Osteoclasts are bone-resorbing multinucleated cells derived from the monocyte/macrophage lineage. The differentiation of osteoclasts are regulated by osteoblastic cells expressed RANKL, which is the most critical molecule for osteoclast differentiation. In this study, we found that water extracts of cuscuta inhibited RANKL-mediated osteoclast differentiation by direct action on bone marrow macrophages (BMMs) without cytotoxicity. In BMMs, water extracts of cuscuta inhibited the mRNA expression of c-Fos, NFATc1, TRAP, and OSCAR. Also, the protein expression of c-Fos and NFATc1 was inhibited by water extracts of cuscuta treatement. Water extracts of cuscuta inhibited the phosphorylation of p38, ERK, and JNK in BMMs treated with RANKL. However, water extracts of cuscuta did not inhibit RANKL-induced I-${\kappa}B$ activation. Water extract of cuscuta failed to inhibit bone resorption by osteoclasts cultured on hydroxyapatite plates. These results suggest that cuscuta may be a promising drug for use against bone disorders such as osteoporosis and rheumatoid arthritis.
Although the effect of Eucommie umoides oliver in osteoporosis has been studied, direct action of Eucommis ulmoides Oliver on osteoclasts remains unknown. Here we examined whether Eucommiae cortex inhibits osteoclast differentiation and bone resorption, a process known to be involved in bone diseases such as osteoporosis. Water extract from Eucommiae cortex (WE-EC) inhibited differentiation of bone marrow macrophages (BMMs) into osteoclasts without causing cytotoxicity. WE-EC suppressed the phosphorylation of p38, ERK, and JNK in BMMs treated with RANKL. WE EC specifically suppressed the mRNA expression of NFATc1 induced by RANKL. However, WE-EC inhibited stability of c-Fos protein induced by RANKL. Furthermore, WE-EC inhibited osteoclast survival induced by RANKL and in turn suppressed bone resorption. Taken together, our results suggest that WE-EC may be better agents for therapeutic use in bone diseases.
연구목적: 이 연구는 대황 추출물이 골수 유래 대식세포(BMM)에서 파골세포 분화에 미치는 영향을 조사하는 것을 목적으로 한다. 파골 세포는 골 재흡수 및 재형성에 중요한 역할을 하며, 파골 세포의 조절 장애는 다양한 골 관련 질환을 유발할 수 있다. 잠재적인 항염증 특성을 가진 약용 식물인 대황은 뼈 대사를 조절하는 것으로 제안되었다. 연구방법: 생후 5주령의 C57BL/6 마우스의 대퇴골과 경골에서 BMM을 분리하고 M-CSF(mouse macrophage colony-stimulating factor) 존재하에 3일간 배양한 후 M-CSF와 파골 세포 분화를 유도하기 위한 핵 인자-κB 리간드(RANKL)의 활성화제를 처리하였다. 연구결과: 대황 추출물로 처리하면 BMM에서 파골 세포 분화가 현저하게 억제되었다. 또한 대황 추출물은 파골세포 형성에 필수적인 유전자인 TRAP(tartrate-resistant acid phosphatase) 및 CTSK(cathepsin K)의 mRNA 발현을 억제하였다. 또한 파골세포 분화에 중요한 전사 인자인 활성화된 T 세포 c1(NFATc1)의 핵 인자의 RANKL 유도 발현을 억제하였다. 결론: 이러한 결과는 대황 추출물이 BMMs에서 파골 세포 형성에 억제 효과가 있음을 나타낸다. 따라서 대황 추출물은 비정상적인 파골 세포 활동과 관련된 뼈 관련 질환의 치료를 위한 유망한 치료제이다. 잠재적인 임상 적용을 완전히 이해하기 위해서는 메커니즘에 대한 추가 연구와 탐색이 필요하다.
Dlx3 is a homeodomain protein and is known to playa role in development and differentiation of many tissues. Deletion of four base pairs in DLX3 (NT3198) is causally related to tricho-dento-osseous (TDO) syndrome (OMIM # 190320), a genetic disorder manifested by taurodontism, hair abnormalities, and increased bone density in the cranium. Although the observed defects of TDO syndrome involves bone, little is known about the role of Dlx3 in bone remodeling process. In this study, we examined the effect of wild type DLX3 (wtDlx3) expression on osteoclast differentiation and compared it with that of 4-BP DEL DLX3 (TDO mtDlx3). To examine whether Dlx3 is expressed during RANKL-induced osteoclast differentiation, RAW264.7 cells were cultured in the presence of receptor activator of nuclear factor-B ligand (RANKL). Dlx3 protein level increased slightly after RANKL treatment for 1 day and peaked when the fusion of prefusion osteoclasts actively progressed. When wtDlx3 and TDO mtDlx3 were overexpressed in RAW264.7 cells, they enhanced RANKL-induced osteoclastogenesis and the expression of osteoclast differentiation marker genes such as calcitonin receptor, vitronectin receptor and cathepsin K. Since osteoclast differentiation is critically regulated by the balance between RANKL and osteoprotegerin (OPG), we examined the effect of Dlx3 overexpression on expression of RANKL and OPG in C2C12 cells in the presence of bone morphogenetic protein 2. Overexpression of wtDlx3 enhanced RANKL mRNA expression while slightly suppressed OPG expression. However, TDO mtDlx3 did not exert significant effects. This result suggests that inability of TDO mtDlx3 to regulate expression of RANKL and OPG may contribute to increased bone density in TDO syndrome patients. Taken together, it is suggested that Dlx3 playa role as a positive regulator of osteoclast differentiation via up-regulation of osteoclast differentiation-associated genes in osteoclasts, as well as via increasing the ratio of RANKL to OPG in osteoblastic cells.
Several lines of evidence suggest that osteocytes play a critical role in bone remodeling. Both healthy and apoptotic osteocytes can send signals to other bone surface cells such as osteoblasts, osteoclasts, osteoclast precursors, and bone lining cells through canalicular networks. Osteocytes responding to mechanical strain may also send signals to other cells. To determine the role for osteocytes an mechanical strain in bone remodeling, we examined the effects of fluid flow shear stress on osteoclast precursor cell and osteoblast proliferation and recruitment induced by osteocytes. In addition, the effects of fluid flow shear stress on osteocyte M-CSF, RANKL, and OPG mRNA expression were also examined. MLO-Y4 cells were used as an in vitro model for osteocytes, RAW 264.7 cells and MOCP-5 cells as osteoclast precursors, and 2T3 cells as osteoblasts. MLO-Y4 cells conditioned medium (Y4-CM) was collected after 24h culture. For fluid flow experiments, MLO-Y4 cells were exposed to 2h of pulsatile fluid flow (PFF) at 2, 4, 8, $16{\pm}0.6\;dynes/cm^2$ using the Flexcell $Streamer^{TM}$ system. For proliferation assays, MOCP-5, RAW 264.7, and 2T3 cells were cultured with control media or 10-100% Y4 CM. Cells were cultured for 3d, and then cells were counted. RAW 264.7 and 2T3 cell migration was assayed using transwells with control media or 10-100% Y4-CM. M-CSF, RANKL and OPG in MLO-Y4 mRNA expression was determined by semiquantitative RT-PCR. Y4-CM increased osteoclast precursor proliferation and migration, but decreased 2T3 cell proliferation and migration. CM from MLO-Y4 cells exposed to PFF caused decreased RAW 267.4 cell proliferation and migration and 2T3 migration compared to control Y4-CM. However, Y4-CM from cells exposed to PFF had no effect on 2T3 osteoblastic cell proliferation. PFF decreased RNAKL mRNA and increased OPG mRNA in MLO-Y4 cells compared to control(without PFF). PFF had no effect on M-CSF mRNA expression in MLO-Y4 cells. These results suggest that osteocytes can regulate bone remodeling by communication with osteoclast precursors and osteoblasts and that osteocytes can communicate mechanical signals to other cells.
Natural substances have recently received much attention as therapeutic drugs to prevent many diseases in humans because they avoid the many side effects of treatment with chemical compounds. We examined the effect of water extract of deer antler in RANKL-induced osteoclast differentiation. The effects of water extract of deer antler in osteoclast differentiation were determined by culture of bone marrow macrophages (BMMs). The mRNA expression levels of c-Fos, NFATc1, TRAP, and GAPDH in BMMs were analyzed by RT-PCR. Cell lysates were obtained from the treated cells, the expression levels of c-Fos and NFATc1 were determined by western blotting with antibodies for c-Fos and NFATc1. Water extract of deer antler greatly inhibited RANKL-mediated osteoclast differentiation in osteoclast precursors without cytotoxicity. Water extract of deer antler inhibited the expression of c-Fos and NFATc1 in BMMs treated with RANKL. Our findings suggest that water extract of deer antler inhibited osteoclast differentiation by suppressing c-Fos and NFATc1 expression in response to RANKL. These results demonstrate that water extract of deer antler may be a useful the treatment of bone-related disease such as osteoporosis.
An imbalance in bone remodeling that is caused by increased bone resorption over bone formation leads to most adult skeletal diseases including osteoporosis. Since the development of anti-resorptive agents from natural substances has recently gained more interest in the treatment of osteoporosis, we evaluated the effects of 222 natural compounds on receptor activator of $NF-{\kappa}B$ ligand (RANKL)-induced of tartrate-resistance acid phosphatase (TRAP) activity in RAW264.7 murine macrophage cell, and found that berberine chloride is one of compounds inhibiting RANKL-induced TRAP activity. Berberine chloride significantly inhibited the RANKL-induced TRAP activity and the formation of multinucleated osteoclasts in a dose-dependent manner. In addition, berberine chloride prevented the RANKL-induced mRNA expression of TRAP, matrix metalloproteinase 9 and c-Src, which have been known to be highly expressed in the process of osteoclastogenesis. Interestingly, berberine chloride prevented the RANKL-induced activation of extracellular signal-regulated kinase (ERK) which is one of mitogen-activated protein (MAP) kinases. In conclusion, berberine chloride could inhibit the osteoclastogenesis via preventing the activation of ERK/MAP kinase signaling pathway.
In the field of osteoporosis, there has been growing interest in anabolic agents that enhance bone formation. The purpose of this study was to examine the effects of NNMBS 246 osteoblastic differentiation with associated signaling pathways. NNMBS 246 markedly increased alkaline phosphatase (ALP) activity and calcium nodule formation. Stimulation with NNMBS 246 not only increased the differentiation markers (ALP, OPN, OCN) level and transcription markers (RUNX2, Osterix) mRNA expression but also upregulated the ECM molecules and OPG mRNA expression. Treatments of NNMBS 246 downregulated MMPs (MMP-1, MMP-2, MMP-9), but RANKL mRNA expression. Furthermore, NNMBS 246 activated osteoblastic differentiation markers and formed calcium nodules in human periodontal ligament cells (hPDLCs) and cementoblast cells. NNMBS 246 induced phosphorylation of MAPKs, Akt, nuclear p65 and IkB-${\alpha}$. BMP-2/Smad and ${\beta}$-catenin signaling pathways were activated by NNMBS 246. Sirtinol (SIRT1 inhibitor) inhibited NNMBS 246-induced osteoblastic differentiation markers mRNA expression. These results suggested that NNMBS 246 has the potential to enhance osteoblastogenesis probably through the activation of BMP/Smad and ${\beta}$-catenin signal pathways, and SIRT1 plays as critical mediator in bone anabolic effect of NNMBS 246.
Bone remodeling is a continuous process of skeletal renewal during which bone formation is tightly coupled to bone resorption. Mechanical loading is an important regulator of bone formation and resorption. In recent studies, neurotransmitters such as vasoactive intestinal peptide (VIP) were found to be present inside bone tissue and have been suggested to potentially regulate bone remodeling. In this study, our objective was to use a pre-established in vitro oscillatory fluid flow-induced shear stress mechanical loading system to quantify the effect of VIP on bone resorptive activity and investigate its combined effect with mechanical loading. VIP decreased osteoclastogenesis significantly decreased RANKL/OPG mRNA ration by approximately 90%. Combined VIP and mechanical loading further decreased RANKL/OPG ratio to approximately 95%. These results suggest that VIP present in bone tissue may synergistically act with mechanical loading to regulate bone remodeling via suppression of bone resorptive activities.
Objectives : Osteoporosis is the most common bone disease and osteoporosis fracture is the leading cause of decreased life. Bisphosphonate and selective estrogen receptor modulators are the best choice of treatment for osteoporosis. However, when used for a long time, they increase the probability of side effect such as osteonecrosis of the jaw. Thus, it is crucial to develop alternative medicine to treat osteoporosis. Gentianae Macrophyllae Radix, a herbal medicine, is mainly to treat rheumatoid arthritis. However, the effect of the water extract of Gentianae Macrophyllae Radix (w-GM) on osteoporosis has not been investigated. Thus, we examine whether w-GM can inhibit osteoclast differentiation and bone resorption on receptor activator of nuclear factor kappa-B (NF-κB) ligand (RANKL)-treated RAW 264.7 cells. In this study, RAW 264.7 cells were used as an osteoclast differentiation model by treating them with RANKL. Methods : RAW 264.7 cells were used to determine the effect of w-GM on osteoclast differentiation and bone resorption. The number of tartrate-resistant acid phosphatase (TRAP)-positive cells, TRAP activity and pit formation assay were examined. In addition, protein expressions were measured by western blot and mRNA expressions were analyzed by reverse transcription polymerase chain reaction. Results : Treatment with w-GM inhibited the number of TRAP-positive cells, TRAP activity and pit area. In addition, w-GM decreased protein expression such as mitogen-activated protein kinase, NF-κB, c-Fos and nuclear factor of activated T-cells cytoplasmic 1 (NFATc1). It also inhibited the mRNA levels such as c-Fos, NFATc1, TRAP, NF-κB, calcitonin receptor and cathepsin K in RANKL-treated RAW 264.7 cells. Conclusions : These results suggest that w-GM has inhibitory effects via osteoclast differentiation, thus it could be a new medication for osteoporosis.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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