HIF-1αはAMPKシグナルを介して破骨細胞誘導下顎骨円柱成長を媒介している

HIF-1α Mediates Osteoclast-Induced Mandibular Condyle Growth via AMPK Signaling.

• Y Tang
• C Hong
• Y Cai
• J Zhu
• X Hu
• Y Tian
• X Song
• Z Song
• R Jiang
• F Kang

抄録

下顎骨コンディルの成長過程では、破骨細胞によって誘導された石灰化軟骨マトリックスの吸収が内軟骨形成に重要な役割を果たしています。一方、最近の研究では、低酸素環境下で軟骨下骨が存在することが示されており、我々の先行研究では、低酸素環境下では低酸素誘導性転写因子1α（HIF-1α）が破骨細胞形成を促進することが明らかになっています。しかし、HIF-1αが下顎コンダイル軟骨の破骨細胞の機能を制御しているかどうかは不明であった。本研究では、破骨細胞特異的HIF-1α条件ノックアウトマウス（CKO）を用いて、10週齢の下顎骨コンディル軟骨を観察したところ、コンディル長の短縮や線維軟骨の乱れを伴い、下顎骨コンディルの重度の変形が認められた。1,2,4wk齢のCKOマウスでは、肥大層と軟骨層の大きさが著しく肥厚していた。軟骨細胞層では、軟骨細胞が萎縮し、4wk-old CKOマウスではアポトーシスの形態を示した。さらに、10wk齢のCKOマウスでは、線維層と増殖層の厚さの増加が観察され、軟骨細胞層と肥大性軟骨細胞層の厚さは有意に減少していた。興味深いことに、コンディラープロセスの関節表面は異常に水平方向に凹んだ形状を呈し、円盤状の細胞性結合組織が出現しました。また、HIF-1αを遺伝子的にアブレーションすると軟骨下骨芽細胞欠損による軟骨マトリックスの減少が抑制され、軟骨下骨量が高い表現型となり、血管数、アルカリホスファターゼ染色、血管内皮増殖因子（VEGF）発現の低下を伴うことが明らかになった。また、CKOマウスでは、アデノシン5'-一リン酸で活性化されたプロテインキナーゼ（AMPK）シグナルの発現が低下することで、コンダイル中心部の破骨細胞の数が有意に減少したことも明らかになった。以上の結果から、破骨細胞におけるHIF-1αの機能が、AMPKシグナルを介した破骨細胞誘発性石灰化軟骨マトリックスの吸収維持や、骨髄におけるVEGF依存性血管新生を介した軟骨下骨形成に新たな影響を与えていることが明らかになった。

During the mandibular condylar growth, the absorption of calcified cartilage matrix induced by osteoclasts is crucial for the continuous endochondral osteogenesis. Meanwhile, recent studies showed that subchondral bone resided within the low-oxygen microenvironment, and our previous study revealed that hypoxia-inducible transcription factor 1α (HIF-1α) promoted osteoclastogenesis under hypoxia. However, whether HIF-1α regulates the function of osteoclasts in the mandibular condyle cartilage remains elusive. Our study indicated that severe deformity of the mandibular condyle was displayed in 10-wk-old osteoclast-specific HIF-1α conditional knockout (CKO) mice, accompanied by shortened length of condylar process and disorganized fibrocartilage. In 1-, 2-, and 4-wk-old CKO mice, the size of the hypertrophic layer and chondrocytic layer was significantly thickened. In the chondrocytic layer, chondrocytes were atrophied, showing a form of apoptosis in 4-wk-old CKO mice. Furthermore, an increase in the thickness of the fibrous and proliferating layer was observed in 10-wk-old CKO mice, as well as a significant decrease in that of the chondrocytic and hypertrophic chondrocyte layers. Interestingly, the articular surface of the condylar process abnormally presented a horizontal concave shape, and a disk-like acellular connective tissue appeared. In addition, genetic ablation of HIF-1α blunted cartilage matrix loss by subchondral osteoclast deficiency, resulting in a high subchondral bone mass phenotype, accompanied with a decreased number of blood vessels, alkaline phosphatase staining, and vascular endothelial growth factor (VEGF) expression. Mechanistically, the number of osteoclasts in the center of the condyle in CKO mice was significantly reduced by attenuated expression of adenosine 5'-monophosphate-activated protein kinase (AMPK) signaling. These findings reveal a novel influence of HIF-1α function in osteoclasts on maintenance of osteoclast-induced resorption of calcified cartilage matrix via AMPK signaling, as well as subchondral bone formation through VEGF-dependent angiogenesis in bone marrow.