산성 포스파타제(TRAP) 및 광학 현미경 분석으로 염색하여 식별 및 정량화합니다. 핵 및 F-액틴의 면역형광 염색은 기능적으로 활성인 OC를 식별하는 데 사용됩니다. 또한 OSCAR+CD14– 성숙 OC는 유세포 분석 세포 분류 및 광물(또는 상아질/뼈) 흡수 분석 및 액틴 고리 형성으로 정량화된 OC 기능을 통해 더욱 풍부해집니다. 마지막으로, 알려진 OC 억제제인 로테논이 성숙한 OC에 사용되어 아데노신 삼인산(ATP) 생성이 액틴 고리 무결성 및 OC 기능에 필수적임을 보여줍니다. 결론적으로, 많은 수의 OC를 감별하기 위한 강력한 분석법이 이 연구에서 확립되었으며, 이는 액틴 고리 염색 및 ATP 분석과 함께 OC 기능을 평가하고 분화 과정을 조절할 수 있는 새로운 치료 화합물을 스크리닝하는 데 유용한 시험관 내 모델을 제공합니다.
파골세포(OC)는 뼈를 재흡수하는 독특한 능력을 가진 조혈 계통의 다핵 거대 세포입니다. 그들은 골격 1,2의 개발과 지속적인 리모델링을 담당합니다. 발달의 골격 단계에서 OC와 조직에 상주하는 대식세포는 적혈구-골수 전구체에서 파생되며 뼈 틈새와 장기 조직을 식민지화합니다. 생리학적 조건에서 정상적인 뼈 발달과 치아 맹출을 위해서는 적혈구-골수 전구체가 필요하며, 순환하는 혈액 단핵구가 뼈 틈새로 유입되면 OC, 골량 및 골수강이 출생 후 유지된다3. 병리학 적 조건 하에서, 단핵구는 활동성 염증 부위로 모집되어 병리학 적 뼈 파괴에 기여할 수 있습니다 4,5.
여러 형태의 관절염 환자는 관절 염증을 경험하여 OC로 인한 점진적인 관절 파괴를 유발합니다6. 예를 들어, 류마티스 관절염(RA)에서 과활성화된 OC는 병적인 뼈 침식과 관절 파괴의 원인이 되며7,8, 현재의 치료법은 종종 뼈 손상을 개선하거나 중지시키지 않습니다9,10,11. 집단 분포와 전사체 및 후성유전학적 시그니처 측면에서 순환 단핵구의 변화가 RA 환자에서 보고되었습니다12,13,14. 더욱이, 염증 자극에 대한 변경된 단핵구 반응이 활동성 질환을 갖는 RA 환자에서 파골세포 형성에 영향을 미친다고 보고되었다15,16,17.
OC의 분화는 골수 전구체 세포가 OC 전구체로 분화하는 것을 포함하는 복잡한 다단계 과정입니다. 파골세포 형성 동안 OC는 세포-세포 융합, 불완전한 사이토키네시스, 핵분열 및 융합으로 설명되는 핵 재활용 과정을 통해 거대해지고 다핵화됩니다18,19,20. 시험관 내에서 OC를 구별하는 능력은 뼈 생물학에 대한 이해에 상당한 발전을 가져왔다21. OC는 대식세포 집락 자극 인자(M-CSF) 및 핵 인자 카파-B 리간드의 수용체 활성화제(RANKL)에 노출되면 전구체와 구별됩니다. 후자는 염증 상태 하에서도 시험관 내 및 생체 내에서 OC의 정상적인 발달 및 기능에 필수적입니다 6,22,23. RANKL은 조골세포 및 골세포뿐만 아니라 염증이 있는 RA 활막 2,24,25에서 활성화된 T 세포 및 섬유아세포에 의해 제시된다. OC 분화 과정에서 M-CSF에 노출된 단핵구는 세포막에서 핵 인자 카파-B(RANK) 발현의 수용체 활성화제를 상향 조절하고, RANKL에 의한 후속 자극 하에서 타르타르산염 내성 산 포스파타제(TRAP) 양성 단핵 pre-OC로 분화한 다음 다핵 OC15,26. OC는 여러 효소를 생성하며, 그 중 가장 중요한 것은 TRAP으로, 뼈27 내에서 인단백질을 분해할 수 있습니다. OC 분화의 조절자 및 마커는 OC 관련 수용체(OSCAR)입니다. OC 계통에 전념하는 전구체 세포 초기에 상향 조절됩니다28. 성숙한 거대 다핵 OC는 주름진 경계21,29,30을 둘러싸는 액틴 고리로 만들어진 큰 밀봉 영역을 생성함으로써 골격 매트릭스를 분해(재흡수)할 수 있습니다. OC의 골 흡수 능력은 세포 골격 재구성과 그에 따른 분극 및 소위 주름진 경계인 나선형 막의 형성을 필요로 합니다. 주름진 테두리는 액틴 링 또는 밀봉 영역인 F-액틴이 풍부한 구조의 큰 원형 밴드로 둘러싸여 있습니다. 액틴 고리 무결성은 OC가 시험관 내 및 생체 내에서 뼈를 재흡수하는 데 필수적이며, 결함이 있는 주름진 경계 형성은 하부 액포 아데노신 트리포스파타제(V-ATPase) 발현과 관련이 있습니다31,32,33. 또한, OC는 미토콘드리아가 풍부한 세포이며, 아데노신 삼인산(ATP)은 주름진 경계31,32,33에 국한된 OC에서 미토콘드리아 유사 구조와 결합합니다. 로테논은 미토콘드리아 복합체 I의 강력한 억제제로 작용하여 ATP 생산에 영향을 미칩니다. 로테논은 또한 OC 분화와 기능을 억제하는 것으로 나타났다34.
이 프로토콜은 인간 말초 혈액 샘플에서 시험관내 파골세포 형성의 효율적이고 최적화된 방법을 설명합니다. 인간 말초 혈액에서 CD14+ 단핵구는 OC15,35,36의 주요 공급원입니다. 이 프로토콜에서 노출 동역학과 M-CSF 및 RANKL의 농도는 최적의 파골세포 형성을 위해 조정되었습니다. 단핵 세포는 먼저 밀도 구배에 의해 전혈에 존재하는 적혈구 및 과립구로부터 분리됩니다. 그런 다음 자성 비드에 의한 양성 선택을 사용하여 CD14+ 단핵구에 대해 농축됩니다. 그런 다음 분리된 CD14+ 단핵구를 M-CSF와 함께 밤새 배양합니다. 이것은 단핵구가 RANK15,26의 발현을 상향 조절하도록 프라이밍합니다. RANKL의 후속 추가는 시간 의존적 방식으로 파골세포 형성 및 다핵 형성을 유도합니다. 활성 흡수 OC는 세포막30,32의 가장자리에서 F-액틴 고리의 특징적인 분포와 TRAP에 대한 염색을 보여줍니다. 성숙한 OC는 TRAP+ 다핵(3개 이상의 핵) 세포를 정량화하여 분석합니다. 성숙한 OC의 기능적 능력은 흡수, 액틴 고리 무결성 및 ATP 생성으로 평가할 수 있습니다. 또한, 차별화된 CD14- OSCAR+ OC를 농축하여 미네랄(또는 상아질) 흡수 및 F–액틴 조직을 통해 OC 기능에 대한 특정 화합물의 효과를 평가하는 데 사용할 수 있습니다. 또한, 이 연구에서, 알려진 OC 억제제인 로테논은 OC의 기능에 영향을 미치는 화합물의 예시로서 사용된다. 로테논 하에서 감소된 OC 흡수 활성은 감소된 ATP 생산 및 액틴 고리 단편화와 관련이 있습니다. 결론적으로, 이 프로토콜은 시험관 내에서 OC 분화 및 기능의 여러 생물학적 측면을 연구하기 위한 참조 방법으로 사용할 수 있는 강력한 분석을 설정합니다.
이 방법론은 (1) 건강 및 질병에서 OC로 분화할 수 있는 순환 단핵구의 가능성과 (2) OC 분화 및 기능에 대한 치료 후보의 영향을 평가하는 데 사용할 수 있습니다. 이 강력한 파골세포 형성 프로토콜을 사용하면 전구체 세포로부터의 OC 분화와 성숙한 OC의 기능 모두에 대한 뼈 표적 치료의 효능과 메커니즘을 결정할 수 있습니다.
시험관 내에서 많은 수의 기능적 OC를 쉽게 배양하고 분리하는 것은 뼈 생물학 및 OC 매개 질환에 대한 이해를 높이는 데 중요합니다. 고전적으로, OC는 조골세포 또는 기질 세포 및 비장 또는 골수로부터의 조혈 세포와의 공동 배양에서 생성되었다38,39. 파골세포 형성에 대한 이해에서 중요한 돌파구는 RANKL이 OC 형성, 분화 및 생존의 주요 조절자임을 확인한 것입니다40. RANKL 의존성 배양 시스템의 초기 프로토콜은 OC 생성 21,41,42를 위해 PBMC를 활용했습니다. 그러나 이러한 혼합 배양은 길고 OC 분화 및 기능에 대한 직접적인 효과를 테스트하는 능력을 제한하는 많은 교란 요인을 나타냅니다. 이 프로토콜은 7일 이내에 최적의 파골세포 형성을 얻을 수 있는 인간 말초 CD14+ 단핵구로부터의 파골세포 형성의 효율적이고 신뢰할 수 있는 시험관 내 모델을 설명하며(그림 1 및 그림 2), 이는 일부 다른 프로토콜과 비교할 때 상당히 빠릅니다43,44,45,46. 이 프로토콜의 주요 특징은 (1) 정제된 CD14+ 단핵구의 사용, (2) RANKL에 노출되기 전에 M-CSF로 단핵구의 프라이밍, (3) 배양 기간(<7일), (4) 억제제를 사용한 OC 형성 억제(TRAP 염색) 및 기능(재흡수, ATP 생산, 액틴 고리 재구성)의 신뢰할 수 있는 검출입니다.
방법론을 최적화하는 동안 몇 가지 중요한 점이 확인되었습니다. OC의 시험관 내 분화는 CD14+ 단핵구의 파종 밀도에 크게 의존하는 것으로 관찰되었습니다. 따라서 이 프로토콜에서 세포는 고밀도(96웰 플레이트의 1 x 105 세포/웰, 배지 100μL)로 파종되며, 이는 세포가 서로 상호 작용할 수 있고 융합에 근접하여 성숙한 OC가 되는 것이 필수적이기 때문입니다. 유사하게, 너무 높은 밀도의 파종 세포는 배지 제한과 필요한 공간 부족으로 인해 분화 및 성장을 제한합니다. 또한, 이 프로토콜로 최대한의 성공을 거두려면 밀도 구배 분리를 신중하게 수행하고 CD14+ 세포의 농축된 집단이 가능한 한 순수한지 확인하는 것이 중요합니다. 예를 들어, 부적절한 세척 단계는 혈소판 제거의 부족을 초래하며, 이는 결과적으로 OC 분화를 억제한다47,48. 유사하게, M-CSF 단독으로 자극된 분리된 CD14+ 제제에서 경미한 T 세포 오염의 존재는 잠재적으로 T 세포에 의한 RANKL 분비를 통해 OC 분화를 초래할 수 있다49. 따라서 모든 실험에 M-CSF 대조군을 포함하는 것이 중요합니다. 특히 새로운 분리 키트를 사용할 때 샘플의 순도를 보장하기 위해 일상적인 순도 검사도 권장됩니다.
최적의 OC 수(범위: ~200-1,600 OC/웰)는 뉴클레오사이드와 L-글루타민이 풍부한 α-MEM 배지를 사용하여 달성됩니다. Dulbecco’s modified eagle medium(DMEM) 및 Roswell Park Memorial Institute(RPMI) 1640 배지를 포함한 다른 기존 배양 배지는 OC 수율에 영향을 미칩니다. FBS의 근원은 또한 파골세포 형성에 영향을 미칠 수 있습니다. FBS의 다른 배치는 RANK-L 유래 파골세포 형성을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 M-CSF 대조군에서 적은 수의 TRAP+ 다핵 세포의 출현을 유발할 수 있습니다(보충 그림 3). 따라서 일관된 결과를 얻으려면 사용하기 전에 새로운 FBS 배치를 테스트하고 실험 전반에 걸쳐 동일한 배치를 계속 사용하여 분화 과정의 변화를 최소화하는 것이 좋습니다. 또한, 종료 시점에서 얻은 차별화된 OC의 총 수 측면에서 기증자 대 기증자 가변성은 예를 들어 건강한 기증자와 환자를 비교하기 위해 이 프로토콜을 사용할 때 제한을 구성합니다. 이러한 경우 정확히 동일한 조건과 동일한 로트의 배지, FBS 및 기타 시약을 사용하는 것이 필수적입니다.
최적의 OC 분화 및 성숙을 위한 또 다른 필요한 단계는 RANKL 첨가 전에 M-CSF로 단핵구를 프라이밍하는 것입니다. RANKL 전에 M-CSF 18-24h에 세포를 노출시키면 단핵구가 RANK 발현15,26을 상향 조절하도록 프라이밍됩니다. 이 시점에서 RANKL을 추가하면 용량 의존적 방식으로 최적의 OC 분화가 보장됩니다. OC 분화의 정도는 기증자마다 다릅니다. 그러나 25ng/mL RANKL은 일반적으로 대부분의 기증자에서 많은 수의 OC를 구별하기에 충분합니다. 또한 25ng/mL RANKL은 테스트 화합물의 강화 및 억제 효과의 평가를 용이하게 하기 때문에 화합물의 초기 스크리닝을 위한 분석에 사용할 수 있습니다. 다른 배양 시스템은 RANKL 첨가 전에 더 긴 M-CSF 사전 배양 시간을 사용했지만, 이는 파골세포 형성을 위한 더 긴 배양 시간을 초래한다50. 또한, 프라이밍 된 단핵구를 밤새 배양하도록 두면 완전히 부착 된 상태는 아니지만 플레이트에 부착 할 수 있습니다. 따라서 RANKL을 처음 도입할 때 프라이밍된 단핵구의 박리 및 손실을 방지하기 위해 배지를 완전히 교체하기보다는 매우 조심스럽게 반쯤 교체해야 합니다. 또한 배지 고갈을 방지하고 세포 사멸을 방지하기 위해 배지를 3-4일마다 새로 고쳐야 합니다. 또한, 이 분석에 사용되는 부피가 적기 때문에(96웰 플레이트에서 100μL/웰), 분석 웰 주위에 수용액(즉, 멸균 증류된 H2O또는 PBS)으로 채워진 빈 웰 프레임을 갖는 것이 가장 중요합니다. 이렇게 하면 매체 증발 및 가장자리 효과를 방지할 수 있습니다.
마지막으로, 대사 분석(예: ATP 분석)의 경우, 세포가 복제 간의 큰 표준 편차를 피할 수 있어야 합니다(그림 5). 세포의 높은 생존율은 세포를 분류하고 분류된 OC의 추가 배양에도 중요합니다(그림 4). 그러나 이 방법에는 몇 가지 제한 사항이 있습니다. 완전히 성숙한 OC는 접착력이 매우 뛰어나 플레이트에서 분리하기 어렵습니다. 더 큰 OC는 분리가 불가능한 경우가 많으며, 이로 인해 세포 수율이 낮아질 수 있습니다. 따라서 셀은 분류 후 필요한 농도로 도금하기 전에 계수해야 합니다. 또한, 본 프로토콜에서는 OC를 분리하는 비효소적 방법(accutase)을 사용하여 유세포 분석을 위한 다운스트림 표면 염색에서 막 변경을 방지합니다. 세포 스크레이퍼 (소프트 엔드 또는 하드 엔딩 모두)의 사용도 테스트되었으며 높은 세포 사멸을 초래했습니다. 0.05% 트립신/EDTA 용액을 사용한 효소 분리는 다운스트림 응용 분야에서 멤브레인 무결성이 필요하지 않을 때 분리된 OC의 더 높은 수율에 사용할 수 있습니다. 또한 OC가 함께 뭉치는 것을 방지하기 위해 세포 분리 후 모든 완충액에서 고농도의 EDTA를 사용하고 유세포 분석 전에 적절한 필터링을 수행하는 것이 좋습니다. OC 배양은 성숙한 OC, OC 전구체 및 대식세포로 구성된 이질적인 세포 집단이라는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 대식세포는 OC와 쉽게 구별할 수 있지만, 단핵 pre-OC와 다핵 OC는 모두 OSCAR를 발현하며 현재 방법으로는 구별할 수 없습니다(그림 4). 실제로 이 후자의 문제가 이 방법의 주요 한계를 구성합니다. 또한, OSCAR의 낮은 발현은 M-CSF 배양에도 존재하며(그림 4B) OC 계통 투입을 위해 준비된 대식세포를 나타낼 수 있습니다. 그림 4B와 같이 FMO 염색 신호를 기반으로 OSCAR+ 세포에 대한 게이트를 설정하는 것이 중요합니다.
요약하면, 이 프로토콜은 순환하는 1차 인간 단핵구로부터 활성 및 기능적으로 성숙한 OC의 효율적인 생산을 위한 최적화되고 강력한 방법을 설명합니다. 이 프로토콜의 강점은 짧은 시간 내에 OC를 생성하고 많은 수의 차별화된 OC를 생성할 수 있다는 것입니다. 이 방법은 OC 분화 및 기능의 기본 메커니즘을 조사하는 길을 열어줍니다.
The authors have nothing to disclose.
저자는 이 작업에 대한 지원과 지원에 대해 감염 및 면역 학교 내의 Flow Core Facility와 Glasgow Imaging Facility(GIF)에 감사드립니다.
µ-Slide 18 well chamber slides | ibidi | 81816 | |
8-well glass chamber slides | Ibidi | 80807 | |
96-well TC plate | Corning | 3596 | |
96-well osteo assay stripwell plate | Corning | 3989 | |
Acetate solution | Sigma Aldrich | 386-3 | from kit Cat No. 387A-1KT |
Acetone | VWR | 20066.330 | |
Acid phosphatase, Leukocyte (TRAP) kit | SIGMA-ALDRICH | 387A-1KT | |
Alexa Fluor 488 Phalloidin | Theremo Fisher – Invitrogen | A12379 | AF488 |
Alexa Fluor 647 Phalloidin | Thermo Fisher – Invitrogen | A22287 | AF647 |
Alfa Aesar 2-Deoxy-D-glucose | Fisher Scientific | 11321867 | 2DG, 98% |
Alpha minimum essential medium | gibco | 22571-020 | |
ATPlite 1step | PerkinElmer | 6016731 | Luminiscence ATP detection assay system |
BD FACSAria III cell sorter | BD Biosciences | ||
Bovine serum albumin (BSA) | Sigma-Aldrich | A9418-100G | |
Cell culture microplate, 96-well, PS, F-bottom | Greiner bio-one | 655083 | White-bottom plates |
Citrate solution | Sigma Aldrich | 91-5 | from kit Cat No. 387A-1KT |
Corning 6ml round-bottom polystyrene test tubes | Fisher Scientific | 352054 | |
Corning osteo assay surface multiple well plate | Sigma-Aldrich | CLS3989 | |
Corning osteo assay Surface multiple well plate 1 x 8 stripwell | Corning | CLS3989-2EA | |
DAPI | Theremo Fisher | D3571 | |
EasySep human CD14 positive selection kit | STEMCELL Technologies | 17858 | |
EasySep red blood cell lysis buffer (10x) | StemCell Technologies | 20110 | |
eBioscience fixable viability dye eFluor 780 | Theremo Fisher – Invitrogen | 65-0865-14 | |
Ethylenediaminetetraacetic acid | Sigma-Aldrich | E7889-100ML | |
EVOS FL auto imaging system | Thermo Fisher | A32678 | |
Falcon round-bottom polypropylene test tubes with cap | Fisher Scientific | 10314791 | |
Falcon tubes 15 mL | Corning | 430790 | |
Falcon tubes 50 mL | Corning | 430828 | |
Fast Garnet GBC base solution | Sigma Aldrich | 387-2 | from kit Cat No. 387A-1KT |
Fetal bovine serum | gibco | 10500-064 | FBS |
Ficoll-Paque Plus | cytiva | 17144003 | |
Formaldehyde | Sigma-Aldrich | F-8775 | |
Human sRANK ligand | PEPROTECH | 310-01-100UG | Receptor activator of nuclear factor kappa-B ligand (RANKL) |
ImageJ Image analysis software | Image J | version 2.9.0 | |
L-glutamine | gibco | 25030-024 | |
Lithium heparin tubes (9 mL) | VACUETTE | 455084 | |
Macrophage colony-stimulating factor | PEPROTECH | 300-25-100UG | M-CSF |
Napthol AS-BI phosphoric acid solution | Sigma Aldrich | 387-1 | from kit Cat No. 387A-1KT |
Neubauer hemacytometer counting chamber | Camlab | SKU 1127885 | |
Oligomycin from Streptomyces Diastatochromogenes | Sigma-Aldrich | Q4876-5MG | |
OSCAR Antibody, anti-human, Vio Bright FITC, REAfinit | Miltenyi Biotec | 130-107-661 and 130-107-617 | Clone REA494 |
PE/Cyanine7 anti-human CD14 antibody | Biolegend | 325618 | Clone HCD14 |
Penicilin/streptomycin | SIGMA | P0781 | |
PHERAstar machine and software | BMG LABTECH | ||
Phosphate-buffered saline (DPBS, 1x) | gibco | 14190-094 | |
REA control antibody (S), human IgG1, Vio Bright FITC, REAfinity | Miltenyi Biotec | 130-113-443 | |
Sodium hypochlorite solution | Sigma-Aldrich | 425044-1L | |
Sodium nitrite solution | Sigma Aldrich | 91-4 | from kit Cat No. 387A-1KT |
Tartrate solution | Sigma Aldrich | 387-3 | from kit Cat No. 387A-1KT |
Triton X-100 | Sigma-Aldrich | 9002-93-1 | |
Trypan blue | Sigma-Aldrich | T8154-100ML |