于書娟 劉洪臣
由于頜骨作為全身骨骼的一部分,在很多方面是相似的,有研究表明,全身骨的骨量減少與頜骨的骨量減少非常相似,并且有一定的相關(guān)性[1-3],所以很多學(xué)者在頜骨的骨量減少的防治上使用全身骨質(zhì)疏松癥的治療藥物。依普黃酮(ipriflavone,IP)是人工合成的異黃酮,已被報道能增加骨質(zhì)疏松患者的骨密度[4]并具有抗氧化特性[5],其雖然具有雌激素的作用,但對子宮內(nèi)膜和乳腺的刺激作用小于雌激素[6,7],作為骨質(zhì)疏松癥藥物在臨床已經(jīng)應(yīng)用多年,并且引起口腔醫(yī)學(xué)者的關(guān)注。有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)依普黃酮可以促進牙周膜細胞的體外增殖和成骨分化,促進牙齒移動后的牙周組織的重組,預(yù)防正畸后的復(fù)發(fā)[8]。也有學(xué)者的研究結(jié)果提示依普黃酮可以增加頜骨的骨密度[9],從而對頜骨的骨質(zhì)疏松有一定的防治效果。本實驗通過研究依普黃酮對骨質(zhì)疏松大鼠頜骨成骨細胞的線粒體相關(guān)因子解偶聯(lián)蛋白2(uncoupling protein 2,UCP2)、腺苷三磷酸(adenosine triphosphate,ATP)和活性氧(reactive oxygen species,ROS)的影響,為依普黃酮應(yīng)用于口腔頜骨骨質(zhì)疏松防治的研究提供理論基礎(chǔ),并且初步探索其分子作用機制。
1.1 主要試劑和設(shè)備 依普黃酮(Sigma,美國),杜爾貝科改良伊格爾培養(yǎng)基(dulbecco′s modified eagle medium,DMEM)(Gibco,美國),胰蛋白酶(Amresco,美國),新生牛血清(四季青,杭州),胎牛血清(Gibco,美國),培養(yǎng)細胞總RNA 提取試劑盒(TIANGEN,北京),逆轉(zhuǎn)錄聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)試劑盒(TIANGEN,北京),SDS-PAGE 凝膠制備試劑盒(BOSTER,武漢),總蛋白抽提試劑盒(BOSTER,武漢),辣根酶標(biāo)記的山羊抗兔IgG(Santa,美國),兔抗鼠UCP2 單克隆抗體(BOSTER,武漢)。其余試劑為國產(chǎn)分析純。
雙能X 線骨密度儀(Lunar,美國),ELx800uv全自動酶標(biāo)儀(Bio-Tek,美國),倒置相差顯微鏡(Leica,德國),紫外分光光度計(Beckman-DU640,美國),多功能熒光分析儀(FLUOstar Omega,BMG LABTECH,德國),TDZS-WS 型多管架自動平衡高速離心機(湘儀公司,長沙),低溫高速離心機(Eppendorf,德國),ST-Ⅰ型半干式轉(zhuǎn)移電泳槽(競邁生物,大連)。
1.2 動物來源20 只SD 大鼠(雌性,12 周齡,約300g)在實驗動物房中進行適應(yīng)性喂養(yǎng),觀察一周,大鼠均健康。
1.3 骨質(zhì)疏松大鼠動物模型的建立 實驗大鼠被隨機平均分為兩組[去勢組(n=10)和假手術(shù)組(n=10)]。麻醉后取仰臥位,正中切開腹部,去勢組對雙側(cè)卵巢結(jié)扎切除,假手術(shù)組對雙側(cè)卵巢附近的與卵巢大小相似的小塊脂肪切除,嚴密縫合腹部傷口,術(shù)中注意無菌操作,術(shù)后注射抗生素防止感染。大鼠在術(shù)后12 周時,通過綜合分析評價,成功建立骨質(zhì)疏松動物模型[10]。
1.4 骨質(zhì)疏松大鼠頜骨成骨細胞的培養(yǎng)和傳代 全麻下處死已建立骨質(zhì)疏松模型的大鼠,無菌條件下取出下頜骨,去除頜骨上的肌肉和筋膜,完整的拔除頜骨上的牙齒,運用課題組人員熟練使用的成骨細胞培養(yǎng)方法,即組織塊法和酶消法共同培養(yǎng)的方法[10,11]。首先,在無菌器皿中用無菌剪刀將下頜骨,剪成約2mm 直徑大小的骨片,倒入0.125%胰蛋白酶將骨片完全覆蓋,約8min 后,將首次消化的液體倒掉。再用胰蛋白酶連續(xù)消化骨片5次,依次收集,高速離心,將離心管中上清液棄去,管底部細胞重懸后接種到培養(yǎng)瓶中。然后胰蛋白酶消化后留下的骨片加入培養(yǎng)基,繼續(xù)用無菌剪刀將骨片剪成約1mm 直徑大小,倒入培養(yǎng)瓶中培養(yǎng)。待成骨細胞長滿全瓶后傳代。
當(dāng)培養(yǎng)的成骨細胞在培養(yǎng)瓶中達到約80%的融合率時,換成不含血清的培養(yǎng)基繼續(xù)培養(yǎng)24h,以使得細胞達到同步化,然后將細胞分成依普黃酮組和對照組,分別采用含10-8M 依普黃酮[12]的培養(yǎng)基和不含依普黃酮的培養(yǎng)基培養(yǎng)成骨細胞72h。然后進行ATP含量檢測、ROS含量檢測、UCP2的RT-PCR基因檢測和UCP2 的western blot 蛋白檢測。
1.5 成骨細胞的ATP 含量檢測 將成骨細胞以3×105細胞/ml 接種于5個6 孔板,用無血清培養(yǎng)基同步化,每個6 孔板中3個孔使用藥物干預(yù),3個孔用作對照。藥物干預(yù)72h 后。使用ATP 檢測試劑盒(Beyotime,中國)中提供的試劑,溶解成骨細胞10min。溶解后,混合物在12000g 和4oC下離心10min。將ATP 檢測工作液在不透明的96孔板中孵育5min,以減少ATP 的背景。然后將離心后的成骨細胞上清液轉(zhuǎn)移到96 孔板中2s,立即用多功能熒光分析儀(FLUOstar Omega,BMG LABTECH,德國)在562nm 波長下測量化學(xué)發(fā)光(熒光素酶催化熒光素產(chǎn)生熒光)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計算出ATP 濃度。
1.6 成骨細胞的ROS 含量檢測 將成骨細胞以1×106細胞/ml 的密度接種于5個6 孔板,每個6 孔板中3個孔使用藥物干預(yù),3個孔用作對照。細胞同步化和藥物干預(yù)培養(yǎng)后,用PBS 洗滌細胞兩次,并將用無血清培養(yǎng)基稀釋的DCFH-DA 探針(1∶1000 稀釋)添加到培養(yǎng)板中,繼續(xù)培養(yǎng)細胞20min 后,用無血清培養(yǎng)基連續(xù)洗滌3次,用于去除多余的DCFH-DA,然后以800 轉(zhuǎn)/分離心6min。用PBS 洗滌細胞并在0.3ml PBS 中重新懸浮,將0.2ml 含有細胞的懸浮液轉(zhuǎn)移到96 孔板中,用多功能熒光光分析儀(FLUOstar Omega,BMG LABTECH,德國)測量熒光(488nm 的激發(fā)/波長,525nm 的散發(fā)波長)。通過減去自身熒光背景校正,最終獲得成骨細胞的ROS 含量。
1.7 RT-PCR 將成骨細胞以1×105細胞/ml接種于3個12 孔板,每個12 孔板中6個孔使用藥物干預(yù),6個孔用作對照。培養(yǎng)72h 后,用PBS 連續(xù)沖洗三次,用總RNA 提取試劑盒抽提成骨細胞的總RNA。用逆轉(zhuǎn)錄聚合酶鏈反應(yīng)式試劑盒反轉(zhuǎn)錄1.5μg 的mRNA 為cDNA,進行PCR。引物的合成通過專業(yè)生物技術(shù)公司(上海英俊公司,中國)完成,見表1。
表1 用于RT?PCR的基因引物
每個25μl 的PCR 反應(yīng)體系包括1.5μl 的cDNA,0.5μl 的dNTPs(10mM),2.5μl 的10×PCR 緩沖液,0.5μl 的β-肌動蛋白f(25pmol/ul),0.5μl 的β-肌動蛋白r(25pmol/ul),0.5μl的Taq 酶(2u/ul)和ddH2O(補足至25μl)。設(shè)置循環(huán)參數(shù),在94℃預(yù)變性2min,再按94℃/30s、63℃/30s 和72℃/30s 擴增30個循環(huán)。然后用瓊脂糖凝膠電泳30min,獲得圖像,用Labworks 4.0 圖像采集分析軟件(PerkinElmer,Waltham,Massachusetts,USA)對各條帶積分光密度值(IOD)進行分析,以目標(biāo)基因與GADPH 基因的IOD 值之比作為目標(biāo)基因表達水平,每一個樣品分析三次。
1.8 Western Blotting 將成骨細胞以1×105細胞/ml接種于3個12孔板,每個12孔板中6個孔使用藥物干預(yù),6個孔用作對照。藥物干預(yù)培養(yǎng)72h后,將待檢測的成骨細胞用PBS洗滌三次后加入細胞裂解液,冰上輕搖晃15min。刮取各孔的成骨細胞并且收集于1.5ml試管中,在12000g下4℃離心15min,上清液經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化后分裝。含有等量蛋白質(zhì)(30μg)的成骨細胞上清液,用、SDS-PAGE 分離蛋白,電轉(zhuǎn)移至PVDF膜。轉(zhuǎn)移后,用40ml的0.1%Tris緩沖鹽水吐溫(Tris-Buffered Saline Tween-20,TBST)洗滌緩沖液(含5%脫脂乳,pH值7.4)并在4℃下過夜封閉,加入稀釋度1∶300的兔抗鼠UCP2抗體(BOSTER,武漢),稀釋度1∶2000的β-肌動蛋白,在37℃下孵育2h后,洗滌膜三次后,加入稀釋度1∶2000的辣根酶標(biāo)記的山羊抗兔IgG(Santa,美國),繼續(xù)37℃下孵育1h,滴加化學(xué)發(fā)光試劑,X光片盒中曝光。通過Quantity One軟件分析得出結(jié)果。以β-肌動蛋白的百分比表示成骨細胞的UCP2蛋白表達。
1.9 統(tǒng)計學(xué)方法 采用統(tǒng)計軟件SPSS 25.0進行實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析,數(shù)據(jù)結(jié)果采用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差的方式表示,對于依普黃酮組和對照組之間數(shù)據(jù)的比較采用t檢驗,P<0.05認為兩組間有顯著性差異。
2.1 倒置顯微鏡下成骨細胞的形態(tài)觀察 骨質(zhì)疏松大鼠頜骨成骨細胞的形態(tài)如圖1 所示,多呈長梭形、三角形或多角形等多種形態(tài),有多個長或短突起,與相鄰的細胞連接;細胞核呈圓形或橢圓形,居于細胞中間或略偏向一側(cè),可看到明顯的一個或兩個核仁;在細胞重疊生長的區(qū)域,可見緊靠的多個細胞核。
圖1 骨質(zhì)疏松大鼠頜骨成骨細胞(×200)
2.2 成骨細胞ATP 含量檢測的結(jié)果 骨質(zhì)疏松大鼠頜骨成骨細胞ATP 含量的熒光檢測結(jié)果如圖2 所示,依普黃酮組(15.3±1.31μmol/g)明顯高于對照組(9.9±0.78μmol/g),并且這種差別有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.01)。
圖2 成骨細胞ATP水平的檢測結(jié)果(*代表P<0.05)
2.3 成骨細胞的ROS含量檢測結(jié)果 檢測實驗組和對照組成骨細胞ROS 含量的結(jié)果顯示(如圖3),依普黃酮組(276±20)明顯低于對照組(427±35),有高度顯著性差異(P<0.01)。
圖3 成骨細胞ROS含量的檢測結(jié)果(*代表P<0.05)
2.4 成骨細胞UCP2 的mRNA 基因表達水平圖4 顯示的是成骨細胞UCP2 的mRNA 基因表達情況,與對照組(0.68±0.05)相比,依普黃酮組(0.84±0.08)出現(xiàn)了顯著的升高,P<0.05。
圖4 成骨細胞UCP2的mRNA的基因表達水平(*代表P<0.05)
2.5 成骨細胞UCP2 的蛋白表達水平UCP2蛋白檢測結(jié)果顯示,依普黃酮組較高(0.51±0.04),對照組較低(0.39±0.03),兩組之間的差異具有統(tǒng)計學(xué)上的意義(P<0.05),見圖5。
圖5 成骨細胞UCP2蛋白水平表達的檢測結(jié)果(*代表P<0.05)
近年來,人們越來越關(guān)注骨質(zhì)疏松癥對口腔醫(yī)學(xué)的影響,如種植體植入后的骨整合,拔牙后牙槽骨的骨吸收,或牙周炎的骨改變等[13-16]。依普黃酮作為一種有效的防治骨質(zhì)疏松的藥物,在多個國家得到了廣泛的應(yīng)用。其不但可以抑制骨吸收,并且具有雌激素和降鈣素的作用。依普黃酮可能在GPER1 的p38MAPK 信號通路途徑中發(fā)揮重要的作用[17]。因此,依普黃酮對頜骨以及口腔疾病的影響也越來越受到學(xué)者的關(guān)注,對于其相關(guān)的分子機制研究也成為熱點。有研究表明依普黃酮可以增加牙周膜干細胞的成骨分化,并且GPR30 介導(dǎo)的PI3K/Akt 通路在其中起著重要的作用[8]。p38MAPK 通路和PI3K/Akt 通路均能通過磷酸化某些因子調(diào)控著細胞的增殖和凋亡。而磷酸化的過程是在線粒體中完成的。在本研究中,通過體外培養(yǎng)骨質(zhì)疏松大鼠下頜骨成骨細胞,研究依普黃酮對成骨細胞的線粒體相關(guān)細胞因子的影響,也為口腔醫(yī)學(xué)的進一步研究提供了一定的研究思路。
線粒體是一種重要的細胞器,為細胞功能活動提供能量,有“電力站”之稱,同時,它也是有氧呼吸的重要場所,與ATP 和ROS 的生成直接相關(guān)。而UCP2 作為線粒體內(nèi)膜上的質(zhì)子轉(zhuǎn)運蛋白,使質(zhì)子通過直接滲漏回線粒體基質(zhì)的方式,部分解偶聯(lián)氧化磷酸化,使得ATP的產(chǎn)生出現(xiàn)減少的情況[18,19];同時,UCP2 通過減少呼吸鏈電子漏的發(fā)生和降低線粒體內(nèi)膜兩側(cè)的電化學(xué)梯度,能減少ROS 的產(chǎn)生。對于ATP 來說,Megha Rajendran 等認為,ATP 不僅是細胞進行各種功能活動能量的直接來源,也是生物體內(nèi)外新陳代謝和信號傳導(dǎo)的中心分子[20]。Lukas Jaroslaw 等研究報道UCP2 通過調(diào)控ATP 的濃度起到調(diào)控細胞鈣的攝取[21];而鈣離子在細胞行使功能活動時起到重要的作用。同時,對于ROS 來說,ROS 是衰老、炎癥及某些疾病的發(fā)病機制之一,可以通過氧化應(yīng)激反應(yīng)誘導(dǎo)細胞凋亡,從而起到調(diào)節(jié)機體細胞生死平衡的作用。已有多個研究表明,當(dāng)線粒體內(nèi)膜電勢升高時,UCP2可抑制ROS 的產(chǎn)生[22,23]。而在口腔醫(yī)學(xué)研究中,也有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)炎癥微環(huán)境可以顯著地提高牙周膜干細胞的ROS表達水平,從而起到抑制細胞線粒體生成和抗氧化反應(yīng)[24]。Fatokun AA 等[25]的研究也表明,ROS 起到影響成骨樣細胞作用,從而推測其可能與骨質(zhì)疏松癥有一定得關(guān)系。所以說,線粒體相關(guān)因子UCP2、ATP和ROS三者既關(guān)系密切,又各自在細胞的各種功能活動中起著重要的作用,從而為依普黃酮對骨質(zhì)疏松癥頜骨成骨細胞影響的分子機制的探討,提供一種好的研究思路和途徑。
已經(jīng)有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),去勢后大鼠脂肪組織中UCP2的表達出現(xiàn)了降低[26]。并且我們前期的研究結(jié)果顯示,骨質(zhì)疏松大鼠下頜骨成骨細胞表達UCP2 較低,而ROS 和ATP 較高[10]。在本實驗中,研究發(fā)現(xiàn)依普黃酮能促進UCP2 的表達,降低ROS的表達,部分糾正了骨質(zhì)疏松大鼠頜骨成骨細胞的異常表達,通過降低ROS對成骨細胞的結(jié)構(gòu)和功能具有保護作用,也提示依普黃酮可能通過UCP2 和ROS 來調(diào)節(jié)骨質(zhì)疏松大鼠頜骨成骨細胞的功能活動。然而,本實驗還表明,依普黃酮對成骨細胞的作用,除了ROS 的減少和UCP2 的增加,ATP 的產(chǎn)生也增加,這似乎是使得骨質(zhì)疏松大鼠頜骨成骨細胞本來就很高的ATP 的表達更高了,但是,其一方面表明ATP的產(chǎn)生可能不僅僅受UCP2的調(diào)控,其他基因或蛋白質(zhì)也可能對ATP 的產(chǎn)生起調(diào)控作用,另一個方面也說明依普黃酮通過增加ATP 水平為成骨細胞的各種功能活動提供足夠的能量支持,促進骨生成,從而起到一定的防治骨質(zhì)疏松的作用。
總之,依普黃酮可能起到調(diào)控骨質(zhì)疏松大鼠頜骨成骨細胞的線粒體相關(guān)因子UCP2、ROS 和ATP等的作用,但是其作用機制的研究非常復(fù)雜,我們的研究結(jié)果只是提供了一定的研究基礎(chǔ)和理論依據(jù),仍然需要進一步開展更多的實驗研究來探索。