侯 甜,秦雅芝,張 妍,溫國琛,戚孟春,董 偉
華北理工大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院,河北 唐山063210
糖尿病會(huì)影響骨代謝,損害細(xì)胞功能,導(dǎo)致骨質(zhì)流失、骨的微觀結(jié)構(gòu)改變[1]。晚期糖基化終產(chǎn)物(AGEs)是糖尿病慢性并發(fā)癥和骨質(zhì)量惡化的一種機(jī)制[2]。骨穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)是一個(gè)協(xié)同過程,涉及成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞之間的相互作用。AGEs可以劑量依賴性的方式抑制成骨細(xì)胞特異性基因Runt相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子2(RUNX2)和成骨細(xì)胞特異性轉(zhuǎn)錄因子Osterix(OSX)的表達(dá),也可通過抑制核因子κB受體活化因子配體/核因子κB受體活化因子信號(hào)傳導(dǎo)來抑制破骨細(xì)胞分化[3]。另有研究發(fā)現(xiàn),高濃度葡萄糖可抑制MC3T3-E1細(xì)胞成骨分化并誘導(dǎo)其凋亡[4,5]。盡管有這些發(fā)現(xiàn),但糖尿病微環(huán)境中骨細(xì)胞損傷的具體機(jī)制尚不清楚,且糖尿病性骨質(zhì)疏松癥(DOP)發(fā)病機(jī)制復(fù)雜多樣,有待進(jìn)一步探索。
環(huán)磷酸腺苷(cAMP)/蛋白激酶A(PΚA)是經(jīng)典的細(xì)胞信號(hào)途徑之一。cAMP通過與PΚA的調(diào)節(jié)亞基R結(jié)合來激活PΚA,進(jìn)而磷酸化下游轉(zhuǎn)錄因子,如cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白(CREB),以激活下游轉(zhuǎn)錄過程[6]。通過cAMP/PΚA/CREB途徑激活RUNX2可促進(jìn)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的成骨分化[7]。因此,通過激活cAMP/PΚA/CREB信號(hào)途徑調(diào)節(jié)DOP患者成骨分化可能是一種潛在的分子機(jī)制。
特立帕肽是一種用于治療骨質(zhì)疏松癥的合成代謝藥物,可治療男性骨質(zhì)疏松,糖皮質(zhì)激素治療有關(guān)的骨質(zhì)疏松癥以及絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松癥等[8,9]。但關(guān)于其治療DOP患者的相關(guān)研究報(bào)道較少且多為動(dòng)物模型研究,關(guān)于特立帕肽發(fā)揮作用的細(xì)胞分子學(xué)機(jī)制層面的研究還未有確切詳盡的闡述。因此,本研究探討特立帕肽在高糖微環(huán)境下通過激活cAMP/PΚA/CREB信號(hào)途徑調(diào)節(jié)MC3T3-E1細(xì)胞成骨分化中的分子機(jī)制,對特立帕肽治療DOP具有重要意義。
1.1 材料
細(xì)胞MC3T3-E1(中科院上海細(xì)胞庫);
α-MEM培養(yǎng)基、胎牛血清(FBS)(BI);
H-89(MedChemExpress);
堿性磷酸酶(ALP)顯色試劑盒、DAPI(碧云天);
ALP活性試劑盒(南京建成生物工程研究所);
鬼筆環(huán)肽、曲拉通TritonX-100(Sigma);
茜素紅染色液(雷根生物);
PCR試劑盒(Abclonal)。
1.2 方法
1.2.1 細(xì)胞培養(yǎng) MC3T3-E1細(xì)胞接種在細(xì)胞瓶中,用含有10%FBS、1%雙抗的α-MEM培養(yǎng)基,在37 ℃、含5%CO2的培養(yǎng)箱中進(jìn)行培養(yǎng),隔天換液,當(dāng)密度達(dá)80%~90%時(shí),用胰酶消化下來,即可傳代。用10 nmol/L 地塞米松、10 mmol/L β-甘油磷酸鈉和50 mg/L抗壞血酸進(jìn)行成骨誘導(dǎo)分化培養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)分為5 組:(1)正常糖(NG)組:給予葡萄糖濃度為5.5 mmol/L的培養(yǎng)基;
(2)NG+特立帕肽組:在葡萄糖濃度為5.5 mmol/L培養(yǎng)基中加入10 nmol/L 特立帕肽;
(3)高糖(HG)組:給予葡萄糖濃度為25 mmol/L的培養(yǎng)基;
(4)HG+特立帕肽組:在葡萄糖濃度為25 mmol/L培養(yǎng)基中加入10 nmol/L特立帕肽;
(5)HG+特立帕肽+PΚA抑制劑組:在葡萄糖濃度為25 mmol/L培養(yǎng)基中加入10 nmol/L 特立帕肽以及通路抑制劑20 μmol/L H-89。
1.2.2 細(xì)胞活性檢測 將MC3T3-E1細(xì)胞密度調(diào)整至2×103/孔,將細(xì)胞懸液接種至96孔板,細(xì)胞貼壁后棄掉原培養(yǎng)基,加入按1.2.1分組新配制的100μL培養(yǎng)基,分別培養(yǎng)24、48、72 h后,隨后向每孔內(nèi)加入10μLCCΚ-8溶液,在培養(yǎng)箱中放置1 h,采用酶標(biāo)儀檢測細(xì)胞吸光度值A(chǔ)450nm。本實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。
1.2.3 細(xì)胞內(nèi)cAMP水平測定 將MC3T3-E1細(xì)胞以2×105/孔的細(xì)胞密度置于24孔板中,細(xì)胞貼壁后棄掉原培養(yǎng)基按1.2.1分組換液,24 h后按ELISA試劑盒操作步驟處理細(xì)胞,檢測各組細(xì)胞cAMP水平。本實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。
1.2.4 ALP染色和活性分析 將細(xì)胞以4×103/孔的密度接種至48孔板內(nèi)過夜生長,按1.2.1分組將細(xì)胞成骨誘導(dǎo)培養(yǎng)7 d后,棄細(xì)胞上清液,PBS洗滌各孔,4%多聚甲醛固定30 min后,再用PBS洗滌各孔,按操作步驟加入ALP染色試劑盒中的染色液,隨后進(jìn)行孵育。顯色后在倒置顯微鏡下觀察拍照。采用活性檢測試劑盒測定各組細(xì)胞的ALP活性,再根據(jù)試劑盒提供的計(jì)算方式進(jìn)行計(jì)算。本實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。
1.2.5 茜素紅染色分析 細(xì)胞在48孔板內(nèi)以4×103/孔的密度過夜生長,按1.2.1分組將各組細(xì)胞成骨誘導(dǎo)培養(yǎng)21 d后。在室溫下用染色試劑盒中的固定液固定15 min,PBS洗滌各孔,滴加茜素紅染液對礦化結(jié)節(jié)進(jìn)行染色,染色時(shí)間30 min,用蒸餾水洗去染色液,光鏡下觀察礦化結(jié)節(jié)生成情況并拍照。實(shí)驗(yàn)結(jié)果用Image J軟件分析茜素紅結(jié)節(jié)陽性區(qū)域占總區(qū)域的百分比表示。本實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。
1.2.6 熒光染色檢測細(xì)胞骨架 將細(xì)胞爬片提前放置于6孔板中,每孔滴加1 mL細(xì)胞懸液,在細(xì)胞貼壁后按1.2.1中的實(shí)驗(yàn)分組進(jìn)行換液,培養(yǎng)24 h后,輕柔吸去爬片上的細(xì)胞培養(yǎng)液,PBS清洗爬片,在室溫下4%多聚甲醛固定30 min,PBS再次清洗爬片后,用0.5%Triton X-100透化15 min,PBS清洗,每張爬片滴加鬼筆環(huán)肽染液200μL,黑暗環(huán)境下孵育1 h,PBS輕柔沖洗3次,再加入DAPI染液對細(xì)胞核進(jìn)行復(fù)染,室溫下避光5 min。使用熒光顯微鏡捕獲圖像。本實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。
1.2.7 Real-time PCR檢測 將MC3T3-E1細(xì)胞懸液滴加至6孔板中,細(xì)胞貼壁后棄掉原培養(yǎng)基,按1.2.1實(shí)驗(yàn)分組加入對應(yīng)的培養(yǎng)液,成骨誘導(dǎo)培養(yǎng)7 d后按照RNA提取試劑盒(簡石生物)操作步驟提取總RNA。逆轉(zhuǎn)錄成cDNA 后,使用2X Universal SYBR Green Fast qPCR Mix(ABclonal)試劑盒,按照操作說明用StepOnePlus 實(shí)時(shí)PCR 系統(tǒng)(Applied Biosystems)進(jìn)行Real-time PCR檢測。本實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次,并以β-actin為內(nèi)參。實(shí)驗(yàn)中采用的引物序列如表1,數(shù)據(jù)使用2-△△CT法進(jìn)行分析。
表1 引物序列Tab.1 Primer sequences for real-time PCR
1.3 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析
應(yīng)用SPSS 26.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示,采用單因素方差分析進(jìn)行多組間均數(shù)的比較,組間多重比較采用LSD-t檢驗(yàn),P<0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。
2.1 MC3T3-E1細(xì)胞增殖能力的比較
5組MC3T3-E1細(xì)胞培養(yǎng)24、48、72 h后,CCΚ-8法結(jié)果顯示,NG組、NG+特立帕肽組、HG組、HG+特立帕肽組、HG+特立帕肽+H-89組MC3T3-E1 細(xì)胞增殖活性差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05,圖1)。
圖1 CCΚ-8法檢測不同時(shí)間點(diǎn)細(xì)胞的增殖水平Fig.1 Proliferation of the cells detected by CCK-8 assay at different time points.NG:Normal glucose;HG:High glucose.
2.2 MC3T3-E1細(xì)胞內(nèi)cAMP水平變化
與NG組相比,NG+特立帕肽組的cAMP水平顯著升高(P<0.05),HG組cAMP水平降低(P<0.05)。同樣,在特立帕肽的處理下,HG+特立帕肽組的cAMP水平與HG組比較顯著上調(diào)(P<0.05)。與HG+特立帕肽組相比,HG+特立帕肽+H-89組cAMP水平下降(P<0.05,圖2)。
圖2 特立帕肽處理MC3T3-El細(xì)胞后cAMP水平變化Fig.2 Changes in cAMP levels in the cells after teriparatide treatment.*P<0.05 vs NG(normal glucose),#P<0.05 vs HG(high glucose),&P<0.05 vs HG+teriparatide.
2.3 各組MC3T3-El細(xì)胞內(nèi)ALP染色及活性的變化
ALP染色程度及活性檢測結(jié)果顯示,NG+特立帕肽組ALP 活性高于NG 組(P<0.05),HG 組低于NG組(P<0.05)。HG+特立帕肽組ALP 活性高于HG 組(P<0.05),HG+特立帕肽+H-89組低于HG+特立帕肽組(P<0.05,圖3)。
圖3 特立帕肽處理后MC3T3-El內(nèi)ALP染色及活性變化Fig.3 ALP staining of the cells and changes in ALP activity after teriparatide treatment.A:ALP staining.B:Activity of ALP.*P<0.05 vs NG,#P<0.05 vs HG,&P<0.05 vs HG+teriparatide.
2.4 各組MC3T3-El細(xì)胞內(nèi)礦化結(jié)節(jié)的變化
茜素紅染色結(jié)果顯示,與NG組相比,NG+特立帕肽組礦化結(jié)節(jié)數(shù)量,面積增多(P<0.05);
HG組礦化結(jié)節(jié)面積則減少(P<0.05)。與HG組相比,HG+特立帕肽組礦化結(jié)節(jié)面積增多(P<0.05)。與HG+特立帕肽組相比,HG+特立帕肽+H-89組礦化結(jié)節(jié)面積則減少(P<0.05,圖4)。
圖4 特立帕肽處理后MC3T3-El內(nèi)礦化結(jié)節(jié)的變化Fig.4 Changes of the area of mineralized nodules after teriparatide treatment.A:Alizarin red staining.B:Area of mineralized nodules.*P<0.05 vs NG,#P<0.05 vs HG,&P<0.05 vs HG+teriparatide.
2.5 各組MC3T3-El細(xì)胞細(xì)胞骨架清晰度的變化
鬼筆環(huán)肽染色結(jié)果顯示,與NG組相比,NG+特立帕肽組顯示MC3T3-El細(xì)胞呈多角形或梭形,細(xì)胞伸展良好,鋪展范圍大,細(xì)胞骨架走形清晰;
HG組較NG組,細(xì)胞伸展情況差,鋪展范圍小,內(nèi)部骨架結(jié)構(gòu)排列紊亂。特立帕肽加入后,可觀察到HG+特立帕肽組的鋪展情況及細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)有所提升,較HG組良好。HG+特立帕肽+H-89組較HG+特立帕肽組細(xì)胞鋪展較差,內(nèi)部骨架結(jié)構(gòu)排列紊亂(圖5)。
圖5 特立帕肽處理后MC3T3-El內(nèi)細(xì)胞骨架變化Fig.5 Changes of cytoskeleton staining after teriparatide treatment.
2.6 Real-time PCR 檢測通路及成骨相關(guān)基因mRNA表達(dá)
與NG組相比,NG+特立帕肽組PΚA、CREB水平升高(P<0.05);
HG組PΚA、CREB水平降低(P<0.05)。與HG組相比,HG+特立帕肽組PΚA、CREB水平升高(P<0.05)。與HG+特立帕肽組相比,HG+特立帕肽+H-89組PΚA、CREB水平降低(P<0.05)。
在MC3T3-E1細(xì)胞中檢測了成骨細(xì)胞特異性基因RUNX2和Osx的mRNA表達(dá)水平顯示,與NG組相比,NG+特立帕肽組RUNX2和Osx水平升高(P<0.05);
HG組RUNX2和Osx水平降低(P<0.05)。與HG組相比,HG+特立帕肽組RUNX2 和Osx 水平升高(P<0.05)。與HG+特立帕肽組相比,HG+特立帕肽+H-89 組RUNX2和Osx水平降低(P<0.05,圖6)。
圖6 Real-time PCR檢測PΚA、CREB、RUNX2和Osx mRNA表達(dá)Fig.6 Detection of PKA,CREB,RUNX2 and Osx mRNA expressions by real-time PCR.*P<0.05 vs NG,#P<0.05 vs HG,&P<0.05 vs HG+teriparatide.
隨著年齡的增長和生活方式的改變,糖尿病的患病人數(shù)越來越多,特別是AGEs的積累,大大增加了患者DOP的發(fā)病率[10,11]。有研究指出,DOP 的發(fā)病機(jī)制涉及高葡萄糖誘導(dǎo)產(chǎn)生的活性氧引發(fā)高水平的氧化應(yīng)激,造成骨代謝失衡,增強(qiáng)機(jī)體抗氧化活性,抑制氧化應(yīng)激反應(yīng),可顯著改善DOP 骨流失癥狀[12,13]。另有研究表示糖尿病患者中RUNX2的表達(dá)下調(diào)與AGEs的形成相關(guān),進(jìn)而抑制成骨細(xì)胞分化[14]。此外,成骨細(xì)胞的細(xì)胞骨架主要是由微絲、微管、中間纖維等構(gòu)成,對維持細(xì)胞形態(tài)及成骨分化都具有重要意義[15]。因此本研究將細(xì)胞骨架視為成骨細(xì)胞的生物學(xué)功能做一指標(biāo)進(jìn)行分析。本研究在兩種不同葡萄糖濃度培養(yǎng)基條件下培養(yǎng)MC3T3-E1 細(xì)胞,HG 組細(xì)胞骨架清晰程度及ALP 活性、礦化結(jié)節(jié)檢測,Real-time PCR中成骨基因RUNX2、Osx表達(dá)水平等各指標(biāo)結(jié)果相較于NG組都有所下降,證實(shí)了高糖微環(huán)境對MC3T3-E1細(xì)胞成骨分化的抑制作用,這與Xia等[4]關(guān)于高糖條件下抑制成骨細(xì)胞分化的研究結(jié)果一致。
有研究顯示特立帕肽可用于治療絕經(jīng)后、男性和糖皮質(zhì)激素誘導(dǎo)的骨質(zhì)疏松癥[16-19]。特立帕肽與其他治療藥物相比,對于改善骨質(zhì)疏松癥患者的骨密度效果更佳,可有效提升患者生活質(zhì)量[20]。近期研究發(fā)現(xiàn)特立帕肽增加了2型糖尿病骨質(zhì)疏松癥患者股骨頸的骨礦物質(zhì)密度[21]。特立帕肽和低強(qiáng)度有氧運(yùn)動(dòng)相結(jié)合可增加糖尿病模型大鼠的骨密度[22]。現(xiàn)有研究中關(guān)于特立帕肽發(fā)揮作用的細(xì)胞分子學(xué)機(jī)制層面的研究還未有確切詳盡的闡述。通過目前的研究發(fā)現(xiàn),推測特立帕肽調(diào)節(jié)高糖微環(huán)境下MC3T3-E1細(xì)胞成骨分化可能是DOP的藥物防治方法之一。本研究在高糖微環(huán)境下加入藥物特立帕肽進(jìn)行干預(yù),與HG組細(xì)胞骨架清晰程度、ALP活性、礦化結(jié)節(jié)檢測及Real-time PCR 中成骨基因RUNX2、Osx表達(dá)水平相比較,HG+特立帕肽組結(jié)果顯示,特立帕肽能夠提升MC3T3-E1細(xì)胞骨架清晰度,增強(qiáng)ALP 活性、礦化水平,升高成骨轉(zhuǎn)錄因子RUNX2、Osx的表達(dá)。各項(xiàng)研究結(jié)果說明特立帕肽能夠緩解高糖微環(huán)境對MC3T3-E1成骨分化的抑制作用。
cAMP信號(hào)通路是經(jīng)典的細(xì)胞信號(hào)通路之一,能夠參與調(diào)控多種細(xì)胞分化、增殖、凋亡的基因轉(zhuǎn)錄過程,更是介導(dǎo)甲狀旁腺激素對骨吸收合成代謝作用的主要調(diào)節(jié)途徑[16,23,24]。因此,cAMP信號(hào)通路引起人們的廣泛關(guān)注。低頻脈沖電磁場可通過cAMP/PΚA信號(hào)通路促進(jìn)大鼠顱骨成骨細(xì)胞成骨分化[25]。另有研究指出,具有3D多孔表面的羥基磷灰石復(fù)合聚醚醚酮樣品可通過cAMP/PΚA途徑調(diào)節(jié)骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞中RUNX2的表達(dá),在早期促進(jìn)骨形成[26]。有研究指出激活的cAMP/PΚA/CREB信號(hào)通路在加速間充質(zhì)干細(xì)胞成骨分化中起主導(dǎo)作用[27]。RUNX2 和Osx 是關(guān)于成骨方面的轉(zhuǎn)錄因子,在成骨細(xì)胞中特異性地以高水平表達(dá)。一方面,RUNX2可以通過其下游基因Osx影響如ALP的成骨分化指標(biāo),從而促進(jìn)骨形成[28]。另一方面,在高葡萄糖條件下加入未羧化骨鈣素后,G蛋白偶聯(lián)受體C類第6組A亞型/cAMP/PΚA/AMPΚ通路被激活,RUNX2和Osx表達(dá)增加,可促進(jìn)高糖環(huán)境下MC3T3-E1細(xì)胞的成骨分化[29]。然而,特立帕肽與cAMP/PΚA/CREB通路之間的調(diào)控及其與MC3T3-E1細(xì)胞成骨分化在高糖微環(huán)境下的作用關(guān)系,尚缺乏研究。因此,本研究假設(shè)特立帕肽能通過激活cAMP/PΚA/CREB信號(hào)途徑來調(diào)控MC3T3-E1細(xì)胞的成骨分化過程。本研究在高糖微環(huán)境下加入特立帕肽后結(jié)果顯示,HG+特立帕肽組胞內(nèi)第二信使cAMP水平相較于HG組有所升高,而其下游的通路相關(guān)基因PΚA、CREB表達(dá)上調(diào)。同時(shí),HG+特立帕肽組的成骨轉(zhuǎn)錄因子RUNX2、Osx表達(dá)較HG組亦呈上升趨勢,細(xì)胞骨架清晰程度,ALP活性、礦化水平也有所升高。這意味著特立帕肽能夠通過激活cAMP/PΚA/CREB信號(hào)途徑來調(diào)控MC3T3-E1細(xì)胞的成骨分化過程。為了進(jìn)一步觀察高糖微環(huán)境下特立帕肽調(diào)控成骨分化的分子學(xué)機(jī)制,實(shí)驗(yàn)中加入20 μmol/L通路抑制劑H-89干擾信號(hào)傳導(dǎo),結(jié)果顯示,HG+特立帕肽組較HG+特立帕肽+H-89組的cAMP水平有所下降,Real-time PCR檢測的下游基因PΚA、CREB以及成骨分化相關(guān)基因RUNX2、Osx的表達(dá)亦隨之下降,細(xì)胞骨架清晰程度,ALP活性、礦化水平同樣受到抑制。這提示在高糖微環(huán)境下MC3T3-E1的成骨分化過程中,cAMP/PΚA/CREB 信號(hào)途徑參與其中。同時(shí),特立帕肽可能是通過激活cAMP/PΚA/CREB 信號(hào)途徑來發(fā)揮其減輕高糖微環(huán)境下對成骨分化的抑制作用。
綜上所述,高糖微環(huán)境下,MC3T3-E1細(xì)胞的成骨分化能力受到抑制,同時(shí)cAMP水平變化及相關(guān)基因PΚA、CREB、RUNX2、Osx的表達(dá)變化進(jìn)一步確定特立帕肽可能是通過調(diào)控cAMP/PΚA/CREB信號(hào)通路緩解高糖微環(huán)境對MC3T3-E1細(xì)胞成骨分化的抑制作用。本研究結(jié)果為深入闡明特立帕肽在高糖微環(huán)境下對MC3T3-E1成骨分化的分子學(xué)機(jī)制提供了新穎的實(shí)驗(yàn)依據(jù),對更好地了解及預(yù)防治療DOP具有一定的參考意義。但DOP發(fā)病機(jī)制復(fù)雜多樣,特立帕肽在高糖微環(huán)境下激活cAMP/PΚA/CREB信號(hào)通路的過程中與其他信號(hào)通路之間存在何種關(guān)聯(lián),仍有待進(jìn)一步研究。
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