Abstract Rheumatoid arthritis and osteoarthritis are two chronic joint diseases, which cause two of the largest socioeconomical burdens among all joint diseases according to the World Health Organization. Both diseases are associated with changes in bone structure and bone cell, especially osteoclast, function. The etiology or pathogenesis of these diseases are not completely understood. Traditionally, osteoarthritis is seen as a disease resulting from mechanical wear of cartilage and bone, and rheumatoid arthritis as an autoinflammatory disease of synovial tissue. However, also in osteoarthritis chronic inflammation is present in synovial tissue, and in rheumatoid arthritis large changes in bone structure are seen. The field of study focusing on this connection between inflammation and bone is called osteoimmunology and it can explain many features of these chronic diseases linking joint health to disturbances in bone homeostasis. Here, the study focused on the function of osteoclasts in normal and pathological environments, and on the factors that have an effect on bone resorption, with a special emphasis on the protein osteopontin. Samples of synovial fluid and serum from rheumatoid arthritis and osteoarthritis patients were analyzed for factors affecting osteoclasts, and in vitro cell cultures of human derived osteoclasts were used to analyze osteoclast function in normal and pathological environment. The phosphorylation of osteopontin was found to be increased in rheumatoid arthritis, along with multiple other inflammatory factors that also affect osteoclasts, such as IL-6, IL-8 and VEGF. Osteoclast cell cultures showed how the use of different patient samples significantly affected osteoclastogenesis, due to so-called inflammatory osteoclastogenesis. Additionally, we show that osteoclasts deposit osteopontin into the resorption lacunae during bone resorption. Based on the results, the inflammatory component present in both osteoarthritis and rheumatoid arthritis significantly affects osteoclast function, and its further study in the future may reveal new therapeutic possibilities. Especially the new discoveries of osteopontin’s role in normal osteoclast function and its changes seen between osteoarthritis and rheumatoid arthritis may prove to have therapeutic potential. / Tiivistelmä Nivelreuma ja nivelrikko ovat kroonisia nivelsairauksia, jotka Maailman terveysjärjestön (WHO) mukaan aiheuttavat eniten sosioekonomista haittaa. Molemmissa sairauksissa luiden rakenteessa ja luusolujen, erityisesti osteoklastien, toiminnassa tapahtuu muutoksia. Kummankaan taudin etiologiaa tai patogeneesiä ei täysin tunneta. Perinteisesti ajatellaan, että nivelrikko johtuu rusto- ja luukudoksen mekaanisesta kulumisesta ja nivelreuma nivelkalvon autoinflammatoorisesta tulehduksesta. Kuitenkin nivelrikossa nähdään myös selkeä nivelkalvon krooninen tulehdus ja nivelreumassa suuria luun rakenteen muutoksia. Tutkimusala, joka tutkii tulehduksen ja luun yhteyttä, on nimeltään osteoimmunologia. Tässä väitöskirjassa tutkitaan osteoklastien toimintaa ja niihin vaikuttavia tekijöitä, erityisesti proteiini osteopontiinia, normaalissa ja tautiympäristössä. Analysoin osteoklasteihin vaikuttavia tekijöitä nivelrikko- ja nivelreumapotilaiden näytteistä sekä osteoklastien toimintaa soluviljelmissä. Soluviljelmissä käytettiin nivelreuma- ja nivelrikkopotilaiden näytteitä mahdollisimman totuudenmukaisen ympäristön luomiseksi osteoklasteille. Tutkimuksessa osoitettiin, kuinka osteopontiinin fosforylaatio on lisääntynyt nivelreumapotilaiden nivelnesteessä. Myös useiden muiden osteoklasteihin vaikuttavien tekijöiden, kuten IL-6:n, IL-8:n ja VEGF:n, havaittiin lisääntyneen nivelreumassa. Osteoklastien soluviljelmissä havaittiin selkeät erot siinä, miten eri potilasnäytteet vaikuttavat osteoklasteihin ja erityisesti tulehduksen aiheuttamaan osteoklastien syntyyn. Osoitan myös, miten osteoklastit erittävät osteopontiinia luunhajotuskuoppaan luun hajotuksen aikana. Tutkimustulosten mukaan krooninen tulehdustila nivelrikossa ja nivelreumassa vaikuttaa huomattavasti osteoklastien toimintaan. Uskon, että lisätutkimukset tällä saralla voivat paljastaa uusia hoidollisia mahdollisuuksia. Erityisesti uudet löydökset osteopontiinin roolista osteoklastien toiminnassa sekä muutoksista nivelrikossa ja nivelreumassa vaativat jatkotutkimuksia, jotta proteiinin kliininen merkittävyys saadaan selvitettyä.

Abstract Osteoclasts are multinuclear bone degrading cells differentiated from monocytes which can be isolated from bone marrow and peripheral blood. Complex signaling between osteoclast precursors and other bone cells, such as mesenchymal stromal cells (MSC) occurs during the differentiation. Gap junctional communication (GJC) is one of the mechanisms in the cell fusion. GJC can be modulated with several substances such as the specific GJC stimulators, antiarrhythmic peptides (AAP). Due to their promising clinical value in the treatment of cardiac disorders, the effects of AAPs in cardiac tissue are studied extensively. This study was conducted in order to investigate the roles of GJC and AAPs in bone cell cultures. Further, the contribution of the MSCs on the effects of AAPs was studied along with comparison of two types of osteoclastogenesis cultures with differing quantities of MSCs. GJC in osteoclastogenesis was studied with both GJC inhibitors and stimulators in mouse monocyte line RAW 264.7 cells and primary cultures with bone marrow hematopoietic cells. The following studies were made with human monocytes from peripheral blood and bone marrow where the effects of AAP10 were investigated in normal and acidic environments. In addition, comparison of osteoclastogenesis from bone marrow and peripheral blood monocytes was carried out in in vitro cell cultures on bovine or human bone slices. The cells were analyzed with regard to multinuclearity, bone resorption and the expression of several osteoclast markers. The results show that GJC is utilized in osteoclastogenesis, but it is not indispensable. GJC in monocytes can be stimulated with the AAPs during osteoclastogenesis, but the effects depend on the culture conditions as well as on the presence of MSCs in the culture. The AAPs can also activate the MSCs leading to indirect regulation of osteoclastogenesis, as the MSCs produce several molecules affecting the differentiation. Further, monocytes from peripheral blood showed increased potential for osteoclastogenic differentiation compared to bone marrow derived monocytes. This can be explained by the presence of the osteoclastogenesis-controlling MSCs in the bone marrow culture, while the peripheral blood cultures contain only few of these cells and thus lack their regulatory effects. / Tiivistelmä Osteoklastit ovat monitumaisia luuta hajottavia soluja, jotka ovat erilaistuneet monosyyteistä. Monosyyttejä voidaan eristää luuytimestä tai perifeerisestä verestä. Erilaistumisen aikana osteoklastien esiastesolujen sekä muiden luusolujen, kuten mesenkymaalisten stroomasolujen (MSC) välillä tapahtuu monimutkaista signalointia. Aukkoliitoskommunikointi (GJC) on eräs solufuusiossa tapahtuvista mekanismeista. GJC:tä voidaan muunnella useilla aineilla, esimerkiksi spesifisillä stimulaattoreilla, antiarytmisillä peptideillä (AAP). AAP-yhdisteiden vaikutuksia on tutkittu laajalti sydänkudoksessa johtuen niiden lupaavista kliinisistä ominaisuuksista sydänperäisten oireiden hoidossa. Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli selvittää GJC:n ja AAP-yhdisteiden roolia luusoluviljelmissä. Lisäksi tutkittiin MSC-solujen osallistumista AAP-yhdisteiden vaikutuksiin sekä vertailtiin kahta erilaista osteoklastogeneesiviljelmää, joissa oli eri määrä MSC-soluja. GJC:tä osteoklastogeneesissä tutkittiin sekä sitä estävillä että stimuloivilla yhdisteillä hiiren monosyyttilinjan RAW 264.7 -soluissa sekä luuytimen hematopoieettisten solujen primääriviljelmissä. Seuraavat tutkimukset tehtiin ihmisen luuytimen ja perifeerisen veren monosyyteillä, ja niissä selvitettiin AAP10-yhdisteen vaikutuksia fysiologisissa sekä happamissa olosuhteissa. Lisäksi vertailtiin luuytimen ja perifeerisen veren monosyyttien osteoklastogeneesiä. In vitro -soluviljelmät tehtiin naudan tai ihmisen luulastujen päällä, ja soluista analysoitiin monitumaisuus, luun resorptio sekä useiden osteoklastimarkkereiden ilmentyminen. Tulokset osoittavat, että GJC:tä hyödynnetään osteoklastogeneesissä, mutta se ei ole korvaamaton mekanismi. GJC:tä voidaan stimuloida AAP-yhdisteillä osteoklastogeneesin aikana, mutta vaikutukset riippuvat viljelyolosuhteista sekä MSC-solujen läsnäolosta. AAP-yhdisteet voivat aktivoida myös MSC-soluja johtaen osteoklastogeneesin epäsuoraan säätelyyn, kun MSC-solut tuottavat useita erilaistumiseen vaikuttavia molekyylejä. Lisäksi perifeerisen veren monosyyteillä havaittiin korkeampi osteoklastogeeninen erilaistumispotentiaali verrattuna luuytimen monosyytteihin. Tulokset voidaan selittää osteoklastogeneesiä säätelevien MSC-solujen läsnäololla luuydinviljelmissä, kun taas perifeerisen veren monosyyttiviljelmissä näitä soluja on vain vähän, jolloin myös niiden säätelyominaisuudet puuttuvat.

Abstract Bone remodelling occurs in humans throughout life, therefore bone is continuously renewed to better respond to changes in weightbearing circumstances. Bone remodelling is extremely vulnerable during fracture healing and integration of prostheses into the surrounding bone. Bone remodelling is a complex system in which many growth factors, cytokines and enzymes, which are essential for the differentiation of osteoblasts and osteoclasts, are involved. Some widely used drugs can affect this sensitive system of remodellation in unexpected manner. Painkillers such as cyclooxygenase (COX) inhibitors have been demonstrated in animal studies to interfere with fracture healing and a few retrospective clinical studies confirm these observations. Bisphosphonates (BP), main target of which is the bone resorbing osteoclast, have been suggested to be the drug of choice to improve periprosthetic bone density and thus prevent aseptic loosening of implants. The exact mechanism of action of clodronate (CLO), a non-amino-BP, which was selected for the study, has not been clarified thus far. In order to gain a deeper understanding of the role of the COX enzyme in the differentiation of osteoblasts we studied human mesenchymal stem cell (hMSC) cultures in the presence of different COX-inhibitors; indomethacine, parecoxib and NS398, a specific COX-2 inhibitor. We used the liposome encapsulated CLO metabolite (AppCCl2p) to study in detail the mechanism of BP induced apoptosis in osteoclast. The effects of different BPs CLO, pamidronate (PAM) and zoledronic acid (ZOL), on the differentiation of osteoblasts and osteoclasts were tested in vitro. The optimal concentration for in situ CLO rinsing in clinical study was found. Finally, the effects of in situ and per oral CLO on the periimplant bone density and integration of prostheses were studied in vivo. All tested COX-inhibitors significantly inhibited osteoblast differentiation from hMSCs and stimulated the differentiation of adipocytes. It was also demonstrated that AppCCl2p inhibits mitochondrial function by a mechanism that involves competitive inhibition of ADP/ATP translocase. In the comparison of BPs, ZOL seemed to posses the properties of both non-amino- and amino-BPs and it thus belongs to a new class of BPs. Peroral and in situ CLO seemed to have different mechanisms of action. Peroral CLO delayed the integration of prosthesis to the bone and increased peri-implant osteolysis while is situ CLO accelerated integration. In conclusion, we can alter normal bone remodellation during fracture healing and prosthesis integration. On the other hand, we can also improve the circumstances for the integration of implant to the surrounding bone by in situ BP rinsing, thus creating a better environment for bone ingrowth. / Tiivistelmä Läpi elämän luustossa tapahtuu uudelleenmuotoutumista, remodelaatiota, jonka seurauksena luu pystyy paremmin vastaamaan muuttuneisiin kuormitusolosuhteisiin. Remodelaatioprosessi on hyvin haavoittuvainen murtuman luutumisen aikana sekä proteesin kiinnittyessä ympäröivään luuhun. Luun remodelaatioon osallistuvat kasvutekijät, sytokiinit ja entsyymit, jotka puolestaan ovat välttämättömiä osteoblastien ja osteoklastien erilaistumiselle. Monet lääkeaineet voivat yllättävällä tavalla vahingoittaa tätä herkkää remodelaatiosysteemiä. Kipulääkkeet, kuten syklo-oksygenaasi (COX) estäjät, voivat häiritä murtuman luutumista aikaisempien eläintöiden ja muutamien retrospektiivisten potilastutkimusten mukaan. Lisäksi bisfosfonaatit, joiden päävaikutuskohde on luuta hajoittava osteoklasti, voisivat olla lupaavia lääkkeitä myös parantamaan proteesia ympäröivän luun laatua ja siten estämään aseptista implantin irtoamista. Tutkimuksen yhtenä tarkoituksena oli selvittää klodronaatin, ensimmäisen polven typpi-ryhmää sisältämättömän bisfosfonaatin tarkka vaikutusmekanismi. Viljelemällä ihmisen luuytimen kantasoluja indometasiinia, parekoksibia tai spesifistä COX-2 estäjää NS 398:a, sisältävässä kasvatusliuoksessa selvitettiin COX-entsyymin merkitys osteoblastien erilaistumiselle. Liposomien sisälle pakattua klodronaatin metaboliittia (AppCCl2p) käytettiin tutkittaessa millä vaikutusmekanismilla klodronaatti aiheuttaa osteoklastien apoptoosin. Bisfosfonaattien; klodronaatin, pamidronaatin ja tsoledronaatin vaikutusta osteoklastien ja osteoblastien erilaistumiseen tutkittiin soluviljelmämallissa ja määritettiin kliinisessä potilastyössä paikallisesti käytettävän klodronaattiliuoksen pitoisuus. Lopuksi potilastyössä selvitettiin paikallisen klodronaattihuuhtelun ja suun kautta annostellun klodronaatin vaikutus proteesia ympäröivän luun tiheyteen ja proteesin kiinnittymiseen ympäristöönsä. Tutkimukseen valitut COX-estäjät vähensivät ihmisen kantasolujen erilaistumista osteoblasteiksi ja lisäsivät erilaistumista rasvasoluiksi. Lisäksi todettiin, että AppCCl2p estää mitokondrioissa tapahtuvaa hengitystä estämällä ADP/ATP-vaihtajan toiminnan, saaden aikaan solukuoleman. Vertailtaessa bisfosfonaatteja, tsoledronaatilla vaikutti olevan sekä ensimmäisen, että kolmannen polven (sisältää typpi-ryhmän) bispfosfonaattien vaikutuksia, joten tsoledronaatti kuuluu aivan uuteen bisfosfonaattiryhmään. Potilastutkimuksessa suun kautta ja paikallisesti reisiluun ytimeen annostellulla klodronaatilla oli täysin erilainen vaikutus. Suun kautta syötynä klodronaatti hidasti proteesin kiinnittymistä ja aiheutti osteolyysiä. Sen sijaan paikallinen klodronaatti nopeutti merkittävästi proteesin kiinnittymistä ympäröivään luuhun. Näiden tutkimustulosten perusteella voidaan olettaa, että COX-estäjät, samoin kuin peroraalinen bisfosfonaatti, voivat tahattomasti häiritä luun remodelaatiota.