Osteoporosis and other diseases of bone loss are a major public health problem. Here it is shown that the statins, drugs widely used for lowering serum cholesterol, also enhance new bone formation in vitro and in rodents. This effect was associated with increased expression of the bone morphogenetic protein–2 ( BMP-2 ) gene in bone cells. Lovastatin and simvastatin increased bone formation when injected subcutaneously over the calvaria of mice and increased cancellous bone volume when orally administered to rats. Thus, in appropriate doses, statins may have therapeutic applications for the treatment of osteoporosis.

Osteoclasts, the cells that resorb bone, develop from hematopoietic precursors of the bone marrow under the control of factors produced in their microenvironment. The cytokine interleukin-6 can promote hematopoiesis and osteoclastogenesis. Interleukin-6 production by bone and marrow stromal cells is suppressed by 17β-estradiol in vitro. In mice, estrogen loss (ovariectomy) increased the number of colony-forming units for granulocytes and macrophages, enhanced osteoclast development in ex vivo cultures of marrow, and increased the number of osteoclasts in trabecular bone. These changes were prevented by 17β-estradiol or an antibody to interleukin-6. Thus, estrogen loss results in an interleukin-6-mediated stimulation of osteoclastogenesis, which suggests a mechanism for the increased bone resorption in postmenopausal osteoporosis.

Bisphosphonates inhibit bone resorption and are therapeutically effective in diseases of increased bone turnover, such as Paget's disease and hypercalcemia of malignancy. The mechanisms by which they act remain unclear. Proposed mechanisms include inhibition of osteoclast formation from precursors and inhibitory or toxic effect on mature osteoclasts. We have developed a new in vitro model to study osteoclast survival and in this paper present in vitro and in vivo evidence that may explain both the observed reduction in osteoclast numbers and in bone resorption by mature osteoclasts, namely that bisphosphonates induce programmed cell death (apoptosis). Three bisphosphonates (risedronate, pamidronate, and clodronate) caused a 4- to 24-fold increase in the proportion of osteoclasts showing the characteristic morphology of apoptosis in vitro. This observation was confirmed in vivo in normal mice, in mice with increased bone resorption, and in nude mice with osteolytic cancer metastases, with similar-fold increases to those observed in vitro. Of the three compounds, risedronate, the most potent inhibitor of bone resorption in vivo, was the strongest inducer of osteoclast apoptosis in vitro. Osteoclast apoptosis may therefore be a major mechanism whereby bisphosphonates reduce osteoclast numbers and activity, and induction of apoptosis could be a therapeutic goal for new antiosteoclast drugs.

NF-κB is a family of related, dimeric transcription factors that are readily activated in cells by signals associated with stress or pathogens. These factors are critical to host defense, as demonstrated previously with mice deficient in individual subunits of NF-κB. We have generated mice deficient in both the p50 and p52 subunits of NF-κB to reveal critical functions that may be shared by these two highly homologous proteins. We now demonstrate that unlike the respective single knockout mice, the p50/p52 double knockout mice fail to generate mature osteoclasts and B cells, apparently because of defects that track with these lineages in adoptive transfer experiments. Furthermore, these mice present markedly impaired thymic and splenic architectures and impaired macrophage functions. The blocks in osteoclast and B-cell maturation were unexpected. Lack of mature osteoclasts caused severe osteopetrosis, a family of diseases characterized by impaired osteoclastic bone resorption. These findings now establish critical roles for NF-κB in development and expand its repertoire of roles in the physiology of differentiated hematopoietic cells.

To define the cell populations that drive joint inflammation in rheumatoid arthritis (RA), we applied single-cell RNA sequencing (scRNA-seq), mass cytometry, bulk RNA sequencing (RNA-seq) and flow cytometry to T cells, B cells, monocytes, and fibroblasts from 51 samples of synovial tissue from patients with RA or osteoarthritis (OA). Utilizing an integrated strategy based on canonical correlation analysis of 5,265 scRNA-seq profiles, we identified 18 unique cell populations. Combining mass cytometry and transcriptomics revealed cell states expanded in RA synovia: THY1(CD90)+HLA-DRAhi sublining fibroblasts, IL1B+ pro-inflammatory monocytes, ITGAX+TBX21+ autoimmune-associated B cells and PDCD1+ peripheral helper T (TPH) cells and follicular helper T (TFH) cells. We defined distinct subsets of CD8+ T cells characterized by GZMK+, GZMB+, and GNLY+ phenotypes. We mapped inflammatory mediators to their source cell populations; for example, we attributed IL6 expression to THY1+HLA-DRAhi fibroblasts and IL1B production to pro-inflammatory monocytes. These populations are potentially key mediators of RA pathogenesis. Defining cell types and their activation status in rheumatoid arthritis (RA) is critical to understanding this disease. Raychaudhuri and colleagues leverage several single-cell -omics approaches to define the cellular processes and pathways in the human RA joint.

Breast cancer almost invariably metastasizes to bone in patients with advanced disease and causes local osteolysis. Much of the morbidity of advanced breast cancer is a consequence of this process. Despite the importance of the problem, little is known of the pathophysiology of local osteolysis in the skeleton or its prevention and treatment. Observations in patients with bone metastases suggest that breast cancer cells in bone express parathyroid hormone-related protein (PTHrP) more frequently than in soft tissue sites of metastasis or in the primary tumor. Thus, the role of PTHrP in the causation of breast cancer metastases in bone was examined using human breast cancer cell lines. Four of eight established human breast cancer cell lines expressed PTHrP and one of these cell lines, MDA-MB-231, was studied in detail using an in vivo model of osteolytic metastases. Mice inoculated with MDA-MB-231 cells developed osteolytic bone metastasis without hypercalcemia or increased plasma PTHrP concentrations. PTHrP concentrations in bone marrow plasma from femurs affected with osteolytic lesions were increased 2.5-fold over corresponding plasma PTHrP concentrations. In a separate experiment, mice were treated with either a monoclonal antibody directed against PTHrP(1-34), control IgG, or nothing before tumor inoculation with MDA-MB-231 and twice per week for 26 d. Total area of osteolytic lesions was significantly lower in mice treated with PTHrP antibodies compared with mice receiving control IgG or no treatment. Histomorphometric analysis of bone revealed decreased osteoclast number per millimeter of tumor/bone interface and increased bone area, as well as decreased tumor area, in tumor-bearing animals treated with PTHrP antibodies compared with respective controls. These results indicate that tumor-produced PTHrP can cause local bone destruction in breast cancer metastatic to bone, even in the absence of hypercalcemia or increased circulating plasma concentrations of PTHrP. Thus, PTHrP may have an important pathogenetic role in the establishment of osteolytic bone lesions in breast cancer. Neutralizing antibodies to PTHrP may reduce the development of destructive bone lesions as well as the growth of tumor cells in bone.

The mechanisms by which bone resorbing osteoclasts form and are activated by hormones are poorly understood. We show here that the generation of oxygen-derived free radicals in cultured bone is associated with the formation of new osteoclasts and enhanced bone resorption, identical to the effects seen when bones are treated with hormones such as parathyroid hormone (PTH) and interleukin 1 (IL-1). When free oxygen radicals were generated adjacent to bone surfaces in vivo, osteoclasts were also formed. PTH and IL-1-stimulated bone resorption was inhibited by both natural and recombinant superoxide dismutase, an enzyme that depletes tissues of superoxide anions. We used the marker nitroblue tetrazolium (NBT) to identify the cells that were responsible for free radical production in resorbing bones. NBT staining was detected only in osteoclasts in cultures of resorbing bones. NBT staining in osteoclasts was decreased in bones coincubated with calcitonin, an inhibitor of bone resorption. We also found that isolated avian osteoclasts stained positively for NBT. NBT staining in isolated osteoclasts was increased when the cells were incubated with bone particles, to which they attach. We confirmed the formation of superoxide anion in isolated avian osteoclasts using ferricytochrome c reduction as a method of detection. The reduction of ferricytochrome c in isolated osteoclasts was inhibited by superoxide dismutase. Our results suggest that oxygen-derived free radicals, and particularly the superoxide anion, are intermediaries in the formation and activation of osteoclasts.

By using a cre-lox conditional knockout strategy, we report here the generation of androgen receptor knockout (ARKO) mice. Phenotype analysis shows that ARKO male mice have a female-like appearance and body weight. Their testes are 80% smaller and serum testosterone concentrations are lower than in wild-type (wt) mice. Spermatogenesis is arrested at pachytene spermatocytes. The number and size of adipocytes are also different between the wt and ARKO mice. Cancellous bone volumes of ARKO male mice are reduced compared with wt littermates. In addition, we found the average number of pups per litter in homologous and heterozygous ARKO female mice is lower than in wt female mice, suggesting potential defects in female fertility and/or ovulation. The cre-lox ARKO mouse provides a much-needed in vivo animal model to study androgen functions in the selective androgen target tissues in female or male mice.

Targeted disruption of the c-src proto-oncogene in mice has shown that src expression is required for normal bone resorption, since the src-deficient mutants develop osteopetrosis. To evaluate the mechanisms by which src-deficiency affects osteoclast function, we treated src-deficient mice with the stimulants of bone resorption, IL-1, parathyroid hormone, and parathyroid hormone-related protein, and analyzed the effects by quantitative bone histomorphometry and electron microscopy. Increased numbers of multinucleated cells with the morphological characteristics of osteoclasts appeared on bone surfaces, but these cells did not form ruffled borders or normal resorption lacunae. To confirm these in vivo findings, we cultured src-mutant bone marrow cells on dentine slices in the presence of 1,25 dihydroxyvitamin D3. Increased numbers of multinucleated cells were formed, but unlike normal murine bone marrow cells, they did not form resorption pits. These results indicate that osteoclasts appear in the absence of pp60c-src, but that pp60c-src expression is required for mature osteoclasts to form ruffled borders and resorb bone.