Bone histomorphometry allows quantitative evaluation of bone micro-architecture, bone formation, and bone remodeling by providing an insight to cellular changes. Histomorphometry plays an important role in monitoring changes in bone properties because of systemic skeletal diseases like osteoporosis and osteomalacia. Besides, quantitative evaluation plays an important role in fracture healing studies to explore the effect of biomaterial or drug treatment. However, until today, to our knowledge, bone histomorphometry remain time-consuming and expensive. This incited us to set up an open-source freely available semi-automated solution to measure parameters like trabecular area, osteoid area, trabecular thickness, and osteoclast activity. Here in this study, the authors present the adaptation of Trainable Weka Segmentation plugin of ImageJ to allow fast evaluation of bone parameters (trabecular area, osteoid area) to diagnose bone related diseases. Also, ImageJ toolbox and plugins (BoneJ) were adapted to measure osteoclast activity, trabecular thickness, and trabecular separation. The optimized two different scripts are based on ImageJ, by providing simple user-interface and easy accessibility for biologists and clinicians. The scripts developed for bone histomorphometry can be optimized globally for other histological samples. The showed scripts will benefit the scientific community in histological evaluation.

Osteoporosis induction in a sheep model by steroid administration combined with ovariectomy recapitulates decreased bone formation and substandard matrix mineralization in patients. Recently, the role of osteocytes has been frequently addressed, with focus on their role in osteoclastogenesis. However, the quantification of receptor activator of NF-κB ligand (RANKL) and osteoprotegerin (OPG) signaling in osteocytes was not studied in sheep. The current study reproduced the sheep model of osteoporosis to study the RANKL/OPG ratio correlation to the method of osteoporosis induction. We investigated the induction of osteoporosis after 8 months using 31 female merino land sheep divided into four groups: control, ovariectomy, ovariectomy with dietary limitation, and ovariectomy with dietary limitation and steroid injection. In accordance to previous reports, the present study showed trabecular thinning, higher numbers of apoptotic osteocytes, and imbalanced metabolism, leading to defective mineralization. The global RANKL/OPG ratio in the spine after 8 months of steroid and dietary treatment was not different from that of the control. Interestingly, assessment of the osteocyte-specific RANKL/OPG ratio showed that the steroid-induced osteoporosis in its late progressive phase stimulates RANKL expression in osteocytes. Sclerostin is suggested to induce RANKL expression in osteocytes. The findings of this study can contribute to further explain the success of sclerostin antibodies in treating osteoporotic patients despite increased osteocyte-expressed RANKL.

ZusammenfassungLange Zeit galten Osteozyten als passive Zuschauer der Knochenhomöostase, dem Gleichgewicht zwischen Knochenaufbau durch Osteoblasten und Knochenabbau durch Osteoklasten. Das Dogma der ruhenden, im Knochen eingemauerten funktionslosen Zellen hat sich seit der Jahrtausendwende grundlegend gewandelt. Osteozyten stehen vielmehr im Mittelpunkt des Knochenstoffwechsels und können somit als dessen Dirigent angesehen werden. Auf Grundlage einer Literaturrecherche in PubMed und Google Scholar mit den einzeln oder in Kombination verwendeten Suchbegriffen „osteocyte“, „fracture healing“, „bone healing“, „bone remodeling“, „bone metabolism“, „sclerostin“, „RANKL/OPG“, „Wnt-signaling pathway“, „FGF-23“ wurde die Rolle der Osteozyten im Knochenstoffwechsel anhand von präklinischen und klinischen Studien sowie Übersichtsarbeiten erarbeitet. Einzelne Fallberichte wurden hierfür nicht verwandt. Im Rahmen der Literaturrecherche wurden nur Publikationen in englischer oder deutscher Sprache berücksichtigt. Die sich aus Osteoblasten entwickelnden Osteozyten sind funktionell die zentrale Schaltstelle im Knochenmetabolismus. Morphologisch bildet ein Netzwerk von Osteozyten, die 90 – 95% der Zellen im Knochen ausmachen und im Gegensatz zu Osteoblasten und Osteoklasten das Alter des Gesamtorganismus erreichen können, durch mit Nexus miteinander verbundenen Dendriten innerhalb des Knochens die optimale Grundlage für deren funktionelle Aufgaben. Neben der Aufgabe als Mechanosensor im Knochen wird die Osteoblastenfunktion über Sclerostin, die Osteoklastenfunktion über den RANK/RANKL/OPG-Signalweg gesteuert. Ferner wird die Mineralisierung des Knochens über die lokale Phosphatkonzentration, der systemische Phosphathaushalt in Interaktion mit der Niere über FGF23 hormonell gesteuert. Das Verständnis der Rolle der Osteozyten verspricht eine weitere Verbesserung möglicher Therapiealternativen. Hinsichtlich des Knochenstoffwechsels sind bereits Sclerostinantikörper und Denosumab, ein monoklonaler Antikörper, der als OPG-Agonist fungiert, eingeführt worden. Neben den in der Osteoporosetherapie bereits etablierten Therapieansätzen sind Antikörper gegen FGF23 oder dessen Rezeptoren in der präklinischen und klinischen Erprobung. Auch Bortezomib, ein Proteasomeninhibitor, der die Lebensfähigkeit von Osteozyten verbessert, ist zur Therapie des multiplen Myeloms im klinischen Einsatz. Das zunehmende Verständnis der osteozytären Funktion lässt darüber hinaus weitere Therapiemöglichkeiten erwarten – in Orthopädie und Unfallchirurgie sind dies insbesondere die ossäre Integration von Implantaten und die medikamentöse Beeinflussung der (gestörten) Frakturheilung.

ZusammenfassungDie physiologischen Prozesse am Knochen unterliegen einem steten Wandel und hängen vom Zusammenspiel der verschiedenen Knochenzellen ab. Diese sind über komplexe Regulationsmechanismen miteinander verbunden. Osteoporosemodelle von Klein- und Großtieren ermöglichen das bessere Verständnis dieser Zusammenhänge. Die Schritte der Zellreifung und -differenzierung sind teilweise reversibel, um flexibel auf die Anforderungen reagieren zu können. Der Artikel stellt den aktuellen Stand der Zell-Zell-Interaktionen der Knochenregulation dar.