Đường dẫn tín hiệu mTOR/ULK1 trung gian tác động thúc đẩy tự thực bào và hiệu quả tạo xương của các hạt nano dicalcium silicate
Tóm tắt
Một vật liệu vô cơ sinh học mới chứa silicon, calcium và oxygen, silicat canxi (Ca2SiO4, C2S) với thành phần CaO-SiO2, đã được xác định là một ứng cử viên tiềm năng cho xương nhân tạo. Tự thực bào có một chức năng quan trọng trong sự ổn định mô ở người trưởng thành và sự hình thành khối u. Tuy nhiên, còn rất ít thông tin về việc các hạt nano silicat (C2S NPs) có thúc đẩy sự phân hóa tạo xương bằng cách kích thích tự thực bào hay không. Ở đây, chúng tôi đã nghiên cứu các tác động của C2S NPs đối với sự phân hóa của tế bào gốc trung mô tủy xương (BMSCs) thành tế bào tạo xương. Hơn nữa, chúng tôi đã xác định sự biểu hiện gen và protein tạo xương trong BMSCs được điều trị bằng C2S NPs. Chúng tôi phát hiện ra rằng tự thực bào đóng vai trò quan trọng trong khả năng của C2S NPs để thúc đẩy sự phân hóa tạo xương của BMSCs. Kết quả của chúng tôi cho thấy việc điều trị bằng C2S NPs đã làm tăng sự biểu hiện của BMP2, UNX2, và OSX trong BMSCs, đồng thời thúc đẩy đáng kể sự biểu hiện của LC3 và Beclin, trong khi P62 (một cơ chất tự thực bào) thì giảm. Việc điều trị bằng C2S NPs cũng có thể tăng cường nhuộm Alizarin đỏ S (ARS), mặc dù hoạt động phosphatase kiềm (ALP) không thay đổi đáng kể. Tuy nhiên, tất cả các tác động này có thể được đảo ngược một phần bằng 3-MA. Chúng tôi đã phát hiện các con đường tín hiệu tiềm năng liên quan đến tác động sinh học này và nhận thấy rằng C2S NPs có thể kích hoạt tự thực bào bằng cách ức chế mTOR và thúc đẩy sự biểu hiện của ULK1. Tự thực bào sau đó kích hoạt sự biểu hiện của β-catenin và thúc đẩy sự phân hóa tạo xương. Kết luận, C2S NPs thúc đẩy sự hình thành xương và sự phân hóa tạo xương trong BMSCs bằng cách kích hoạt tự thực bào. Chúng đạt được hiệu quả này thông qua việc kích hoạt mTOR/ULK1, kích thích tự thực bào và sau đó khởi động con đường WNT/β-catenin để tăng cường sự phân hóa và chịu khoáng hóa của tế bào tạo xương.
Từ khóa
Tài liệu tham khảo
Dong S, Sun J, Li Y, Li J, Cui W, Li B. Electrospun nanofibrous scaffolds of poly (L-lactic acid)-dicalcium silicate composite via ultrasonic-aging technique for bone regeneration. Mater Sci Eng C Mater Biol Appl. 2014;35:426–33.
Velasquez P, Luklinska ZB, Meseguer-Olmo L, de Val JEMS, Delgado-Ruiz RA, Calvo-Guirado JL, Ramirez-Fernandez MP, de Aza PN. TCP ceramic doped with dicalcium silicate for bone regeneration applications prepared by powder metallurgy method: in vitro and in vivo studies. J Biomed Mater Res Part A. 2013;101(7):1943–54.
Chen CC, Ho CC, David Chen CH, Wang WC, Ding SJ. In vitro bioactivity and biocompatibility of dicalcium silicate cements for endodontic use. J Endod. 2009;35(11):1554–7.
de Aza PN, Zuleta F, Velasquez P, Vicente-Salar N, Reig JA. alpha ‘(H) -Dicalcium silicate bone cement doped with tricalcium phosphate: characterization, bioactivity and biocompatibility. J Mater Sci-Mater M. 2014;25(2):445–52.
Wu BC, Huang SC, Ding SJ. Comparative osteogenesis of radiopaque dicalcium silicate cement and white-colored mineral trioxide aggregate in a rabbit femur model. Materials. 2013;6(12):5675–89.
Chiang TY, Ding SJ. Comparative physicochemical and biocompatible properties of radiopaque dicalcium silicate cement and mineral trioxide aggregate. J Endodont. 2010;36(10):1683–7.
Lai S, Chen L, Cao W, Cui S, Li X, Zhong W, Ma M, Zhang Q. Dicalcium silicate induced proinflammatory responses through TLR2-mediated NF-kappaB and JNK pathways in the murine RAW 264.7 macrophage cell line. Mediators Inflamm. 2018. https://doi.org/10.1155/2018/8167932.
Chen, L. J.; Zhang, Y. L.; Liu, J.; Wei, L. M.; Song, B.; Shao, L. Q., Exposure of the murine RAW 264.7 macrophage cell line to dicalcium silicate coating: assessment of cytotoxicity and pro-inflammatory effects. J Mater Sci-Mater M 2016, 27 (3)59.
Radwan MM, Abd El-Hamid HK, Mohamed AF. Influence of saline solution on hydration behavior of beta-dicalcium silicate in comparison with biphasic calcium phosphate/hydroxyapatite bio-ceramics. Mat Sci Eng C-Mater. 2015;57:355–62.
Qi M, Zhang L, Ma Y, Shuai Y, Li L, Luo K, Liu W, Jin Y. Autophagy maintains the function of bone marrow mesenchymal stem cells to prevent estrogen deficiency-induced osteoporosis. Theranostics. 2017;7(18):4498–516.
Lin NY, Chen CW, Kagwiria R, Liang RF, Beyer C, Distler A, Luther J, Engelke K, Schett G, Distler JHW. Inactivation of autophagy ameliorates glucocorticoid-induced and ovariectomy-induced bone loss. Ann Rheum Dis. 2016;75(6):1203–10.
Song S, Yu J, Xiao Q, Ye X, Zhong Y, Zhu W. A stepwise loading method to magnetically responsive Pt-Fe3O 4/MCNT catalysts for selective hydrogenation of 3-methylcrotonaldehyde. Nanoscale Res Lett. 2014;9(1):2498.
Ma, Y.; Qi, M.; An, Y.; Zhang, L.; Yang, R.; Doro, D. H.; Liu, W.; Jin, Y., Autophagy controls mesenchymal stem cell properties and senescence during bone aging. Aging Cell 2018, 17 (1).
Nuschke A, Rodrigues M, Stolz DB, Chu CT, Griffith L, Wells A. Human mesenchymal stem cells/multipotent stromal cells consume accumulated autophagosomes early in differentiation. Stem Cell Res Ther. 2014;5(6):140.
Li Y, Su J, Sun W, Cai L, Deng Z. AMP-activated protein kinase stimulates osteoblast differentiation and mineralization through autophagy induction. Int J Mol Med. 2018;41(5):2535–44.
Ha SW, Weitzmann MN, Beck GR. Bioactive silica nanoparticles promote osteoblast differentiation through stimulation of autophagy and direct association with LC3 and p62. ACS Nano. 2014;8(6):5898–910.
Chen HQ, Liu XB, Chen H, Cao J, Zhang L, Hu XY, Wang JA. Role of SIRT1 and AMPK in mesenchymal stem cells differentiation. Ageing Res Rev. 2014;13:55–64.
Wu JH, Ren BW, Shi FL, Hua P, Lin H. BMP and mTOR signaling in heterotopic ossification: does their crosstalk provide therapeutic opportunities? J Cell Biochem. 2019;120(8):12108–22.
Zhou T, Yan YR, Zhao CC, Xu Y, Wang Q, Xu N. Resveratrol improves osteogenic differentiation of senescent bone mesenchymal stem cells through inhibiting endogenous reactive oxygen species production via AMPK activation. Redox Rep. 2019;24(1):62–9.
Li Z, Liu X, Zhu Y, Du Y, Liu X, Lv L, Zhang X, Liu Y, Zhang P, Zhou Y. Mitochondrial phosphoenolpyruvate carboxykinase regulates osteogenic differentiation by modulating AMPK/ULK1-dependent autophagy. Stem Cells. 2019;37(12):1542–55.
Carbonare, L. D.; Mottes, M.; Cheri, S.; Deiana, M.; Zamboni, F.; Gabbiani, D.; Schena, F.; Salvagno, G. L.; Lippi, G.; Valenti, M. T., Increased Gene Expression of RUNX2 and SOX9 in Mesenchymal Circulating Progenitors Is Associated with Autophagy during Physical Activity. Oxid Med Cell Longev 2019
Zhou Z, Shi G, Zheng X, Jiang S, Jiang L. Autophagy activation facilitates mechanical stimulation-promoted osteoblast differentiation and ameliorates hindlimb unloading-induced bone loss. Biochem Biophys Res Commun. 2018;498(3):667–73.
Liu X, He J, Zhang SM, Wang XM, Liu HY, Cui FZ. Adipose stem cells controlled by surface chemistry. J Tissue Eng Regen M. 2013;7(2):112–7.
Arumugam V, Venkatesan M, Ramachandran S, Sundaresan U. Bioactive peptides from marine ascidians and future drug development-A review. Int J Pept Res Ther. 2018;24(1):13–8.
Fu HL, Rahaman MN, Brown RF, Day DE. Evaluation of bone regeneration in implants composed of hollow HA microspheres loaded with transforming growth factor beta 1 in a rat calvarial defect model. Acta Biomater. 2013;9(3):5718–27.
Vieira S, Vial S, Reis RL, Oliveira JM. Nanoparticles for bone tissue engineering. Biotechnol Progr. 2017;33(3):590–611.
Meseguer-Olmo L, Aznar-Cervantes S, Mazon P, De Aza PN. “In vitro” behaviour of adult mesenchymal stem cells of human bone marrow origin seeded on a novel bioactive ceramics in the Ca2SiO4-Ca-3(PO4)(2) system. J Mater Sci-Mater M. 2012;23(12):3003–14.
Correa D, Almirall A, Carrodeguas RG, dos Santos LA, De Aza AH, Parra J, Morejon L, Delgado JA. alpha-Tricalcium phosphate cements modified with beta-dicalcium silicate and tricalcium aluminate: physicochemical characterization, in vitro bioactivity and cytotoxicity. J Biomed Mater Res B. 2015;103(1):72–83.
McAuliffe ME, Perry MJ. Are nanoparticles potential male reproductive toxicants? a literature review. Nanotoxicology. 2007;1(3):204–10.
Manj, R. Z. A.; Chen, X. Q.; Rehman, W. U.; Zhu, G. J.; Luo, W.; Yang, J. P., Big Potential From Silicon-Based Porous Nanomaterials: In Field of Energy Storage and Sensors. Front Chem 2018, 6, 539.
Patel S, Kim J, Herrera M, Mukherjee A, Kabanov AV, Sahay G. Brief update on endocytosis of nanomedicines. Adv Drug Deliver Rev. 2019;144:90–111.
Hench LL, Paschall HA. Direct chemical bond of bioactive glass-ceramic materials to bone and muscle. J Biomed Mater Res. 1973;7(3):25–42.
Li HW, Sun JY. Effects of dicalcium silicate coating ionic dissolution products on human mesenchymal stem-cell proliferation and osteogenic differentiation. J Int Med Res. 2011;39(1):112–28.
Dou XJ, Wei XW, Liu G, Wang S, Lv YX, Li JL, Ma ZJ, Zheng GS, Wang YK, Hu MH, Yu WT, Zhao DW. Effect of porous tantalum on promoting the osteogenic differentiation of bone marrow mesenchymal stem cells in vitro through the MAPK/ERK signal pathway. J Orthop Transl. 2019;19:81–93.
Xiao L, Xiao Y. The autophagy in osteoimmonology: self-eating, maintenance, and beyond. Front Endocrinol. 2019;10:490.
Singh, R. K.; Haka, A. S.; Chin, H. F.; Grosheva, I.; Maxfield, F. R., TLR4 Signaling Regulates Lysosome Exocytosis to a Novel Extracellular Compartment. Faseb Journal 2013, 27,.
Stern ST, Adiseshaiah PP, Crist RM. Autophagy and lysosomal dysfunction as emerging mechanisms of nanomaterial toxicity. Part Fibre Toxicol. 2012;9:20.
Randhawa R, Sehgal M, Singh TR, Duseja A, Changotra H. Unc-51 like kinase 1 (ULK1) in silico analysis for biomarker identification: a vital component of autophagy. Gene. 2015;562(1):40–9.