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        姜黃素對(duì)衰老相關(guān)骨質(zhì)疏松小鼠骨代謝平衡的影響

        2021-07-03 08:18:42吳文強(qiáng)夏宸渝謝鑫炎李航王嬌嬌劉婷屈健黃松魯瓊廣州中醫(yī)藥大學(xué)中藥學(xué)院廣州50006株洲人民醫(yī)院藥劑科湖南株洲000中南大學(xué)湘雅二醫(yī)院藥學(xué)部長沙00長沙市中心醫(yī)院內(nèi)分泌科長沙000
        中南藥學(xué) 2021年6期
        關(guān)鍵詞:小梁成骨姜黃

        吳文強(qiáng),夏宸渝,謝鑫炎,李航,王嬌嬌,劉婷,屈健,黃松,魯瓊*(.廣州中醫(yī)藥大學(xué)中藥學(xué)院,廣州 50006;.株洲人民醫(yī)院藥劑科,湖南 株洲 000;.中南大學(xué)湘雅二醫(yī)院藥學(xué)部,長沙 00;.長沙市中心醫(yī)院內(nèi)分泌科,長沙 000)

        衰老相關(guān)性骨質(zhì)疏松是老年人中常見的代謝性疾病,以骨量減少、骨微結(jié)構(gòu)破壞和骨折風(fēng)險(xiǎn)增加為主要特征[1-2]。隨著人口老齡化,骨質(zhì)疏松癥發(fā)病率日趨升高,嚴(yán)重危害人們的健康。衰老相關(guān)性骨質(zhì)疏松以骨形成減少為主[3],而臨床治療效果欠佳,如何促進(jìn)骨形成亟待解決。目前治療骨質(zhì)疏松的一線藥物如雙膦酸鹽類等,主要針對(duì)骨吸收增多所致的骨質(zhì)疏松,而對(duì)骨形成減少所致的衰老相關(guān)性骨質(zhì)疏松療效欠佳[4-5]。而目前臨床應(yīng)用的促進(jìn)骨形成的藥物僅有特立帕肽,但因其長期使用會(huì)增加骨腫瘤的患病風(fēng)險(xiǎn),因此推薦使用不超過2年[6]。為此,尋找安全有效的促骨形成藥物對(duì)于衰老相關(guān)性骨質(zhì)疏松的治療至關(guān)重要。

        姜黃素是從姜黃中提取得到的一種多酚類化合物,具有抗氧化、抗炎和抗腫瘤等多種藥理活性[7-10],對(duì)骨質(zhì)疏松治療具有潛在作用[11-13]。臨床研究發(fā)現(xiàn)姜黃素聯(lián)合阿侖膦酸鹽可以改善絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松婦女的骨密度[14]。骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(BMSCs)可分化為成骨細(xì)胞、軟骨細(xì)胞等[15],成人隨著年齡的增長,BMSCs的成骨分化潛能下降,導(dǎo)致成骨細(xì)胞分化數(shù)量減少,骨形成能力下降,從而導(dǎo)致骨質(zhì)疏松的發(fā)生[3,16]。研究發(fā)現(xiàn)姜黃素可以促進(jìn)體外BMSCs成骨分化[17],而在體內(nèi)的研究卻不多見,因此,本研究著重于姜黃素在體內(nèi)對(duì)衰老相關(guān)性骨質(zhì)疏松中骨代謝平衡的影響。

        1 材料

        1.1 試藥

        姜黃素(批號(hào):SLBN7214V,純度≥65%,美國Sigma公司),橄欖油(批號(hào):H28J10P91601,上海源葉生物科技有限公司),二甲基亞砜(DMSO)(廣州捷倍斯生物科技有限公司),胎牛血清、α-MEM培養(yǎng)基(美國Biological Industries公司),茜素紅S染液(賽業(yè)生物科技有限公司),抗壞血酸、地塞米松、β-甘油磷酸、H&E染色試劑、TRAP染色試劑(美國Sigma公司),MTT試劑盒(碧云天公司),Liberase DL消化酶(瑞士Roche公司)。

        1.2 儀器

        mircoCT儀(Skyscan 1172,德國Bruker公司),石蠟切片機(jī)(microm HM325)、細(xì)胞培養(yǎng)箱(美國Thermo Fisher公司),酶標(biāo)儀(瑞士Tecan公司)。

        1.3 實(shí)驗(yàn)動(dòng)物

        24只健康的C57BL/6雄性小鼠,12月齡,質(zhì)量為27~33 g;4只7日齡的C57BL/6小鼠[上海西普爾-必凱實(shí)驗(yàn)動(dòng)物有限公司,動(dòng)物使用許可證號(hào):SYXK(湘)2015-0017]。所有動(dòng)物飼養(yǎng)和實(shí)驗(yàn)方案由中南大學(xué)湘雅醫(yī)學(xué)院實(shí)驗(yàn)動(dòng)物研究中心動(dòng)物倫理委員會(huì)審查并批準(zhǔn)。

        2 方法

        2.1 細(xì)胞實(shí)驗(yàn)

        2.1.1 原代BMSCs提取[18]取4只7日齡的小鼠股骨和脛骨,置于Liberase DL消化酶中,在37℃恒溫水浴鍋中消化。通過冷凍離心獲得細(xì)胞懸液,補(bǔ)充1 mL完全培養(yǎng)基(含10%胎牛血清、100 U·mL-1青霉素、100 μg·mL-1鏈霉素的α-MEM培養(yǎng)基)。將細(xì)胞液種于培養(yǎng)皿中,每隔一日更換培養(yǎng)基,通過抗CD11b磁珠清除CD11b陽性的細(xì)胞,獲得原代BMSCs。BMSCs培養(yǎng)條件為完全培養(yǎng)基培養(yǎng),37℃,5%CO2的培養(yǎng)箱,2~3 d傳代一次。

        2.1.2 MTT檢測細(xì)胞活性 細(xì)胞融合度為70%~80%時(shí),消化離心,計(jì)數(shù)后將細(xì)胞接種在96孔板中,每孔大約2000個(gè)細(xì)胞,按照說明書方法,在培養(yǎng)箱孵育24 h后,用含有姜黃素的新鮮培養(yǎng)基替換舊培養(yǎng)基,孵育一段時(shí)間。然后在每孔中加入10 μL MTT液,再孵育4 h,最后加入100 μL DMSO溶解甲臜,當(dāng)結(jié)晶完全溶解后在570 nm處測量吸光度。

        2.1.3 成骨誘導(dǎo)實(shí)驗(yàn) 取生長良好的BMSCs,接種于6孔板。當(dāng)細(xì)胞融合度達(dá)到40%~50%時(shí),吸棄完全培養(yǎng)基,加入2 mL成骨誘導(dǎo)分化完全培養(yǎng)基[含有不同濃度的姜黃素(0、1、2 μmol·L-1)+0.05 mmol·L-1抗壞血酸+0.1 nmol·L-1地塞米松+10 mmol·L-1β-甘油磷酸+10%胎牛血清+100 U·mL-1青霉素+100 μg·mL-1鏈霉素的α-MEM培養(yǎng)基]。每隔3 d更換新鮮的成骨誘導(dǎo)分化完全培養(yǎng)基。誘導(dǎo)17 d后用2%茜素紅S(pH=4.2)染色。在顯微鏡下觀察礦化情況并拍照記錄。

        2.2 動(dòng)物實(shí)驗(yàn)

        2.2.1 動(dòng)物分組和給藥方法 將C57BL/6雄性小鼠隨機(jī)分為對(duì)照組、姜黃素組(50、100 mg·kg-1,用橄欖油溶解),每組8只,對(duì)照組灌胃橄欖油,實(shí)驗(yàn)組灌胃姜黃素,每日灌胃給藥,連續(xù)給藥3個(gè)月。

        2.2.2 顯微計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)(microCT)給藥3個(gè)月后,取小鼠股骨,用4%多聚甲醛固定24 h,然后使用microCT儀進(jìn)行掃描。采用股骨遠(yuǎn)端的橫斷面圖像進(jìn)行股骨的三維組織形態(tài)計(jì)量學(xué)分析。在股骨遠(yuǎn)端,選擇距生長板下方、股骨長度5%的區(qū)域作為分析的區(qū)域,用來確定單位組織體積中的骨小梁體積(BV/TV)、骨小梁數(shù)目(Tb.N)、骨小梁分離度(Tb.Sp)、骨小梁厚度(Tb.Th)。

        2.2.3 蘇木精-伊紅(HE)染色 持續(xù)給藥3個(gè)月后,取小鼠股骨,用10%福爾馬林固定24 h,然后用10%乙二胺四乙酸(EDTA)脫鈣14 d,用石蠟包埋,切成厚度為4 μm的骨切片。切片采用二甲苯脫蠟與梯度乙醇脫水,蘇木精染色5 min,水沖洗,伊紅染色3 min,再次用水沖洗,乙醇進(jìn)行脫水后自然晾干,二甲苯透明10 min,中性樹膠封片,于顯微鏡下觀察骨組織變化并拍照用來定量脂肪細(xì)胞。

        2.2.4 抗酒石酸酸性磷酸酶(TRAP)染色 取小鼠股骨,用10%福爾馬林固定24 h,脫鈣包埋,切成厚度為4 μm的骨切片。梯度脫水后,TRAP染液37℃孵育1 h,然后加入0.02%苯酚磷酸鹽緩沖液,孵育1 h。結(jié)束后,加入按照1∶1體積配制的4%亞硝酸鈉溶液和5%副品紅溶液中,常溫反應(yīng)20~30 min,然后流水沖洗,固定組織后完成TRAP染色,于顯微鏡下觀察骨組織變化并拍照定量破骨細(xì)胞。

        2.3 統(tǒng)計(jì)分析

        所有數(shù)據(jù)均以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差(±s)表示,兩兩比較采用雙尾的Student’st檢驗(yàn),多組間比較用單因素方差分析。P<0.05表示差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

        3 結(jié)果

        3.1 姜黃素對(duì)BMSCs成骨分化的影響

        MTT實(shí)驗(yàn)顯示,與對(duì)照組相比,1 μmol·L-1姜黃素組的細(xì)胞存活率為(103.10±17.14)%,2 μmol·L-1姜黃素組的細(xì)胞存活率為(106.38±19.26)%,姜黃素對(duì)BMSCs活性沒有影響(P>0.05)。茜素紅染色結(jié)果見圖1,與對(duì)照組相比,姜黃素組的礦化結(jié)節(jié)數(shù)量增多,顯示姜黃素對(duì)BMSCs有明顯的促成骨作用。

        圖1 姜黃素對(duì)BMSCs成骨分化的影響(茜素紅染色)Fig 1 Effect of curcumin on the osteogenic differentiation of BMSCs(alizarin red staining)

        3.2 姜黃素對(duì)老年小鼠骨形成的影響

        microCT掃描結(jié)果顯示姜黃素可促進(jìn)老年小鼠股骨的骨形成,見圖2。采用CTan軟件計(jì)算骨小梁參數(shù),結(jié)果顯示姜黃素使骨小梁的體積變大、數(shù)量變多、厚度變厚,骨小梁的分離度降低,見表1。說明姜黃素可以促進(jìn)老年小鼠股骨的骨形成。

        圖2 姜黃素對(duì)股骨形態(tài)的影響(microCT)Fig 2 Effect of curcumin on the femoral morphology(microCT)

        表1 姜黃素對(duì)股骨骨小梁的影響Tab 1 Effect of curcumin on femoral trabecular bone

        3.3 姜黃素對(duì)老年小鼠骨組織的影響

        HE染色結(jié)果顯示,與對(duì)照組相比,姜黃素各劑量組骨組織增加,通過Image J 軟件計(jì)數(shù)脂肪細(xì)胞數(shù)目,發(fā)現(xiàn)姜黃素可以使骨組織中每平方毫米的脂肪細(xì)胞數(shù)目(No.adipocytes/T.Ar)顯著減少(P<0.01),提示姜黃素可以緩解老年小鼠的骨質(zhì)疏松癥狀,見圖3。

        圖3 姜黃素對(duì)骨組織形態(tài)學(xué)的影響(HE染色,100×)Fig 3 Effect of curcumin on bone morphology(HE staining,100×)

        3.4 姜黃素對(duì)老年小鼠破骨細(xì)胞的影響

        TRAP染色見圖4。與對(duì)照組相比,姜黃素各劑量組可以顯著減少骨表面的破骨細(xì)胞數(shù)(Oc.N/BS)(P<0.05,P<0.01),說明姜黃素也影響小鼠破骨細(xì)胞的生成。

        圖4 姜黃素對(duì)破骨細(xì)胞的影響(TRAP染色,100×)Fig 4 Effect of curcumin on osteoclasts(TRAP staining,100×)

        4 討論

        隨著我國老齡人口占社會(huì)總?cè)丝诘谋壤饾u增大,與年齡相關(guān)的老年性骨質(zhì)疏松成為重要的社會(huì)健康話題,尋找安全有效的藥物來治療老年性骨質(zhì)疏松亟待解決。骨質(zhì)疏松癥在中醫(yī)里屬于“骨痿”的范疇,主要病因是脾腎虛引起的氣血運(yùn)行不暢、出現(xiàn)血瘀,可以采用補(bǔ)腎壯骨、健脾益氣、活血通絡(luò)的方法進(jìn)行治療[19]。姜黃是來自姜科植物姜黃Curcuma longaL.的干燥根莖,具有破血行氣、通經(jīng)止痛的功效,對(duì)骨質(zhì)疏松具有潛在的療效[20]。姜黃素是姜黃的主要成分,在體外具有促進(jìn)成骨細(xì)胞生成[17,21]、抑制破骨細(xì)胞生成[22-23]的能力。姜黃作為藥食兩用的中藥,其安全性較好,可以長期應(yīng)用[7,24-25]。

        4.1 骨質(zhì)疏松模型的應(yīng)用

        常見的骨質(zhì)疏松動(dòng)物模型主要有絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松模型和老年性骨質(zhì)疏松模型,其中絕經(jīng)后骨質(zhì)疏松模型是通過對(duì)雌鼠進(jìn)行去卵巢手術(shù)而制備的[26-28];構(gòu)建老年性骨質(zhì)疏松模型的方法包括快速老化性骨質(zhì)疏松動(dòng)物模型[29]、D-半乳糖誘導(dǎo)引起的衰老性骨質(zhì)疏松模[30]和自然衰老導(dǎo)致的骨質(zhì)疏松模型[31]。目前姜黃素的研究較多側(cè)重于對(duì)去卵巢大鼠的骨質(zhì)影響[12,32],而缺乏對(duì)于衰老相關(guān)的骨質(zhì)疏松體內(nèi)研究。由于BMSCs的成骨分化能力下降是發(fā)生老年性骨質(zhì)疏松的重要原因[33],本課題通過體外姜黃素干預(yù)BMSCs初步證實(shí)了姜黃素對(duì)老年性骨質(zhì)疏松的潛在作用;在體內(nèi)研究中,本研究通過自然衰老制備骨質(zhì)疏松模型,研究姜黃素對(duì)老年性骨質(zhì)疏松的作用。

        4.2 姜黃素可以促進(jìn)骨形成

        骨質(zhì)疏松早期沒有明顯的臨床特征,很容易使患者錯(cuò)過最佳的治療時(shí)機(jī),而骨小梁數(shù)目、厚度等指標(biāo)可以反應(yīng)骨質(zhì)疏松早期的骨流失[34],因此對(duì)骨小梁的觀察研究是防治骨質(zhì)疏松是一種較好的手段。目前廣泛應(yīng)用于觀察骨小梁結(jié)構(gòu)的技術(shù)是microCT,它可通過三維圖像重建骨小梁結(jié)構(gòu)[35],適用于骨質(zhì)疏松的研究[36]。本研究通過microCT分析姜黃素對(duì)老年小鼠骨小梁的影響。與對(duì)照組相比,姜黃素組小鼠的骨小梁結(jié)構(gòu)有所改善,這與姜黃素在其他骨質(zhì)疏松模型的研究結(jié)論一致[12,37],說明姜黃素確有改善骨質(zhì)疏松癥狀的作用。為了進(jìn)一步觀察骨組織形態(tài),本研究進(jìn)行了H&E染色,發(fā)現(xiàn)姜黃素可以增加骨組織、減少骨髓脂肪細(xì)胞的數(shù)量,表明了姜黃素可能對(duì)由年齡引起的骨質(zhì)流失具有顯著的保護(hù)作用,而目前多數(shù)臨床用于骨質(zhì)疏松的藥物只影響骨吸收能力[4-5],說明姜黃素具有治療老年性骨質(zhì)疏松的潛力。

        4.3 姜黃素可以抑制骨吸收

        在骨骼發(fā)生發(fā)展過程中,破骨細(xì)胞也起著重要作用,當(dāng)破骨細(xì)胞數(shù)目較多時(shí),也會(huì)引起骨質(zhì)疏松[38]。為了觀察姜黃素對(duì)老年小鼠破骨細(xì)胞的影響,本研究進(jìn)行了TRAP染色,研究結(jié)果與體外研究一致[39],姜黃素能夠減少破骨細(xì)胞的數(shù)目,且在體內(nèi)研究中也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)論[40]。姜黃素不僅會(huì)影響老年性骨質(zhì)疏松的骨吸收進(jìn)程,還會(huì)影響其他類型骨質(zhì)疏松的骨吸收過程,提示其可以應(yīng)用于不同類型的骨質(zhì)疏松治療。

        綜上所述,本研究發(fā)現(xiàn)姜黃素既可促進(jìn)老年小鼠的骨形成,還能抑制其骨吸收,同時(shí)在其他骨質(zhì)疏松模型中發(fā)現(xiàn)姜黃素可以減少破骨細(xì)胞的數(shù)目,說明姜黃素有應(yīng)用于不同類型骨質(zhì)疏松治療的潛能,但具體的作用機(jī)制尚未明確,未來可以研究姜黃素在骨形成和骨吸收方面的作用機(jī)制,并依據(jù)機(jī)制研究結(jié)論制備合適的劑型,在提高姜黃素生物利用度的同時(shí)使其適用于不同類型的骨質(zhì)疏松,為骨質(zhì)疏松提供新的治療藥物。

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