We have observed damage to the labrum as a result of repetitive acetabular impingement in non-dysplastic hips, in which the femoral neck appears to abut against the acetabular labrum and a non-spherical femoral head to press against the labrum and adjacent cartilage. In both mechanisms anatomical variations of the proximal femur may be a factor. We have measured the orientation of the femoral neck and the offset of the head at various circumferential positions, using MRI data from volunteers with no osteoarthritic changes on standard radiographs. Compared with the control subjects, paired for gender and age, patients showed a significant reduction in mean femoral anteversion and mean head-neck offset on the anterior aspect of the neck. This was consistent with the site of symptomatic impingement in flexion and internal rotation, and with lesions of the adjacent rim. Furthermore, when stratified for gender and age, and compared with the control group, the mean femoral head-neck offset was significantly reduced in the lateral-to-anterior aspect of the neck for young men, and in the anterolateral-to-anterior aspect of the neck for older women. For patients suspected of having impingement of the rim, anatomical variations in the proximal femur should be considered as a possible cause.

Labrum pathology may contribute to early joint degeneration through the alteration of load transfer between, and the stresses within, the cartilage layers of the hip. We hypothesize that the labrum seals the hip joint, creating a hydrostatic fluid pressure in the intra-articular space, and limiting the rate of cartilage layer consolidation. The overall cartilage creep consolidation of six human hip joints was measured during the application of a constant load of 0.75 times bodyweight, or a cyclic sinusoidal load of 0.75±0.25 times bodyweight, before and after total labrum resection. The fluid pressure within the acetabular was measured. Following labrum resection, the initial consolidation rate was 22% greater (p=0.02) and the final consolidation displacement was 21% greater (p=0.02). There was no significant difference in the final consolidation rate. Loading type (constant vs. cyclic) had no significant effect on the measured consolidation behaviour. Fluid pressurisation was observed in three of the six hips. The average pressures measured were: for constant loading, 541±61 kPa in the intact joint and 216±165 kPa following labrum resection, for cyclic loading, 550±56 kPa in the intact joint and 195±145 kPa following labrum resection. The trends observed in this experiment support the predictions of previous finite element analyses. Hydrostatic fluid pressurisation within the intra-articular space is greater with the labrum than without, which may enhance joint lubrication. Cartilage consolidation is quicker without the labrum than with, as the labrum adds an extra resistance to the flow path for interstitial fluid expression. However, both sealing mechanisms are dependent on the fit of the labrum against the femoral head.

Abstract Drug research with animal models is expensive, time-consuming and translation to clinical trials is often poor, resulting in a desire to replace, reduce, and refine the use of animal models. One approach to replace and reduce the use of animal models in research is using in vitro cell-culture models. To study bone physiology, bone diseases and drugs, many studies have been published using osteoblast-osteoclast co-cultures. The use of osteoblast-osteoclast co-cultures is usually not clearly mentioned in the title and abstract, making it difficult to identify these studies without a systematic search and thorough review. As a result, researchers are all developing their own methods from the ground up, leading to conceptually similar studies with many methodological differences and, as a direct consequence, incomparable results. The aim of this study was to systematically review existing osteoblast-osteoclast co-culture studies published up to 6 January 2020, and to give an overview of their methods, predetermined outcome measures (formation and resorption, and ALP and TRAP quantification as surrogate markers for formation and resorption, respectively), and other useful parameters for analysis. Information regarding these outcome measures was extracted and collected in a database, and each study was further evaluated on whether both the osteoblasts and osteoclasts were analyzed using relevant outcome measures. From these studies, additional details on methods, cells and culture conditions were extracted into a second database to allow searching on more characteristics. The two databases presented in this publication provide an unprecedented amount of information on cells, culture conditions and analytical techniques for using and studying osteoblast-osteoclast cocultures. They allow researchers to identify publications relevant to their specific needs and allow easy validation and comparison with existing literature. Finally, we provide the information and tools necessary for others to use, manipulate and expand the databases for their needs.

Abstract In tissue engineering, cells are grown often on scaffolds and subjected to chemical/mechanical stimuli. Most such cultures still use fetal bovine serum (FBS) despite its known disadvantages including ethical concerns, safety issues, and variability in composition, which greatly influences the experimental outcomes. To overcome the disadvantages of using FBS, chemically defined serum substitute medium needs to be developed. Development of such medium depends on cell type and application - which makes it impossible to define one universal serum substitute medium for all cells in any application. Here, we developed a serum substitute medium for bone tissue engineering (BTE) in a step-by-step process. Essential components were added to the medium while human bone marrow mesenchymal stromal cells (hBMSCs, osteoblast progenitor cells) were cultured in two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) substrates. In a 3-week culture, the developed serum substitute medium worked equally well as FBS containing medium in term of cell attachment to the substrate, cell survival, osteoblast differentiation, and deposition of extracellular matrix. In the next step, the use of serum substitute medium was evaluated when culturing cells under mechanical loading in the form of shear stress. The outcomes showed that the application of shear stress is essential to improve extracellular matrix formation while using serum substitute medium. The developed serum substitute medium could pave the way in replacing FBS for BTE studies eliminating the use of controversial FBS and providing a better-defined chemical environment for BTE studies. Graphical abstract

Abstract Human in vitro bone models can create the possibility for investigation of physiological bone remodeling while addressing the principle of replacement, reduction and refinement of animal experiments (3R). Current in vitro models lack cell-matrix interactions and their spatiotemporal complexity. To facilitate these analyses, a bone-mimetic template was developed in this study, inspired by bone’s extracellular matrix composition and organization. Silk fibroin (SF) was used as an organic matrix, poly-aspartic acid (pAsp) was used to mimic the functionality of non-collagenous proteins, and 10x simulated body fluid served as mineralization solution. By using pAsp in the mineralization solution, minerals were guided towards the SF material resulting in mineralization inside and as a coating on top of the SF. After cytocompatibility testing, remodeling experiments were performed in which mineralized scaffold remodeling by osteoclasts and osteoblasts was tracked with non-destructive micro-computed tomography and medium analyses over a period of 42 days. The mineralized scaffolds supported osteoclastic resorption and osteoblastic mineralization, in the physiological bone remodeling specific sequence. This model could therefore facilitate the investigation of cell-matrix interactions and may thus reduce animal experiments and advance in vitro drug testing for bone remodeling pathologies like osteoporosis, where cell-matrix interactions need to be targeted.

Abstract Bone formation (osteogenesis) is a complex process in which cellular differentiation and the generation of a mineralized organic matrix are synchronized to produce a hybrid hierarchical architecture. To study the mechanisms of osteogenesis in health and disease, there is a great need for functional model systems that capture in parallel both cellular and matrix formation processes. Stem cell-based organoids are promising as functional, self-organizing 3D in vitro models for studying the physiology and pathology of various tissues. However, for human bone, no such functional model system is yet available. This study reports the in vitro differentiation of human bone marrow stromal cells into a functional 3D self-organizing co-culture of osteoblasts and osteocytes, creating an organoid for early stage bone (woven bone) formation. It demonstrates the formation of an organoid where osteocytes are embedded within the collagen matrix that is produced by the osteoblasts and mineralized under biological control. Alike in vivo osteocytes the embedded osteocytes show network formation and communication via expression of sclerostin. The current system forms the most complete 3D living in vitro model system to investigate osteogenesis, both in physiological and pathological situations, as well as under influence of external triggers (mechanical stimulation, drug administration).

Abstract Fetal bovine serum (FBS) is a widely used supplement in cell culture medium, despite its known variability in composition which greatly affects cellular function and consequently the outcome of studies. In bone tissue engineering, the deposited mineralized matrix is one of the main outcome parameters, but using different brands of FBS can result in large variations. Alkaline phosphatase (ALP) is present in FBS. Not only is ALP used to judge the osteogenic differentiation of bone cells, it may affect deposition of mineralized matrix. The present study focused on the enzymatic activity of ALP in FBS of different suppliers and its contribution to mineralization in osteogenic differentiation cultures. It was hypothesized that culturing cells in a medium with high intrinsic ALP activity of FBS will lead to higher mineral deposition compared to media with lower ALP activity. The used FBS types were shown to have significant differences in enzymatic ALP activity. Our results indicate that the ALP activity of the medium not only affected the deposited mineralized matrix but also the osteogenic differentiation of cells as measured by a changed cellular ALP activity of human bone marrow derived mesenchymal stromal cells (hBMSC). In media with low inherent ALP activity, the cellular ALP activity was increased and played the major role in the mineralization process; while, in media with high intrinsic ALP activity contribution from the serum, less cellular ALP activity was measured and the ALP activity of the medium also contributed to mineral formation substantially. Our results highlight the diverse effects of ALP activity intrinsic to FBS on osteogenic differentiation and matrix mineralization and how FBS can determine the experimental outcomes, in particular for studies investigating matrix mineralization. Once again, the need to replace FBS with more controlled and known additives is highlighted. Graphical abstract

Abstract The aim of the present study was to further improve an in vitro 3D osteoblast (OB) – osteoclast (OC) co-culture model of bone by tuning it towards states of formation, resorption, and equilibrium for their future applications in fundamental research, drug development and personalized medicine. This was achieved by varying culture medium composition and monocyte seeding density, the two external parameters that affect cell behavior the most. Monocytes were seeded at two seeding densities onto 3D silk-fibroin constructs pre-mineralized by MSC-derived OBs and were co-cultured in one of three different media (OC stimulating, Neutral and OB stimulating medium) for three weeks. Histology showed mineralized matrix after co-culture and OC markers in the OC medium group. Scanning Electron Microscopy showed large OC-like cells in the OC medium group. Micro-computed tomography showed increased formation in the OB medium group, equilibrium in the Neutral medium group and resorption in the OC medium group. Culture supernatant samples showed high early TRAP release in the OC medium group, a later and lower release in the Neutral medium group, and almost no release in the OB medium group. Increased monocyte seeding density showed a less-than-proportional increase in TRAP release and resorption in OC medium, while it proportionally increased TRAP release in Neutral medium without affecting net resorption. The 3D OB-OC co-culture model was effectively used to show an excess of mineral deposition using OB medium, resorption using OC medium, or an equilibrium using Neutral medium. All three media applied to the model may have their own distinct applications in fundamental research, drug development, and personalized medicine.

Abstract Extracellular vesicles (EV) are nano-sized bilayer vesicles that are involved in biological functions and secreted by a wide variety of cells. Osteoblasts, the bone forming cells, can release a subset of EVs known as matrix vesicles (MtVs) which are believed to be involved in matrix mineralization and feature bone forming properties. Osteoblast-derived EVs or MtVs have been mostly isolated from conditions which are still far from nature, i.e. mesenchymal stromal cells (MSCs), or osteoblast cell lines cultured in two-dimensional (2D) tissue culture flasks. In our study, we aimed at investigating whether MtVs could also be isolated from an environment which better resembles the complex in vivo situation. This study investigated the EVs secretion during osteogenic differentiation of human bone marrow MSCs (hBMSCs) in the most advanced human three-dimensional (3D) in vitro woven bone constructs previously developed by our group. hBMSCs were cultured in spinner flask bioreactors which induced wall shear stress on cells and directed the cells to differentiate towards osteoblasts and osteocytes. The EVs secreted into the culture medium were isolated and characterized based on their morphological, biological, and functional properties. The characteristics of a part of isolated EVs shared similarities with MtVs. These vesicles were electron-dense and electron-lucent, showed alkaline phosphatase (ALP) activity, increased the amount of released free phosphate into the culture medium, and increased the amount of deposited phosphate within the ECM. The results indicate that a complex 3D environment mimicking bone development is favorable to stimulate MtV-producing cells to produce targeted MtVs in vitro . These MtVs potentially could be used as a biological agent for bone regeneration and fracture healing through, for instance, integration with biomaterials to target bone formation locally.

Abstract Fetal bovine serum (FBS) is a widely used supplement in cell culture media despite its known drawbacks, including ethical, safety, and scientific issues. To overcome the drawbacks of using FBS in cell culture, a defined serum substitute medium needs to be developed. The development of such a medium depends on the cell type, which makes it impossible to use one universal serum substitute medium for all cells. Osteoclasts are large, multinucleated cells originated from the hematopoietic stem cell lineage that play an important role in regulating bone mass and quality. To date, no defined serum substitute medium formulations have been reported for osteoclast differentiation of monocytes derived from peripheral blood mononuclear cells (PBMCs). Here, we have attempted to develop such a serum substitute medium for the osteoclastogenesis process in a stepwise approach. Essential components were added to the medium while monocytes were cultured in 96-well plates and in Osteo-Assay well plates to analyze the formation of tartrate resistant acid phosphatase (TRAP) expressing multinucleated osteoclasts with distinct actin ring and to analyze the resorption activity of mature osteoclasts for 21 days, respectively. The serum substitute medium was aimed at supporting monocyte and later osteoclast survival, differentiation of monocytes towards multinucleated osteoclasts, and the resorption of mineralized matrix as a measure of functionality. All points were achieved after 21 days of culture in the developed serum substitute medium. This serum substitute medium could potentially replace FBS in osteoclastogenesis studies eliminating its debated use. Moreover, the well-defined serum substitute environment simplifies the study of factors released by the cells that were so far overwhelmed by the complexity of FBS.