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.

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.

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.

We developed a mouse bone marrow culture system to examine the process of osteoclast-like multinucleated cell formation from its progenitors. When mouse marrow cells were cultured for 8 days with la,25-dihydroxyvitamin D3 [1α,25- (OH)2D3, 10-10 to 10-7 M] or human PTH (1-34) (25–100 ng/ml), tartrate-resistant acid phosphatase (TRACP)-positive multinucleated cells formed. No TRACP-positive multinucleated cells appeared in the absence of these hormones. 1α,25-(OH)2D3 and PTH also increased the number of the clusters of TRACPpositive mononuclear cells. Time course studies showed that these TRACP-positive mononuclear cell clusters appeared before the formation of TRACP-positive multinucleated cells, suggesting that the TRACP-positive mononuclear cells are precursors of the multinucleated cells. Salmon calcitonin markedly inhibited the formation of TRACP-positive multinucleated cells but not TRACP-positive mononuclear cell clusters induced by 1α,25-(OH)2D3 or PTH. TRACP-positive mononuclear cells and multinucleated cells were rarely stained for nonspecific esterase, but some mononuclear cells were positively stained for both nonspecific esterase and TRACP. More that 90% of the TRACPpositive mononuclear cell clusters and multinucleated cells were found near colonies of alkaline phosphatase-positive mononuclear cells (possibly osteoblasts). When marrow mononuclear cells were cultured on sperm whale dentine slices in the presence of 1α,25-(OH)2D3 or PTH, numerous resorption lacunae were formed. These results suggest that 1) TRACP-positive multinucleated cells formed in response to osteotropic hormones in mouse marrow cultures satisfy most of the criteria of osteoclasts, and 2) osteoblasts may play an important role in osteoclast formation. (Endocrinology122: 1373–1382, 1988)

In an effort to describe the mechanism of bone erosion in patients with multiple myeloma, supernatant fluids from the short-term cultures of bone marrow aspirated from seven patients with myeloma were examined. Six contained a factor that stimulated osteoclastic bone resorption (calcium release greater than controls) in organ culture. This factor was biologically and chemically similar to osteoclast-activating factor, a mediator produced by phytohemagglutinin-activated normal peripheral blood leukocytes. Cultures of bone-marrow cells obtained from seven other patients with a variety of hematologic disorders did not produce a stimulator of bone resorption. Morphologic examination of autopsy and biopsy samples of bone from 37 patients with myeloma showed osteoclasts on bone-resorbing surfaces adjacent to areas of heavy myeloma-cell infiltration. It is suggested that osteolytic bone lesions and hypercalcemia in myeloma are due to the secretion of a soluble factor by myeloma cells that in turn stimulates osteoclastic activity in adjacent bone. N Engl J Med 291: 1041–1046, 1974)

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.

Abstract Although osteocytes are the most abundant cells in bone, their functional role remains unclear. In part, this is due to lack of availability of osteocyte cell lines which can be studied in vitro. Since others have shown that cell lines can be readily developed from transgenic mice in which the SV40 large T-antigen oncogene is expressed under the control of a promoter which targets the cells of interest, we used this approach to develop an osteocyte cell line. We chose as a promoter osteocalcin, whose expression is essentially limited to bone cells and which is expressed more abundantly in osteocytes than in osteoblasts. From these transgenic mice, we isolated cells from the long bones using sequential collagenase digestion and maintained these cells on collagen-coated surfaces which are optimal for osteocyte maintenance and growth. We describe here the properties of a cell line cloned from these cultures, called MLO-Y4 (for murine long bone osteocyte Y4). The properties of MLO-Y4 cells are very similar to primary osteocytes. Like primary osteocytes and unlike primary osteoblasts, the cell line produces large amounts of osteocalcin but low amounts of alkaline-phosphatase. The cells produce extensive, complex dendritic processes and are positive for T-antigen, for osteopontin, for the neural antigen CD44, and for connexin 43, a protein found in gap junctions. This cell line also produces very small amounts of type I collagen mRNA compared with primary osteoblasts. MLO-Y4 cells lack detectable mRNA for osteoblast-specific factor 2, which appears to be a positive marker for osteoblasts but may be a negative marker for osteocytes. This newly established cell line should prove useful for studying the effects of mechanical stress on osteocyte function and for determining the means whereby osteocytes communicate with other bone cells such as osteoblasts and osteoclasts.