As the periodontal ligament cells show similar phenotype with osteoblasts, periodontal ligament cells are thought to play an important role in alveolar bone remodeling. According to recent studies, receptor activation of nuclear factor $^{\kappa}B$ ligand (RANKL) and osteoprotegerin (OPG) are expressed in periodontal ligament cells during tooth movement. Also periodontal ligament cells is known to play an important role in the progression of periodontal disease. This study was designed how the expression of RANKL and OPG in periodontal ligament cells was regulated by IL-1 ${\beta}in$ the concentration of $0.01{\sim}10$ ng/ml. The results are as follows; 1. Periodontal ligament cells which stimulated by 1L-1 ${\beta}$ increased soluble RANKL synthesis by dose-dependent pattern in the concentration of $0.01{\sim}10$ ng/ml. 2. 1L-1 ${\beta}$ induced mRANKL expression in dose-dependent manner in the concentration of $0.01{\sim}5$ ng/ml. 3. mOPG expression was not to be influenced by 1L-1 ${\beta}$. These results suggested that rat periodontal ligament cells could regulate osteoclastogenesis by stimulation of production of RANKL.
Flavonoid myricetin, usually found in tea and medicinal plants, has antioxidant and anti-inflammatory effects. Our objectives in this study were to verify the effects of myricetin on periodontal ligament fibroblasts (PDLFs) under inflammatory conditions and to observe its effects on osteoclast generation and on cytokine expression in RAW264.7 cells. To determine the effects of myricetin on PDLFs, we examined the expression and activity of proteolytic enzymes, including MMP-1, MMP-2, and MMP-8, which all play an important role in chronic periodontitis. We observed the effects of myricetin on intracellular signal transduction to verify the molecular mechanism involved. By measuring the formation of TRAP-positive multinucleated cells and the expression and activity of MMP-8, we were able to assess the effects of myricetin on osteoclast generation. In addition, by measuring the secretion of IL-6 and NO, we could evaluate the effects of myricetin on inflammatory mediators. We found that Myricetin had no effect on the viability of the PDLFs in the presence of inflammation, but it did decrease both the expression of MMP-1 and MMP-8 and the enzyme activity of MMP-2 and MMP-8 in these fibroblasts. Myricetin also decreased the lipopolysaccharide-stimulated phosphorylation of JNK, p38 signaling, IKKB, AKT, and p65RelA in the PDLFs. In the RAW264.7 cells, myricetin inhibited both the expression and the activity of MMP-8. Furthermore, Myricetin not only suppressed the generation of LPS-stimulated osteoclasts, but it also slightly inhibited LPS-stimulated degradation of IkB and decreased the release of LPS-induced IL-6 and NO. These findings suggest that myricetin alleviates the tissue-destructive processes that occur during periodontal inflammation.
The aim of this study was to evaluate the effect of Epigallocatechin-3-Gallate (EGCG) on the alveolar bone metabolism in a collagen-induced arthritis (CIA) model in mice to enhance the understanding of rheumatoid arthritis (RA)-associated alveolar bone loss. Following the induction of CIA in animals (mice, n=16), mandibles were retrieved for micro-computed tomography (micro-CT) and isolation of alveolar bone cells (ABCs). In vitro osteogenic potentials of ABCs were evaluated and the mRNA expression of downstream effector genes was assessed. CIA was successfully induced in all animals, and micro-CT data showed that alveolar bone loss was significantly increased in the CIA group while the treatment of EGCG prevented the alveolar bone resorption. Osteogenesis by ABCs was significantly increased in the CIA+EGCG group in vitro. The analysis of mRNA expressions showed that osteoclastogenesis-associated genes were increased in CIA group while bone protecting genes were upregulated in EGCG treated group. The results demonstrate that EGCG downregulated the alveolar bone resorption in a CIA model in mice, and upregulation of bone protecting genes appear to be involved. Further studies are warranted.
Kim, Hyun-Ju;Yoon, Hye-Jin;Kim, Shin-Yoon;Yoon, Young-Ran
Molecules and Cells
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제37권8호
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pp.598-604
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2014
Fatty acids, important components of a normal diet, have been reported to play a role in bone metabolism. Osteoclasts are bone-resorbing cells that are responsible for many bone-destructive diseases such as osteoporosis. In this study, we investigated the impact of a medium-chain fatty acid, capric acid, on the osteoclast differentiation, function, and survival induced by receptor activator of NF-${\kappa}B$ ligand (RANKL) and macrophage colony-stimulating factor (M-CSF). Capric acid inhibited RANKL-mediated osteoclastogenesis in bone marrow-derived macrophages and suppressed RANKL-induced $I{\kappa}B{\alpha}$ phosphorylation, p65 nuclear translocation, and NF-${\kappa}B$ transcriptional activity. Capric acid further blocked the RANKL-stimulated activation of ERK without affecting JNK or p38. The induction of NFATc1 in response to RANKL was also attenuated by capric acid. In addition, capric acid abrogated M-CSF and RANKL-mediated cytoskeleton reorganization, which is crucial for the efficient bone resorption of osteoclasts. Capric acid also increased apoptosis in mature osteoclasts through the induction of Bim expression and the suppression of ERK activation by M-CSF. Together, our results reveal that capric acid has inhibitory effects on osteoclast development. We therefore suggest that capric acid may have potential therapeutic implications for the treatment of bone resorption-associated disorders.
Osteoporosis is recognized as one of the major hormonal deficiency diseases, especially in menopausal women and the elderly. When the estrogen level is reduced in the body, local factors, which are known to be related with bone resorption, are increased and promote osteoclastogenesis. In our previous study, we validated the estrogenicity of silkworm pupa. In this study, we investigated the effect of silkworm pupa extract (SPE) on the function of osteoblastic MC3T3-E1 cells. SPE (10 and $50\;{\mu}g/mL$) significantly elevated cell viability, alkaline phosphatase (ALP) activity, and collagen content in the cells. The effect of SPE ($50\;{\mu}g/mL$) in increasing cell viability, ALP activity, and collagen content was completely inhibited by the presence of $10^{-6}\;M$ of cycloheximide and $10^{-6}\;M$ of tamoxifen, suggesting that SPE's effect results from a newly synthesized, protein component and that it might be partly involved in estrogen action. Furthermore, we examined the effect of SPE on the $H_2O_2-induced$ apoptosis and production of local factors in osteoblasts. Treatment with SPE ($50\;{\mu}g/mL$) decreased the 0.2 mM $H_2O_2-induced$ apoptosis and the production of tumor necrosis factor (TNF)-${\alpha}$, interleukin (IL)-6 and nitric oxide (NO) in osteoblasts. Our data indicate that the enhancement of osteoblast function by silkworm pupa may prevent osteoporosis and inflammatory bone diseases.
Bone matrix is properly maintained by osteoclasts and osteoblasts. In the tumor microenvironment, osteoclasts are increasingly differentiated by the various ligands and cytokines secreted from the metastasized cancer cells at the bone metastasis niche. The activated osteoclasts generate osteolytic lesions. For this reason, studies focusing on the differentiation of osteoclasts are important to reduce bone destruction by tumor metastasis. The N-myc downstream-regulated gene 2 (NDRG2) has been known to contribute to the suppression of tumor growth and metastasis, but the precise role of NDRG2 in osteoclast differentiation induced by cancer cells has not been elucidated. In this study, we demonstrate that NDRG2 expression in breast cancer cells has an inhibitory effect on osteoclast differentiation. RAW 264.7 cells, which are monocytic preosteoclast cells, treated with the conditioned media (CM) of murine breast cancer cells (4T1) expressing NDRG2 are less differentiated into the multinucleated osteoclast-like cells than those treated with the CM of 4T1-WT or 4T1-mock cells. Interestingly, 4T1 cells stably expressing NDRG2 showed a decreased mRNA and protein level of intercellular adhesion molecule 1 (ICAM1), which is known to enhance osteoclast maturation. Osteoclast differentiation was also reduced by ICAM1 knockdown in 4T1 cells. In addition, blocking the interaction between soluble ICAM1 and ICAM1 receptors significantly decreased osteoclastogenesis of RAW 264.7 cells in the tumor environment. Collectively, these results suggest that the reduction of ICAM1 expression by NDRG2 in breast cancer cells decreases osteoclast differentiation, and demonstrate that excessive bone resorption could be inhibited via ICAM1 down-regulation by NDRG2 expression.
Osteoprotegerin (OPG) is a secreted glycoprotein and a member of the tumor necrosis factor receptor superfamily. It usually functions in bone remodeling, by inhibiting osteoclastogenesis through interaction with a receptor activator of the nuclear factor ${\kappa}B$ (RANKL). Transglutaminases-2 (Tgase-2) is a group of multifunctional enzymes that plays a role in cancer cell metastasis and bone formation. However, relationship between OPG and Tgase-2 is not studied. Therefore, we investigated the involvement of 12-O-Tetradecanoylphorbol 13-acetate in the expression of OPG in MG-63 osteosarcoma cells. Interleukin-$1{\beta}$ time-dependently induced OPG and Tgase-2 expression in cell lysates and media of the MG-63 cells by a Western blot. Additional 110 kda band was found in the media of MG-63 cells. 12-O-Tetradecanoylphorbol 13-acetate also induced OPG and Tgase-2 expression. However, an 110 kda band was not found in TPA-treated media of MG-63 cells. Cystamine, a Tgase-2 inhibitor, dose-dependently suppressed the expression of OPG in MG-63 cells. Gene silencing of Tgase-2 also significantly suppressed the expression of OPG in MG-63 cells. Next, we examined whether a band of 110 kda of OPG contains an isopeptide bond, an indication of Tgase-2 action, by monoclonal antibody specific for the isopeptide bond. However, we could not find the isopeptide bond at 110 kda but 77 kda, which is believed to be the band position of Tgase-2. This suggested that 110 kda is not the direct product of Tgase-2's action. All together, OPG and Tgase-2 is induced by IL-$1{\beta}$ or TPA in MG-63 cells and Tgase-2 is involved in OPG expression in MG-63 cells.
Recently, soluble TNF receptor homolog osteoprotegerin(OPG) and its membrane-bound ligand osteoclast differentiation factor(ODF) were found to regulate osteoclast formation and function, and bone metabolism. It is now well established that ODF acts via RANK expressed on hematopoietic osteoclast precursor cells to facilitate their differentiation to osteoclasts, and OPG prevents the formation of osteoclasts by interfering the binding of ODF and RANK. Expression of OPG and ODF was believed to be closely related to the pathogenesis of bone resorption and destruction from osteoporosis, periodontal diseases, malignant bone tumor, and arthritis. The periodontal ligament fibroblasts (PDLF), located between the tooth and tooth socket, has been thought to play an important role in maintaining bone homeostasis of periodontal tissues. However, the exact mechanism by which bone formation and resorption are regulated by PDLF is not well understood. In this study we have prepared primary cultures of human PDLF from periodontium of malaligned tooth extracted due to orthodontic reason, and determined steady state or inflammatory signal-induced OPG and ODF expression using RT-PCR and western blot analysis. OPG and ODF mRNA and protein were expressed constitutively in the PDLF and these expression were slightly increased by osteotropic cytokine IL-1 ${\beta}$. Lipopolysaccharide-treated PDLF showed decrease in OPG mRNA and protein expression, and increase in ODF mRNA and protein expression. These results indicated that PDLF influence the osteoclastogenesis by OPG and ODF expression in the inflammatory situation as well as physiological condition, and thereby pathogenesis of periodontal alveolar bone destruction.
Jung, Gyeong Bok;Kang, In Soon;Lee, Young Ju;Kim, Dohyun;Park, Hun-Kuk;Lee, Gi-Ja;Kim, Chaekyun
Current Optics and Photonics
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제1권4호
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pp.412-420
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2017
Multinucleated bone resorptive osteoclasts differentiate from bone marrow-derived monocyte/macrophage precursor cells. During osteoclast differentiation, mononuclear pre-osteoclasts change their morphology and biochemical characteristics. In this study, Raman spectroscopy with multivariate techniques such as Principal Component Analysis (PCA) and Linear Discriminant Analysis (LDA) were used to extract biochemical information related to various cellular events during osteoclastogenesis. This technique allowed for label-free and noninvasive monitoring of differentiating cells, and clearly discriminated four different time points during osteoclast differentiation. The Raman band intensity showed significant time-dependent changes that increased up to day 4. The results of Raman spectroscopy agreed with results from atomic force microscopy (AFM) and tartrate-resistant acid phosphatase (TRAP) staining, a conventional biological assay. Under AFM, normal spindle-like mononuclear pre-osteoclasts became round and smaller at day 2 after treatment with a receptor activator of nuclear $factor-{\kappa}B$ ligand and they formed multinucleated giant cells at day 4. Thus, Raman spectroscopy, in combination with PCA-LDA, may be useful for noninvasive label-free quality assessment of cell status during osteoclast differentiation, enabling more efficient optimization of the bioprocesses.
Kim, Su Young;Ok, Hwoe Gyeong;Birkenmaier, Christof;Kim, Kyung Hoon
The Korean Journal of Pain
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제30권2호
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pp.86-92
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2017
Osteoblasts, originating from mesenchymal cells, make the receptor activator of the nuclear factor kappa B ligand (RANKL) and osteoprotegerin (OPG) in order to control differentiation of activated osteoclasts, originating from hematopoietic stem cells. When the RANKL binds to the RANK of the pre-osteoclasts or mature osteoclasts, bone resorption increases. On the contrary, when OPG binds to the RANK, bone resorption decreases. Denosumab (AMG 162), like OPG (a decoy receptor), binds to the RANKL, and reduces binding between the RANK and the RANKL resulting in inhibition of osteoclastogenesis and reduction of bone resorption. Bisphosphonates (BPs), which bind to the bone mineral and occupy the site of resorption performed by activated osteoclasts, are still the drugs of choice to prevent and treat osteoporosis. The merits of denosumab are reversibility targeting the RANKL, lack of adverse gastrointestinal events, improved adherence due to convenient biannual subcutaneous administration, and potential use with impaired renal function. The known adverse reactions are musculoskeletal pain, increased infections with adverse dermatologic reactions, osteonecrosis of the jaw, hypersensitivity reaction, and hypocalcemia. Treatment with 60 mg of denosumab reduces the bone resorption marker, serum type 1 C-telopeptide, by 3 days, with maximum reduction occurring by 1 month. The mean time to maximum denosumab concentration is 10 days with a mean half-life of 25.4 days. In conclusion, the convenient biannual subcutaneous administration of 60 mg of denosumab can be considered as a first-line treatment for osteoporosis in cases of low compliance with BPs due to gastrointestinal trouble and impaired renal function.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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