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Les ostéoclastes sont des polycaryons macrophages spécifiques aux tissus dérivés de la lignée monocyte-macrophages des cellules souches hématopoïétiques. Ce protocole décrit comment isoler les cellules de la moelle osseuse afin que de grandes quantités d’ostéoclastes soient obtenues tout en réduisant le risque d’accidents que l’on retrouve dans les méthodes traditionnelles.
Les ostéoclastes sont de grandes cellules multinucléées et de résorbage osseux de la lignée monocyte-macrophages qui sont formées par la fusion de monocytes ou de précurseurs de macrophages. La résorption osseuse excessive est l’un des mécanismes cellulaires les plus significatifs conduisant à des maladies ostéolytiques, y compris l’ostéoporose, la parodontite et l’ostéolyse périprosthétique. La principale fonction physiologique des ostéoclastes est d’absorber à la fois la composante minérale de l’hydroxyapatite et la matrice organique de l’OS, générant l’aspect de la résorption caractéristique sur la surface des os. Il ya relativement peu d’ostéoclastes par rapport à d’autres cellules dans le corps, en particulier dans les os adultes. Des études récentes ont porté sur la façon d’obtenir des ostéoclastes plus matures en moins de temps, ce qui a toujours été un problème. Plusieurs améliorations dans les techniques d’isolement et de culture se sont développées dans les laboratoires afin d’obtenir des ostéoclastes plus matures. Ici, nous introduisons une méthode qui isole la moelle osseuse en moins de temps et avec moins d’effort par rapport à la procédure traditionnelle, à l’aide d’un dispositif spécial et simple. Avec l’utilisation de la centrifugation par gradient de densité, nous obtenons de grandes quantités d’ostéoclastes entièrement différenciés de la moelle osseuse de rat, qui sont identifiés par des méthodes classiques.
L’homéostasie osseuse est un processus physiologique complexe qui est régulé par des ostéoblastes de résorbage osseux et des ostéoclastes formant des os1. Un équilibre entre l’activité ostéoblastique et l’ostéoclaste induite par les ostéobenzènes et les ostéoclastes, respectivement, est très essentiel pour maintenir la santé osseuse et l’homéostasie, car les perturbations de l’homéostasie osseuse peuvent entraîner des maladies osseuses, telles comme une croissance osseuse anormale ou une perte de densité osseuse. En tant que cellules uniques de résorption osseuse, les ostéoclastes sont importantes dans les maladies liées à la destruction osseuse anormale, y compris l’ostéoporose, la parodontite et l’ostéolyse périprosthétique2,3.
Le développement d’une culture ostéosclast est principalement divisé en deux étapes. Les méthodes établies par Boyde et coll.4 et Chambers et coll.5 composaient la première étape dans les années 1980. Ils ont obtenu des ostéoclastes relativement abondantes à partir des os des animaux nouveau-nés, qui est la période de remodelage rapide. Les ostéoclastes sont libérés par la fragmentation et l’agitation des os dans un milieu spécial. Cependant, les cellules obtenues par cette méthode sont faibles en quantité et en pureté. La deuxième étape a été le développement de cultures à longue distance de formation d’ostéoclast, utilisant des cellules de lignée hématopoïétique dérivées de la moelle osseuse6. Les cytokines, telles que la 1 α, la 25-dihydroxyvitamine D3, la prostaglandine E2 (PGE-2) et l’hormone parathyroïde (PTH), qui sont ajoutées dans le milieu de culture, agissent par l’intermédiaire du système des cellules ostéoblastes/stromales pour stimuler la formation d’ostéoclast7,8 . Cependant, la pureté et la quantité d’ostéoclastes obtenues par cette méthode ne peuvent pas répondre aux besoins de la recherche moderne en biologie moléculaire. Ensuite, la découverte du facteur stimulant des colonies de macrophages (M-CSF) et de l’activateur du récepteur pour le ligand nucléaire de facteur-κB (RANKL) rend l’ostéoclastogenèse plus facile9,10,11, et la méthode d’utilisation de m-CSF et RANKL pour stimuler directement la formation d’ostéosclast est largement utilisé dans le monde entier. Cependant, il y a encore quelques détails dans la méthodologie qui doivent être améliorés.
Actuellement, la méthode de culture d’ostéoclast la plus couramment utilisée, telle que décrite par Marino et al.12 et PEI et al.13, nécessite souvent l’enlèvement du tissu environnant autour de l’os et utilise une aiguille stérilisée pour rincer la cavité médullaire avec les médias complétés. Il y a quelques inconvénients à ce processus, y compris le fait que (1) l’enlèvement du tissu environnant autour de l’OS nécessite beaucoup de temps et une grande technique chirurgicale, (2) les os sont fragiles et peuvent conduire à l’écoulement de la moelle osseuse, (3) la cavité de la moelle osseuse pourrait être trop petit pour rincer, et (4) il y a un risque de blessure de bâton d’aiguille. Pour éviter ces problèmes, nous centrifuger les tubes contenant les os pour la moelle osseuse au lieu de l’aiguille-rinçage de la moelle osseuse. Ici, nous introduisons une méthode stable et sûre qui isole la moelle osseuse en moins de temps et avec moins d’effort comparé à la procédure traditionnelle. Avec l’utilisation de la centrifugation par gradient de densité, nous obtenons de grandes quantités d’ostéoclastes entièrement différenciés in vitro.
Toutes les méthodes impliquant les animaux décrits ici sont approuvées par le Comité institutionnel de soins et d’utilisation des animaux (IACUC) de l’Université de médecine chinoise de Nanjing.
1. Configuration de l’installation
2. préparation du milieu de culture
3. isolement des cellules dérivées de Mmoelle osseuse
4. purification par centrifugation par gradient de densité
5. culture et différenciation
6. coloration de la phosphatase acide résistante au tartrate
Remarque: Les ostéoclastes multinucléés seront présents après 4 à 6 jours si l’induction (section 5) est réussie.
7. essai de résorption osseuse utilisant la coloration bleue de toluidine
8. microscopie électronique à balayage
9. coloration de l’immunofluorescence du récepteur de la calcitonine
Remarque: Les ostéoclastes multinucléés seront présents après 4 à 6 jours si l’induction réussit (section 5).
Le but du protocole était d’isoler et de purifier un grand nombre de précurseurs d’ostéoclast commodément et d’induire les ostéoclastes avec succès. En complétant avec M-CSF et RANKL, des ostéoclastes géants ont été observés les jours 5 à 6. La formation d’ostéoclastes a été identifiée avec succès par la coloration TRAP (figure 1a). Les cellules grandes et violettes ont été considérées comme des cellules à piège positif avec plusieurs noyaux (typiquement ≥ trois noyaux). Par cette méthode, il était typique d’obtenir 800 ostéoclastes, contenant jusqu’à 30 noyaux par ostéoclast, dans une plaque de 24 puits (figure 1b). Par rapport à la méthode traditionnelle, la méthode améliorée a économisé environ 20 min dans l’ensemble de la progression de l’isolement (figure 1c).
L’utilisation de tranches d’OS pour évaluer l’activité de la résorption osseuse est une méthode in vitro typique. Par coloration au bleu de toluidine, la zone de résorption a été visualisée en vert clair (figure 2a) et a été calculée. La structure et les caractéristiques des fosses osseuses ont été clairement observées par microscopie électronique à balayage (figure 2b).
Le CTR, l’un des marqueurs de cellules spécifiques à l’ostéoclaste, est essentiel pour identifier les ostéoclastes et étudier la formation d’ostéoclastes dans l’OS. L’expression positive du CTR identifie clairement les ostéoclastes et les distingue des polycaryons du macrophages. Le CTR a été détecté par les dosages d’immunofluorescence. La couleur verte indiquait l’expression du CTR et le bleu indiquait les noyaux (figure 3).
Figure 1: ostéoclastogenèse des cellules dérivées de la moelle osseuse. A) image représentative de la coloration Trap. Le Micrographe fond clair à grossissement 10x démontre plusieurs ostéoclastes géants multinucléés qui sont positifs au piège et ont été observés à un grossissement de 20 x. Un exemple de noyau dans un ostéoclast multinucléé est montré par la flèche rouge. (B) le Micrographe fond clair à grossissement 10x prouve qu’un grand nombre d’ostéoclastes positifs au piège étaient présents. Un exemple de grand ostéoclaste multinucléé est décrit par la ligne pointillée rouge. C) Comparaison du temps passé sur les deux méthodes d’isolement. Toutes les opérations ont été effectuées par le même groupe d’expérimentateurs. Les données représentent les moyennes ± écart-type. * P < 0,05, n = 3. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 2: essais de résorption osseuse par tranches d’os. (A) le Micrographe fond clair à grossissement 4x démontre la zone de résorption osseuse, est teinté vert clair par la tache bleue de toluidine, et est rond-, ovale-ou en forme de saucisse. Un exemple de la zone de résorption osseuse est montré par la flèche rouge. B) les fosses de résorption observées avec la microscopie électronique à balayage à un grossissement de 500x. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 3: caractérisation de l’expression CTR dans les ostéoclastes à l’aide de la coloration par immunofluorescence. Le panneau affiche un signal CTR clair autour des cellules. A) cellules positivesduCTR. B) noyaux. (C) fusionné. S’il vous plaît cliquez ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
La capacité d’obtenir et d’étudier les ostéoclastes in vitro est une compétence critique et fondamentale pour tout chercheur souhaitant étudier le métabolisme osseux, qui peut aider à comprendre les mécanismes des maladies absorbant les os et à développer de nouveaux agents thérapeutiques. La présente étude décrivait un protocole avec quelques modifications fondées sur des méthodes antérieures.
En utilisant des pointes de pipette et des tubes de microcentrifugation pour obtenir la moelle osseuse, elle a largement réduit le temps de fonctionnement de l’obtention de la moelle osseuse et la charge de travail du personnel de laboratoire par rapport aux méthodes traditionnelles. En attendant, la méthode évite le risque de perte de moelle osseuse ou de blessure au bâton d’aiguille. Dans une étude précédente, les cellules dérivées de la moelle osseuse ont été plaquées immédiatement après l’isolement12,13. La centrifugation par gradient de densité a été utilisée pour sélectionner les monocytes de moelle osseuse en fonction des différences dans les coefficients de tassement. Dans le processus de centrifugation par gradient de densité, l’addition des milieux de séparation des cellules doit être effectuée doucement et soigneusement le long du mur, afin de rendre les limites claires. Cependant, la technique est limitée par la fonction de la centrifugeuse et par le fait qu’elle soit mise en place avec les paramètres d’accélération et de décélération. La densité de semis est la condition clé pour la culture des ostéoclastes. Plusieurs fois, le protocole a échoué en raison d’une densité de semis incorrecte lors du placage des cellules. Ainsi, environ 300 000 cellules par puits de 24 puits sont recommandées dans ce protocole. Ce protocole est également approprié pour l’obtention de divers types de cellules dérivées de la moelle osseuse chez des rats ou d’autres animaux (p. ex., souris, lapin et poulet).
La méthode la plus classique pour évaluer l’activité des ostéoclastes est le dosage des fosses de résorption. Le cortex osseux bovin est couramment utilisé pour le dosage des fosses de résorption parce que ses sources sont largement disponibles. Avec l’aide d’un système de coupe moderne, nous pouvons obtenir plus facilement des tranches d’os minces. Le dosage des fosses de résorption a trois facteurs. Pour générer avec succès une fosse de résorption dans les tranches, les tranches doivent être traitées strictement comme décrit pour le dégraissage dans le protocole. En outre, les ostéoclastes de rat sont activés pour former des fosses de résorption dans un environnement légèrement acide, et la fonction de résorption sera essentiellement «arrêté» lorsque le pH monte au-dessus de 7,214,15. Ainsi, il est à noter que l’ouverture de la porte de l’incubateur fréquemment pendant la progression des expériences peut conduire à des perturbations des valeurs du pH et du BCP2 , influençant même la fonction de résorption des ostéoclastes16. Enfin, les tranches d’os doivent rester au fond des puits et ne doivent pas être déplacées ou flotter vers le haut en changeant le milieu, afin d’éviter l’irritation.
Le CTR est un membre de la sous-famille de classe II des récepteurs couplés à la protéine G-7 transmembranaires qui contiennent également l’hormone parathyroïde et les récepteurs de la sécrétine17. En plus de la coloration TRAP et du dosage des fosses de résorption, les ostéoclastes sont identifiés par la morphologie et la fonction, et le CTR-positif identifie les ostéoclastes en immunologie. Maintenant, nous pouvons également utiliser la coloration fluorescente de l’anneau d’actine et de mesurer les croisements de pyridinoline dans le surnageant pour identifier les ostéoclastes.
Bien que différents chercheurs aient des familiarités différentes avec les techniques expérimentales et la quantité totale de cellules dans la moelle osseuse est certain, nous avons obtenu des cellules de moelle osseuse dans un temps plus court, relativement, et à la fin, a obtenu de grandes quantités de complètement d’ostéoclastes différenciés de la moelle osseuse de rat.
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Ce travail a été soutenu par la National Natural Science Foundation de la Chine (81473692) à Yong ma. Les auteurs remercient tout le personnel du centre de recherche médicale du premier collège de médecine clinique à l’Université de la médecine chinoise de Nanjing.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Acid Phosphatase, Lekocyte (TRAP) kit | Sigma-Aldrich | 387A | |
Automatic Hard Tissue Slicer | Lecia | RM2265 | |
Bovine femoral bone | Purchased by ourselves | ||
Cell Incubator | Heraus | BB16/BB5060 | |
Fetal Bovine Serum | Sarana | s-fbs-au-015 | |
Goat Anti-Rabbit IgG H&L (Alexa Fluor 488) | Abcam | ab150077 | |
Hard Tissue Grinders | Lecia | SP-2600 | |
Histopaque Kit | TianJing Haoyang | TBD2013DR | Silicified centrifugal tube amd cell separation solution |
Hochest33342 | Sigma-Aldrich | B2261 | |
Inverted Phase Contrast Microscope | Olympus | CKX31 | |
Inverted Fluorescence Microscope | Lecia | DMI-3000 | |
MEM, no Glutamine | Gibco | 11090-081 | |
Penicillin-Streptomycin, Liquid | Gibco | 15140122 | |
Rabbit Anti-Calcitonin receptor | Bioss | bs-0124R | |
Recombinant Rat M-CSF | PeproTech | 400-28 | |
Recombinant Rat sRANK Ligand | PeproTech | 400-30 | |
Red Blood Cell Lysis Buffer | Absin | abs47014932 | |
Scanning Electron Microscopy | FEI | Quanta 200 | |
Toluidine Blue | Sigma-Aldrich | 89649 |
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