We previously reported that osteoclast-like cells were formed in cocultures of a mouse marrow-derived stromal cell line (ST2) with mouse spleen cells in the presence of 1 alpha, 25-dihydroxyvitamin D3 and dexamethasone. In this study, we developed a new coculture system to determine the origin of osteoclasts. When relatively small numbers of mononuclear cells (10(3)-10(5) cells per well) obtained from mouse bone marrow, spleen, thymus, or peripheral blood were cultured for 12 days on the ST2 cell layers, they formed colonies with a linear relationship between the number of colonies formed and the number of hemopoietic cells inoculated. Tartrate-resistant acid phosphatase (TRAPase)-positive mononuclear and multinucleated cells appeared in the colonies (TRAPase-positive colonies) in response to 1 alpha, 25-dihydroxyvitamin D3 and dexamethasone. When hemopoietic cells suspended in a collagen-gel solution were cultured on the ST2 cell layers to prevent their movement, TRAPase-positive colonies were similarly formed, indicating that each colony originated from a single cell. All of the colonies consisted of nonspecific esterase-positive cells. The monocyte-depleted population prepared from peripheral blood failed to form colonies, whereas the monocyte-enriched population produced a large number of TRAPase-positive colonies. In addition, alveolar macrophages formed TRAPase-positive colonies most efficiently on the ST2 cell layers in the presence of the two hormones. Salmon 125I-labeled calcitonin specifically bound to the TRAPase-positive cells. Resorption lacunae were formed on dentine slices on which cocultures were performed. When direct contact between the peripheral blood cells and the ST2 cells was inhibited by a collagen-gel sheet, no TRAPase-positive cells were formed. These results indicate that osteoclasts are also derived from the mature monocytes and macrophages when a suitable microenvironment is provided by bone marrow-derived stromal cells.

We developed a co-culture system with mouse spleen cells and osteoblastic cells to examine the role of osteoblasts in osteoclast formation. When mouse spleen cells and osteoblastic cells isolated from fetal mouse calvariae were co-cultured in the presence of 10 nM 1 alpha, 25-dihydroxyvitamin D3 [1 alpha,25(OH)2D3], numerous tartrate-resistant acid phosphate (TRACP)-positive mononuclear and multinucleated cells were formed within 8 days. Neither the same co-cultures without the vitamin nor separate cultures of either spleen cells or osteoblastic cells with the vitamin produced TRACP-positive cells. Salmon calcitonin (CT) markedly increased cAMP production in the co-cultures treated with 1 alpha,25(OH)2D3. Autoradiographic studies clearly demonstrated that [125I]-CT specifically bound to the TRACP-positive cells formed in the co-cultures with the vitamin. When spleen cells and osteoblastic cells were co-cultured on dentine slices in the presence of 1 alpha,25(OH)2D3, numerous resorption lacunae were formed on the slices. Neither co-cultures of alveolar macrophages and osteoblastic cells nor those of spleen cells and mouse skin-derived fibroblasts induced TRACP-positive cells even in the presence of 1 alpha,25(OH)2D3. When spleen cells and osteoblastic cells were cultured separately from each other by a membrane filter (0.45 micron), no TRACP-positive cells were formed. These results indicate that osteoblastic cells are required for the differentiation of osteoclast progenitors in splenic tissues into multinucleated osteoclasts.

The mechanism of action of macrophage colony-stimulating factor (M-CSF) in osteoclast development was examined in a co-culture system of mouse osteoblastic cells and spleen cells. In this co-culture, osteoclast-like multinucleated cells (MNCs) were formed within 6 d in response to 10 nM 1 alpha,25(OH)2D3 added only for the final 2 d of culture. Simultaneously adding hydroxyurea for the final 2 d completely inhibited proliferation of cultured cells without affecting 1 alpha,25(OH)2D3-stimulated MNC formation. Autoradiographic examination using [3H]-thymidine revealed that osteoclast progenitors primarily proliferated during the first 4 d, whereas their differentiation into MNCs occurred predominantly during the final 2 d of culture in response to 1 alpha,25(OH)2D3. When anti-M-CSF antibody or anti-M-CSF receptor antibody was added either for the first 4 d or for the final 2 d, the MNC formation was similarly inhibited. In co-cultures of normal spleen cells and osteoblastic cells obtained from op/op mice, which cannot produce functionally active M-CSF, the lack of M-CSF either for the first 4 d or for the final 2 d failed to form MNCs in response to 1 alpha,25(OH)2D3 added for the last 2 d. These results clearly indicate that M-CSF is indispensable for both proliferation of osteoclast progenitors and their differentiation into mature osteoclasts.

After our previous report that osteoclast-like multinucleated cells (MNCs) were formed in response to 1 alpha,25-dihydroxyvitamin D3 [1 alpha,25-(OH)2D3] in cocultures of mouse spleen cells and osteoblast-rich populations freshly isolated from fetal mouse calvariae, we examined whether such primary osteoblast-like cells can be replaced by established cell lines in inducing osteoclast-like cell formation. We first used two clonal cell lines simultaneously established from newborn mouse calvariae. One was the osteoblastic cell line MC3T3-E1, and the other was the preadipose cell line MC3T3-G2/PA6. Tartrate-resistant acid phosphatase (TRACP; a marker enzyme of osteoclasts)-positive mononuclear cells and MNCs were formed in the cocultures of spleen cells and MC3T3-G2/PA6 cells in the presence of 1 alpha,25-(OH)2D3. Dexamethasone greatly potentiated TRACP-positive MNC formation induced by 1 alpha,25-(OH)2D3, whereas the glucocorticoid alone had no effect on it. In contrast, osteoblastic MC3T3-E1 cells failed to induce TRACP-positive cells in the cocultures. Another bone marrow-derived stromal cell line ST2 also induced TRACP-positive MNC formation in the cocultures in response to 1 alpha,25-(OH)2D3 and dexamethasone. Salmon calcitonin enhanced cAMP production in the cocultures only when TRACP-positive cells were formed. Autoradiographic studies demonstrated that [125I]calcitonin specifically bound to TRACP-positive cells formed in the cocultures. When spleen cells and either MC3T3-G2/PA6 or ST2 cells were cocultured on sperm whale dentine slices in the presence of 1 alpha,25-(OH)2D3 and dexamethasone, numerous resorption lacunae were formed. These results show that the two bone marrow-derived stromal cell lines can support osteoclast-like cell differentiation in cocultures with spleen cells.