¿A qué pregunta responde "el hueso"?: una cuestión de direccionalidad estructural y organización biológica (hueso y huesos, del big-bang a la osteoporosis) / To which question is 'bone' the answer?: a matter of structural directionality and biological organization (bone and bones, from the big bang to osteoporosis)

La "razón de ser" de nuestros huesos y esqueletos constituye un dilema centralizado en los conceptos biológicos de "estructura" y "organización", cuya solución necesitamos comprender para interpretar, diagnosticar, tratar y monitorear correctamente las osteopatías fragilizantes. Últimamente se ha reunido conocimiento suficiente para proponer aproximaciones razonables a ese objetivo. La que exponemos aquí requiere la aplicación de no menos de 6 criterios congruentes: 1) Un criterio cosmológico, que propone un origen común para todas las cosas; 2) Un criterio biológico, que explica el origen común de todos los huesos; 3) Un enfoque epistemológico, que desafía nuestra capacidad de comprensión del concepto concreto de estructura y del concepto abstracto de organización, focalizada en la noción rectora de direccionalidad espacial; 4) Una visión ecológica, que destaca la importancia del entorno mecánico de cada organismo para la adecuación de la calidad mecánica de sus huesos a las "funciones de sostén" que les adjudicamos; 5) Una correlación entre todo ese conocimiento y el necesario para optimizar nuestra aptitud para resolver los problemas clínicos implicados y 6) Una jerarquización del papel celular en el manejo de las interacciones genético-ambientales necesario para asimilar todo el problema a una simple cuestión de organización direccional de la estructura de cada hueso. Solo aplicando estos 6 criterios estaríamos en condiciones de responder a la incógnita planteada por el título. La conclusión de esta interpretación de la conducta y función de los huesos debería afectar el fundamento de la mayoría de las indicaciones farmacológicas destinadas al tratamiento de la fragilidad ósea. (AU)

The nature of the general behavior of our bones as weight-bearing structures is a matter of two biological concepts, namely, structure and organization, which are relevant to properly interpret, diagnose, treat, and monitor all boneweakening diseases. Different approaches can be proposed to trace the corresponding relationships. The one we present here involves six congruent criteria, namely, 1) a cosmological proposal of a common origin for everything; 2) a biological acknowledgement of a common origin for all bones; 3) the epistemological questioning of our understanding of the concrete concept of structure and the abstract notion of organization, focused on the lead idea of directionality; 4) the ecological insight that emphasizes the relevance of the mechanical environment of every organism to the naturally-selected adjustment of the mechanical properties of their mobile bones to act as struts or levers; 5) The clinical aspects of all the alluded associations; 6) The central role of bone cells to control the genetics/ environment interactions of any individual as needed to optimize the directionality of the structure of each of his/her bones to keep their mechanical ability within physiological limits. From our point of view, we could only solve the riddle posed by the title by addressing all of these six criteria. The striking conclusion of our analysis suggests that the structure (not the mass) of every bone would be controlled not only to take care of its mechanical ability, but also to cope with other properties which show a higher priority concerning natural selection. The matter would be that this interpretation of bone behavior and 'function' should affect the rationales for most pharmacological indications currently made to take care of bone fragility. (AU)

Reparación Ósea en Alvéolos de Ratas Ovariectomizadas con Biosilicato Cristalizado. Análisis Histomorfométrico / Alveolar Bone Repair in Ovarictomized Rats with Crystallized Biosilicate. Histomorphometric Analysis

RESUMEN: Evaluar el proceso de reparación alveolar en ratas sometidas a cirugía de simulacro u ovariectomizadas tras el relleno alveolar con coágulo o con biosilicato cristalino. Sesenta ratas Wistar fueron divididas en cuatro grupos (n=15) de acuerdo con el tratamiento: Grupo 1- ratas sometidas a cirugía de simulacro con alveolos rellenados con coágulo; Grupo 2- ratas sometidas a cirugía de simulacro con alveolos rellenados con biosilicato cristalino; Grupo 3- ratas ovariectomizadas con alveolos rellenados con coágulo; Grupo 4- ratas ovariectomizadas con alveolos rellenados con biosilicato cristalino. Después de 7, 14 y 28 días, los animales fueron sacrificados, se tomaron muestras óseas que fueron teñidas con hematoxilina-eosina y analizadas al microscopio para realizar un análisis histomorfométricos. Los mayores porcentajes de formación de hueso se presentaron en los grupos 1 (32 % a los 7 días, 46 % a los 14 días y 83.5 % a los 28 días) y 4 (27,1 % a los 7 días, 41,1 % a los 14 días y 79,7 % a los 28 días). En los alveolos rellenados con coágulo, las ratas sometidas a cirugía de simulacro mostraron los mejores resultados, mientras que, en los alveolos rellenados con biosilicato, las ratas ovariectomizadas tenían porcentajes significativamente mayores. En este estudio, el biosilicato cristalino se comportó como un biomaterial adecuado para la reparación ósea, favoreciendo la osteoconducción.

ABSTRACT: The objective of this study was to assess the process of alveolar bone repair in rats subjected to sham surgery or ovariectomized rats, after alveolar filling with clot or with crystalline biosilicate. Sixty Wistar rats were divided into four groups (n = 15) according to the treatment: Group 1 - rats subjected to sham surgery with sockets filled with clot; Group 2- rats submitted to sham surgery with sockets filled with crystalline biosilicate; Group 3 ovariectomized rats with sockets filled with clot; Group 4 ovariectomized rats with sockets filled with crystalline biosilicate. After 7, 14 and 28 days, the animals were sacrificed, bone samples were taken, stained with hematoxylin-eosin and analyzed under a microscope to perform a histomorphometric analysis. The highest percentages of bone formation were presented in groups 1 (32 % at 7 days, 46 % at 14 days and 83.5 % at 28 days) and 4 (27.1 % at 7 days, 41.1 % at 14 days and 79.7 % after 28 days). In the sockets filled with clot, the rats subjected to sham surgery showed the best results, while in the sockets filled with biosilicate, the ovariectomized rats had significantly higher percentages. In this study, the crystalline biosilicate behaved as an adequate biomaterial for bone repair, favoring osteoconduction.

Osseointegration of titanium implants anodized with and without fluoride in the electrolyte: a study in rats / Osteo-integración de implantes de titanio anodizado con y sin agregado de fluoruro en el electrolito: estudio en la rata

Based on the hypothesis that fluoride acts as a bone anabolic agent, the aim of this study was to measure in rats the osseointegration of implants (grade II titanium wire, 1 mm diameter, 4 mm long) submitted to anodic oxidation in 2 M phosphoric acid solution (control implants) or b) in 2 M phosphoric acid solution plus 0.2 M NaF (F-modified implants). Chemical composition of the implants surface was assessed by energy-dispersive X-ray spectroscopy. The surface of F-modified implants contained a 2.57% fluorine in weight. Adult male Sprague Dawley rats (300-350 g body weight) received two implants (in the femur and in the tibia, close to the knee) in each hind limb. Control and F-modified implants were inserted in the left and right hind limbs, respectively. Three weeks after surgery, the animals were sacrificed. The undecalcified bones were embedded in methylmetacrylate. Sections were obtained to measure two histomorphometric magnitudes: bone-toimplant contact (BIC) and bone volume in a defined volume of tissue around the implant (BV/TV). BIC was significantly increased on F-modified implants with respect to their controls (57.2%±3.3%, vs. 47.9±3.4, p<0.05). BV/TV did not differ significantly between F-modified and control implants (24.5±2.2% vs. 22.9±1.4, p=0.30). Profiles of the average gray pixel levels of pseudo3D images showed a greater roughness of F-modified implants respect to their controls (p<0.05). The relative contributions of surface roughness and its fluorine content to the osseointegration process requires further research. (AU)

Con la hipótesis de que el ión fluoruro actúa como anabólico sobre las células óseas, el objetivo de este trabajo fue determinar el grado de osteo-integración (en la rata) de implantes (alambre de titanio II, 1 mm de diámetro, 4 mm de largo) anodizados en solución de ácido fosfórico 2 M + NaF 0,2 M (implantes-F) comparados con implantes controles, anodizados en solución de ácido fosfórico 2 M. La composición química de la superficie de los implantes fue evaluada mediante el espectro de dispersión de rayos X producidos durante la observación en el microscopio electrónico de barrido. La superficie de los implantes-F contiene 2.57% de flúor. Ratas macho Sprague-Dawley recibieron dos implantes (en el fémur y en tibia, próximos a la rodilla). Los implantes-F y controles se insertaron en las patas izquierda y derecha respectivamente. En los cortes de hueso sin decalcificación previa se midió el contacto hueso-implante (BIC) y volumen óseo en un volumen definido de tejido (BV/TV). BIC fue significativamente mayor con los Implantes-F respecto de los controles (57,2±3,3% vs. 47,9±3,4, p<0,05). BV/TV no exhibió diferencias significativas entre implantes-F y controles (24,5±2,2% vs. 22,9±1,4, p=0,30). Los perfiles de los niveles de grises de los imágenes pseudo3D de las superficies de los implantes pusieron en evidencia la mayor rugosidad de los implantes-F respecto de los controles (p<0,05). Las contribuciones relativas de la rugosidad y del flúor en el proceso de osteo-integración requieren investigación adicional. (AU)

ß-ARRESTIN/CONNEXIN 43 (Cx43) complex anchors ERKS outside the nucleus: a prerequisite for bisphosphonate antiapoptotic effect mediated by Cx43/ERK in osteocytes / El complejo ß-ARRESTINA/CONEXINA 43 (Cx43) retiene ERKS fuera del núcleo: un paso necesario para el efecto anti-apoptótico de los bisfosfonatos mediado por Cx34/ERK en osteocitos

Bisphosphonates (BPs) anti-fracture efficacy may be due in part to inhibition of osteocyte apoptosis. This effect requires opening of connexin (Cx) 43 hemichannels and phosphorylation of the extracellular signal regulated kinases (ERKs). However, unlike ERK activation by other stimuli, the Cx43/ERK pathway activated by BPs does not result in nuclear ERK accumulation. Instead, the anti-apoptotic effect of BPs depends on phosphorylation of cytoplasmic ERK targets and is abolished by forced nuclear retention of ERKs. We now report that ERKs and the scaffolding protein ß-arrestin co-immuno-precipitate with Cx43 in MLO-Y4 osteocytic cells and that the BP alendronate increases this association. Moreover, ERK2 fused to red fluorescent protein (ERK2-RFP) co-localizes with Cx43 fused to green fluorescent protein outside the nucleus in cells untreated or treated with alendronate. Alendronate does not induce ERK nuclear accumulation in cells transfected with wild type ß-arrestin (wtARR) or vector control, whereas it does in cells expressing a dominant negative ß-arrestin mutant (dnARR) consisting of the ß-arrestin-clathrin binding domain that competes with endogenous ß-arrestin for binding to clathrin. Alendronate activates ERKs in dnARRtransfected cells as effectively as in cells transfected with wtARR, demonstrating that dnARR only interferes with subcellular localization but not with activation of ERKs by BPs. Further, whereas alendronate inhibits apoptosis in cells expressing wtARR or vector control, it is ineffective in cells expressing dnARR. Thus, BPs induce the formation of a complex comprising Cx43, ß-arrestin, and clathrin, which directs ERKs outside the nucleus and is indispensable for osteocyte survival induced by BPs. (AU)

La efectividad de los bisfosfonatos (BPs) en la prevención de fracturas puede deberse en parte a la inhibición de la apoptosis de osteocitos. Este efecto depende de la apertura de hemicanales de conexina (Cx) 43 y la fosforilación de quinasas reguladas por señales extracelulares (ERKs). Sin embargo, a diferencia de la activación de ERKs debida a otros estímulos, la vía de señalización Cx43/ERK activada por BPs no conlleva la acumulación de ERKs en el núcleo. El efecto anti-apoptótico de los BPs depende de la fosforilación de blancos citoplasmáticos de ERKs y es inhibido cuando las quinasas son retenidas en el núcleo. En este estudio hemos demostrado que ERKs y la proteína "scaffolding" ß-arrestina co-inmunoprecipitan con Cx43 en células osteocíticas MLO-Y4 y que alendronato aumenta esta asociación. Más aún, ERK2 fusionada a la proteína roja fluorescente (ERK2-RFP) co-localiza con Cx43 fusionada con la proteína verde fluorescente fuera del núcleo en células tratadas con vehículo o alendronato. Alendronato no indujo la acumulación nuclear de ERK en células transfectadas con ß-arrestina nativa (wtARR) o con un vector control, pero si lo hizo en células que expresan una forma dominante negativa de ß-arrestina (dnARR), consistente en el dominio de interacción entre ß-arrestina y clatrina, y que compite con ß-arrestina endógena por la unión a clatrina. Alendronato activa ERKs con la misma eficiencia en células transfectadas con dnARR o wtARR, demostrando que dnARR sólo interfiere con la localización subcelular de ERKs, pero no con su activación inducida por los BPs. Más aún, mientras alendronato inhibe apoptosis en células que expresan wtARR o vector control, es inefectivo en células que expresan dnARR. En conclusión, los BPs inducen la formación de un complejo que incluye Cx43, ß-arrestina y clatrina, el cual retiene ERKs fuera del núcleo y es indispensable para la sobrevida de los osteocitos inducida por estas drogas. (AU)

Osteócitos: sobre o papel central dessas células na biopatologia óssea / Osteocytes: on the central role of these cells in osseous pathobiology

Os alvos principais na compreensão da biopatologia óssea centravam-se nos osteoblastos e clastos, mas nos últimos anos têm se deslocado para os osteócitos — como mecanotransdutores do tecido ósseo, a partir da rede tridimensional, pelo entrelaçamento e contato de seus prolongamentos interligando uma célula a outras 20 a 40, tal qual uma rede neural. Pela mecanotransdução e a partir de mediadores como a esclerostina e o RANKL, os osteócitos podem influenciar na biopatologia óssea por interferirem na atividade dos osteoblastos e clastos. Quando necessário mais osso, os osteócitos liberam menos esclerostina; quando é necessário inibir a formação óssea, os osteócitos liberam mais esclerostina. O RANKL está ligado à osteoclastogênese local para que se tenha mais células capazes de reabsorver a matriz mineralizada. Algumas terapêuticas inovadoras das doenças ósseas metabólicas têm tido como alvo esses mediadores e os osteócitos. Estudar a presença e os efeitos específicos da esclerostina e do RANKL na osseointegração pode levar a um maior detalhamento de seus fenômenos biológicos.

The main targets for the comprehension of bone pathobiology were focused in osteoblasts and clasts, but in recent years it has shifted to the osteocytes — as mechanotransductors of the bone tissue, from the three-dimensional network, by interconnecting its extensions linking a cell to other 20 to 40, like a neural network. By mechanotransduction and from mediators as sclerostin and RANKL, the osteocytes may influence bone pathobiology by interfering with the activity of osteoblasts and clasts. When more bone is necessary, osteocytes release less sclerostin, when it is necessary to inhibit bone formation, osteocytes release more sclerostin. RANKLis connected to local osteoclastogenesis in order to have more cells capable of reabsorbing the mineralized matrix. New therapeutic ways of controlling the metabolic bone diseases have been targeted at these mediators. Studying the presence and the specific effects of sclerostin and RANKL in osseointegration can lead to greater detailing of their biological phenomena.

Influence of the microenvironment on gene and protein expression of odontogenic-like and osteogenic-like cells

Progenitor cells play an important biological role in tooth and bone formation, and previous analyses during bone and dentine induction have indicated that they may be a good alternative for tissue engineering. Thus, to clarify the influence of the microenvironment on protein and gene expression, MDPC-23 cells (mouse dental papilla cell line) and KUSA/A1 cells (bone marrow stromal cell line) were used, both in vitro cell culture and in intra-abdominal diffusion chambers implanted in 4-week-old male immunodefficient mice (SCID mice). Our results indicate that KUSA/A1 cells differentiated into osteoblast-like cells and induced bone tissue inside the chamber, whereas, MDPC-23 showed odontoblast-like characteristics but with a low ability to induce dentin formation. This study shows that MDPC-23 cells are especial cel ls, which possess morphological and functional characteristics of odontoblast-like cells expressing dentin sialophosphoprotein in vivo. In contrast, dentin sialophosphoprotein gene and protein expression was not detected in both cell lines in vitro. The intra-abdominal diffusion chamber appears as an interesting experimental model for studying phenotypic expression of dental pulp cells in vivo.

In vitro neuronal and osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells from human umbilical cord blood

Mesenchymal stem cells (MSCs) have the capabilities for self-renewal and differentiation into cells with the phenotypes of bone, cartilage, neurons and fat cells. These features of MSCs have attracted the attention of investigators for using MSCs for cell-based therapies to treat several human diseases. Because bone marrowderived cells, which are a main source of MSCs, are not always acceptable due to a significant drop in their cell number and proliferative/differentiation capacity with age, human umbilical cord blood (UCB) cells are good substitutes for BMCs due to the immaturity of newborn cells. Although the isolation of hematopoietic stem cells from UCB has been well established, the isolation and characterization of MSCs from UCB still need to be established and evaluated. In this study, we isolated and characterized MSCs. UCB-derived mononuclear cells, which gave rise to adherent cells, exhibited either an osteoclast or a mesenchymal-like phenotype. The attached cells with mesenchymal phenotypes displayed fibroblast-like morphologies, and they expressed mesenchymal-related antigens (SH2 and vimentin) and periodic acid Schiff activity. Also, UCB-derived MSCs were able to transdifferentiate into bone and 2 types of neuronal cells, in vitro. Therefore, it is suggested that the MSCs from UCB might be a good alternative to bone marrow cells for transplantation or cell therapy.

Efeito do treinamento físico sobre o tecido ósseo e a concentracão sérica de cálcio em camundongos fêmeas ovariectomizadas / Effect of physical training on the bone tissue and the calcium serum concentration in ovariectomized mice

OBJETIVO: Investigar as possíveis alteracões morfométricas no tecido ósseo e na concentracão sérica de cálcio em camundongos ovariectomizadas submetidas ao treinamento físico. MÉTODOS: Cinqüenta camundongos fêmeas, com 90 dias de idade, distribuídos em 5 grupos (n=10): controle (C), pseudo-operado sedentário (POS), pseudo-operado treinado (POT), ovariectomizado sedentário (OVS) e ovariectomizado treinado (OVT). Os grupos OVS e OVT foram submetidos a ovariectomia, e os grupos POS e POT a uma pseudo-cirurgia. Trinta dias após a cirurgia, os grupos POT e OVT foram submetidos ao exercício físico, durante 05 semanas em esteira elétrica a uma velocidade de 20 m/min. Os demais animais permaneceram sedentários no mesmo período. Após esse período os animais foram sacrificados, coletando o sangue para realizacão de dosagens séricas de cálcio e os fêmures direitos para estudo histomorfométrico. RESULTADOS: A concentracão sérica de cálcio no grupo OVT apresentou-se mais baixa do que nos demais grupos (p<0,05). A massa dos fêmures mostrou-se superior em relacão ao grupo controle, nos grupos POT e OVT (p<0,05). A densidade média de osteócitos foi mais alta no grupo OVS (p<0,05). O valor médio da área dos osteócitos mostrou diferenca apenas entre os grupos POS e OVS (p<0,05). Não houve diferencas no comprimento ósseo nem no perímetro dos osteócitos. CONCLUSAO: O exercício, em parte, preveniu as alteracões do tecido ósseo decorrentes da ovariectomia e possibilitou um aumento da formacão óssea.

O efeito molecular e estrutural do hormônio tiroideano no esqueleto / The molecular and structural effects of thyroid hormone in the skeleton

O hormônio tiroideano é essencial para o desenvolvimento, maturação e metabolismo ósseos normais. Durante o desenvolvimento, a deficiência do hormônio tiroideano resulta em atraso na maturação do esqueleto e disgênese das epífises, resultando em redução do crescimento e anormalidades esqueléticas. O hormônio tiroideano também tem efeito no osso do adulto. A tirotoxicose é freqüentemente associada ao aumento do metabolismo ósseo e diminuição da massa óssea. Embora a importância do hormônio tiroideano no desenvolvimento e metabolismo ósseos seja clara, os mecanismos que medeiam os efeitos desse hormônio no tecido ósseo apenas começam a ser desvendados. O hormônio tiroideano pode atuar indiretamente no esqueleto, aumetando a secreção de hormônio do crescimento (GH) e insulin-like growth factor-1 (IGF-1); ou diretamente, modulando genes alvo via receptores nucleares específicos. Não se sabe, entretanto, se os principais efeitos do hormônio tiroideano no osso são resultado de ações diretas ou indiretas. Achados in vitro, tais como a presença de receptores de hormônio tiroideano (TR) e a indução de genes e proteínas em células esqueléticas pelo hormônio tiroideano, evidenciam a importância de ações diretas. Esta revisão tem como meta sumarizar os achados in vivo e in vitro relacionados aos efeitos do hormônio tiroideano no esqueleto.

Osteoprotegerin is present on the membrane of osteoclasts isolated from mouse long bones

Osteoprotegerin (OPG), a member of the tumor necrosis factor receptor superfamily, is known to inhibit osteoclastogenesis by acting as a soluble decoy receptor for the receptor activator of NF-kB ligand (RANKL). We report the presence of OPG on the membrane of osteoclasts and the possibility of the direct action of OPG on them. Highly pure osteoclast precursors were isolated from mouse long bones and induced to differentiate into mature osteoclasts by M-CSF and soluble RANKL (sRANKL). The presence of OPG on the membrane of these cells was confirmed by western blotting and immunostaining. Furthermore, sRANKL was found to be bound to the OPG on the osteoclast precursors. These results suggest that OPG might have a new role during the differentiation of osteoclasts beyond its role as a soluble decoy receptor. The mechanism of the existence of OPG on osteoclast precursors remains to be found.

Estudo comparativo da biocompatibilidade entre implantes de titânio com e sem cobertura de hidroxiapatita / Bioavailability study comparing titanium plugs with and without hydroxyapatite coating

O uso de implantes metálicos tem sido demonstrado em estudos comparativos por grande número de autores. No presente trabalho experimental foram implantados plugs de titânio com e sem cobertura de hidroxiapatita (HA) no canal de ambos os fêmures, em ratos albinos, a fim de analisar aspectos histológicos e radiológicos da osteintegraçao implante-osso. As cobaias foram abatidas em 4, 12, 24 semanas de evoluçao, tendo sido retirados os fêmures, radiografados, fixados em formol a 10 por cento e realizados cortes para estudo histológico. Evidenciou-se que implantes com cobertura de hidroxiapatita induzem a formaçao óssea satisfatória e, em oposiçao a isso, com implantes sem coberturas (titânio jateado + ionizado, titânio jateado + ionizado + titânio oxidado), houve osteintegraçao pobre, sendo esta substituída por interface de tecido conjuntivo fibroso.

Avaliaçäo da capacidade regenerativa do tecido ósseo, observada histologicamente, na presença da guia de regeneraçäo tecidual - Gengiflex / Evaluation of regenerative capacity of bony tissue histologic study using a guide of tissue regeneration - Gengiflex: experimental study in rabbits

O presente estudo experimental realizado em coelhos, teve como objetivo avaliar a capacidade regenerativa do tecido ósseo frente a uma membrana biológica denominada Gengiflex. Foram utilizados 40 coelhos da raça Nova Zelândia nos quais foram inseridos, cirurgicamente, junto ao periósteo, a membrana Gengiflex. A membrana foi colocada de maneira que cobrisse o orifício de 2 mm feito por uma broca cirúrgica a 5 mil RPM. Os animais foram sacrificados em períodos alternados de sete, quinze, trinta e noventa dias. As peças operatórias foram removidas e processadas pela técnica histológica, e coradas com hematoxilina e eosina, e os resultados observados estäo de acordo com os achados de outros autores, confirmando que as membranas excluem as células oriundas do periósteo, permitindo a regeneraçäo do tecido ósseo a partir do coágulo, endósteo e fatores de crescimento. O período de sete dias mostrou grande atividade osteoblástica que também se faz presente aos quinze dias e diminui gradativamente até 90 dias, quando o tecido ósseo está totalmente formado. Conclui-se que a membrana Gengiflex, além de permitir a regeneraçäo do tecido ósseo, evita a presença de células oriundas do periósteo e que estudos mais aprofundados devam ser realizados