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Osteocytes and their cell processes reside in a large, interconnected network of voids pervading the mineralized bone matrix of most vertebrates. This osteocyte lacuno-canalicular network (OLCN) is believed to play important roles in mechanosensing, mineral homeostasis, and for the mechanical properties of bone. While the extracellular matrix structure of bone is extensively studied on ultrastructural and macroscopic scales, there is a lack of quantitative knowledge on how the cellular network is organized. Using a recently introduced imaging and quantification approach, we analyze the OLCN in different bone types from mouse and sheep that exhibit different degrees of structural organization not only of the cell network but also of the fibrous matrix deposited by the cells. We define a number of robust, quantitative measures that are derived from the theory of complex networks. These measures enable us to gain insights into how efficient the network is organized with regard to intercellular transport and communication. Our analysis shows that the cell network in regularly organized, slow-growing bone tissue from sheep is less connected, but more efficiently organized compared to irregular and fast-growing bone tissue from mice. On the level of statistical topological properties (edges per node, edge length and degree distribution), both network types are indistinguishable, highlighting that despite pronounced differences at the tissue level, the topological architecture of the osteocyte canalicular network at the subcellular level may be independent of species and bone type. Our results suggest a universal mechanism underlying the self-organization of individual cells into a large, interconnected network during bone formation and mineralization.
Osteozyten stehen vermehrt im Fokus als wesentliche Regulatoren der Knochenmineralisierung. Das ähnlich einem neuronalen Netzwerk aufgebaute lakunokanalikuläre Netzwerk der Osteozyten breitet sich im Knochen in drei Ebenen aus. Es wurde in dieser Arbeit ein 3D-Kollagengel-Modell verwendet und dort die Osteoblasten- bzw. Osteozytenzelllinien MLO-A5 und MLO-Y4, sowie humane mesenchymale Stammzellen aus Hüftköpfen eingebettet. Es wurden die optimalen Kulturbedingungen entwickelt und die Zellen über mehrere Wochen kultiviert, beobachtet und mit dem herkömmlichen 2D-Kulturmodell verglichen. MLO-A5 und MLO-Y4 bilden die zelltypischen Zellfortsätze. Die Gele kontrahieren, wenn hMSC und MLO-A5 eingebettet sind, mit MLO-Y4 zeigt sich über den gesamten Kultivierungszeitraum keinerlei Kontraktion der Kollagengele. Die Zellen wurden zudem osteogen differenziert und mit FGF23 und Klotho stimuliert. Es ergaben sich erste Hinweise auf eine FGF23 / Klotho-abhängige Inhibierung der lokalen Mineralisierung in osteogen differenzierten MLO-A5.
Es konnten einige osteogene Marker durch PCR und in den histologischen Schnitten mittels Antikörperfärbungen nachgewiesen werden, eindeutige Expressionsmuster und deren zeitliche Verläufe im Vergleich der osteogenen Differenzierungen und Zugabe von FGF23 und Klotho sind allerdings noch nicht identifizierbar und bedürfen womöglich höherer Fallzahlen und weiterer Untersuchungsmethoden. Insgesamt gesehen erweist sich das System aber als einfach und mit niederschwellig erreichbaren Methoden und Materialien durchzuführen.