Индукция остеогенеза эпоэтином альфа в модели органоида кости
Авторы
-
Наталия А. Надеждина
Belgorod State National Research University
https://orcid.org/0000-0002-6425-3635
-
Олег С. Гудырев
Белгородский государственный национальный исследовательский университет
https://orcid.org/0000-0003-0097-000X
-
Сергей В. Надеждин
Белгородский государственный национальный исследовательский университет
https://orcid.org/0000-0001-8444-6330
-
Людмила М. Даниленко
Белгородский государственный национальный исследовательский университет
https://orcid.org/0000-0001-6101-8712
-
Александр А. Должиков
Белгородский государственный национальный исследовательский университет
https://orcid.org/0000-0001-7425-8416
-
Татьяна Г. Покровская
Белгородский государственный национальный исследовательский университет
https://orcid.org/0000-0001-6802-5368
- Кристина К. Кремлева
DOI:
https://doi.org/10.18413/rrpharmacology.10.517Аннотация
Введение: Известно, что эритропоэтин взаимодействует с гетеродимерным рецептором EPOR/βcR(CD131) с последующей активацией неканонического сигнального пути JAK/STAT, а также PI3K/AKT и ERK1/2. Было отмечено, что фосфорилированные субъединицы STAT димеризуются и транслоцируются в ядро, чтобы активировать экспрессию генов Runx-2, TGF-β и NF-kB. В связи с вышеизложенным в исследовании основной акцент ставился на определении экспрессии фактора транскрипции Runx-2 и активности митохондрий при одновременной оценки роста соединительнотканных структур с формированием остеогенной ткани. Цель исследования - оценка эффективности остеогенеза при применении рекомбинантного эритропоэтина эпоэтина альфа в качестве остеоиндуктора на экспериментальной модели костного органоида.
Материалы и методы: Исследование выполнено с использованием мезенхимных стволовых клеток человека (МСКч) выделенные из жировой ткани и сформированного трабекулярного костного органоида (ТКО). При помощи фотометрии и реагентов МТТ, BCIP/NBT проводили оценку влияния лекарственных препаратов на пролиферацию и дифференцировку МСКч и формирование остеогенной соединительной ткани в ТКО. Используя конфокальную лазерную сканирующую микроскопию (КЛСМ) регистрировали интенсивность флуоресценции Runx2 у остеобластов и CD31 у эндотелиоцитов с расчетом индекса пролиферации. Используя реагенты: Calcein AM и MitoTracker Red CMXRos определяли объем образованных соединительнотканных структур и функциональную активность митохондрий в клетках, формирующих фиброваскулярную остеогенную ткань в ТКО.
Результаты: Установлено, что рчЭПО эпоэтин альфа обладает дозозависимым остеоиндуктивным действием в модели ТКО. В дозе 200МЕ/мл рчЭПО эпоэтин альфа оказывают ингибирующее действие, тогда как в дозе 20МЕ/мл активирует пролиферацию и дифференцировку МСКч в остеогенном направлении потенцируя остеогенез в ТКО. Лекарственные препараты с действующим веществом бевацизумаб в дозе 0,25 мг/мл или золедроновой кислоты в дозе 8 мкг/мл оказывают ингибирующее действие как на пролиферацию МСКч, так и на остеогенез в экспериментальной модели ТКО.
Выводы: рчЭПО эпоэтин альфа при однократном добавлении в питательную среду обладает протективным действием на остеогенез в модели ТКО индуцируя пролиферацию остеобластов и эндотелиоцитов, стимулируя рост соединительнотканных структур костного органоида с формированием остеогенной ткани при усилении активности митохондрий и уменьшении внутриклеточной генерации активных форм кислорода.
Графическая аннотация
Ключевые слова:
эпоэтин альфа, органоид трабекулярной кости, остеогенезБиблиографические ссылки
Belyaeva VS, Stepenko YV, Lyubimov II, Kulikov AL, Tietze AA, Kochkarova IS, Martynova OV, Pokopeyko ON, Krupen’kina LA, Nagikh AS, Pokrovskiy VM, Patrakhanov EA, Belashova AV, Lebedev PR, Gureeva AV (2020) Non-hematopoietic erythropoietin-derived peptides for atheroprotection and treatment of cardiovascular diseases. Research Results in Pharmacology 6(3): 75–86. https://doi.org/10.3897/rrpharmacology.6.58891
Berg T, Doppelt-Flikshtain O, Coyac BR, Zigdon-Giladi H (2023) Oral fibroblasts rescue osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells after exposure to Zoledronic acid in a paracrine effect. Frontiers in Pharmacology 14: 1172705. https://doi.org/10.3389/fphar.2023.1172705 [PubMed] [PMC]
Bruderer M, Richards RG, Alini M, Stoddart MJ (2014) Role and regulation of RUNX2 in osteogenesis. European Cells & Materials 28: 269–286. https://doi.org/10.22203/ecm.v028a19 [PubMed]
Broxmeyer HE (2013) Erythropoietin: multiple targets, actions, and modifying influences for biological and clinical consideration. Journal of Experimental Medicine 210(2): 205–208. https://doi.org/10.1084/jem.20122760 [PubMed]
Dai X, Liu L, Ouyang J, Li X, Zhang X, Lan Q, Xu T (2017) Coaxial 3D bioprinting of self-assembled multicellular heterogeneous tumor fibers. Scientific Reports 7(1): 1457. https://doi.org/10.1038/s41598-017-01581-y [PubMed] [PMC]
Dieudonne FX, Sévère N, Biosse-Duplan M, Weng JJ, Su Y, Marie PJ (2013) Promotion of osteoblast differentiation in mesenchymal cells through Cbl-mediated control of STAT5 activity. Stem Cells 31(7): 1340–1349. https://doi.org/10.1002/stem.1380 [PubMed]
Dimmeler S, Fleming I, Fisslthaler B, Hermann C, Busse R, Zeiher AM (1999) Activation of nitric oxide synthase in endothelial cells by Akt-dependent phosphorylation. Nature 399(6736): 601–605. https://doi.org/10.1038/21224[PubMed]
Gambini E, Martinelli I, Stadiotti I, Vinci MC, Scopece A, Eramo L, Sommariva E, Resta J, Benaouadi S, Cogliati E, Paolin A, Parini A, Pompilio G, Savagner F (2020) Differences in mitochondrial membrane potential identify distinct populations of human cardiac mesenchymal progenitor cells. International Journal of Molecular Sciences 21(20): 7467. https://doi.org/10.3390/ijms21207467 [PubMed]
Garcia P, Speidel V, Scheuer C, Laschke MW, Holstein JH, Histing T, Pohlemann T, Menger MD (2011) Low dose erythropoietin stimulates bone healing in mice. Journal of Orthopaedic Research 29(2): 165–172. https://doi.org/10.1002/jor.21219 [PubMed]
Gazit D, Karmish M, Holzman L, Bab I (1990) Regenerating marrow induces systemic increase in osteo- and chondrogenesis. Endocrinology 126(5): 2607–2613. https://doi.org/10.1210/endo-126-5-2607 [PubMed]
GBD 2021 Other Musculoskeletal Disorders Collaborators (2023) Global, regional, and national burden of other musculoskeletal disorders, 1990-2020, and projections to 2050: a systematic analysis of the Global Burden of Disease Study 2021. Lancet Rheumatology 5(11): e670–e682. https://doi.org/10.1016/S2665-9913(23)00232-1 [PubMed] [PMC]
Fisslthaler B, Benzing T, Busse R, Fleming I (2003) Insulin enhances the expression of the endothelial nitric oxide synthase in native endothelial cells: a dual role for Akt and AP-1. Nitric Oxide 8(4): 253–261. https://doi.org/10.1016/s1089-8603(03)00042-9 [PubMed]
Hofmann E, Eggers B, Heim N, Kramer FJ, Nokhbehsaim M, Götz W (2022) Bevacizumab and sunitinib mediate osteogenic and pro-inflammatory molecular changes in primary human alveolar osteoblasts in vitro. Odontology 110(4): 634–647. https://doi.org/10.1007/s10266-022-00691-y [PubMed]
Holstein JH, Menger MD, Scheuer C, Meier C, Culemann U, Wirbel RJ, Garcia P, Pohlemann T (2007) Erythropoietin (EPO): EPO-receptor signaling improves early endochondral ossification and mechanical strength in fracture healing. Life Sciences 80(10): 893–900. https://doi.org/10.1016/j.lfs.2006.11.023 [PubMed]
Horvath P, Aulner N, Bickle M, Davies AM, Nery ED, Ebner D, Montoya MC, Östling P, Pietiäinen V, Price LS, Shorte SL, Turcatti G, von Schantz C, Carragher NO (2016) Screening out irrelevant cell-based models of disease. Nature Reviews Drug Discovery 15(11): 751–769. https://doi.org/10.1038/nrd.2016.175 [PubMed]
Jelkmann W (2004) Molecular biology of erythropoietin. Internal Medicine 43(8): 649–59. https://doi.org/10.2169/internalmedicine.43.649 [PubMed]
Jérôme V, Freitag R, Schüler D, Mickoleit F (2019) SEAP activity measurement in reporter cell-based assays using BCIP / NBT as substrate. Analytical Biochemistry 585: 113402. https://doi.org/10.1016/j.ab.2019.113402 [PubMed]
Khan S, Villalobos MA, Choron RL, Chang S, Brown SA, Carpenter JP, Tulenko TN, Zhang P (2017) Fibroblast growth factor and vascular endothelial growth factor play a critical role in endotheliogenesis from human adipose-derived stem cells. Journal of Vascular Surgery 65(5): 1483–1492. https://doi.org/10.1016/j.jvs.2016.04.034 [PubMed]
Kuksal N, Chalker J, Mailloux RJ (2017) Progress in understanding the molecular oxygen paradox - function of mitochondrial reactive oxygen species in cell signaling. Biological Chemistry 398(11): 1209–1227. https://doi.org/10.1515/hsz-2017-0160 [PubMed]
Nairz M, Sonnweber T, Schroll A, Theurl I, Weiss G (2012) The pleiotropic effects of erythropoietin in infection and inflammation. Microbes and Infection 14(3): 238–246. https://doi.org/10.1016/j.micinf.2011.10.005 [PubMed]
Pittenger MF (2008) Mesenchymal stem cells from adult bone marrow. Methods in Molecular Biology 449: 27–44. https://doi.org/10.1007/978-1-60327-169-1_2
Pusztaszeri MP, Seelentag W, Bosman FT (2006) Immunohistochemical expression of endothelial markers CD31, CD34, von Willebrand factor, and Fli-1 in normal human tissues. Journal of Histochemistry & Cytochemistry 54(4): 385–395. https://doi.org/10.1369/jhc.4A6514.2005 [PubMed]
Qin XG, Hua Z, Shuang W, Wang YH, Cui YD (2010) Effects of matrine on HepG2 cell proliferation and expression of tumor relevant proteins in vitro. Pharmaceutical Biology 48(3): 275–281. https://doi.org/10.3109/13880200903104101 [PubMed]
Rakhit RD, Mojet MH, Marber MS, Duchen MR (2001) Mitochondria as targets for nitric oxide-induced protection during simulated ischemia and reoxygenation in isolated neonatal cardiomyocytes. Circulation 103(21): 2617–2623. https://doi.org/10.1161/01.cir.103.21.2617 [PubMed]
Schindeler A, McDonald MM, Bokko P, Little DG (2008) Bone remodeling during fracture repair: The cellular picture. Seminars in Cell & Developmental Biology 19(5): 459–466. https://doi.org/10.1016/j.semcdb.2008.07.004[PubMed]
Stepenko YV, Shmigerova VS, Kostina DA, Shcheblykina OV, Zhernakova NI, Solin AV, Koroleva NV, Markovskaya VA, Dudnikova OV, Bolgov AA (2024) Study of the neuroprotective properties of the heteroreceptor EPOR/CD131 agonist of peptide structure in tau-proteinopathy modeling. Research Results in Pharmacology 10(2): 41–47. https://doi.org/10.18413/rrpharmacology.10.492
Tsiftsoglou AS (2021) Erythropoietin (EPO) as a Key Regulator of Erythropoiesis, Bone Remodeling and Endothelial Transdifferentiation of Multipotent Mesenchymal Stem Cells (MSCs): Implications in Regenerative Medicine. Cells 10(8): 2140. https://doi.org/10.3390/cells10082140 [PubMed] [PMC]
Uggeri J, Gatti R, Belletti S, Scandroglio R, Corradini R, Rotoli BM, Orlandini G (2004) Calcein-AM is a detector of intracellular oxidative activity. Histochemistry and Cell Biology 122(5): 499–505. https://doi.org/10.1007/s00418-004-0712-y [PubMed]
Yin T, Li L. (2006) The stem cell niches in bone. Journal of Clinical Investigation 116(5): 1195–1201. https://doi.org/10.1172/JCI28568 [PubMed]
Zhao D, Saiding Q, Li Y, Tang Y, Cui W (2024) Bone Organoids: Recent advances and future challenges. Advanced Healthcare Materials. 13(5): e2302088. https://doi.org/10.1002/adhm.202302088
Zubareva EV, Nadezhdin SV, Burda YE, Nadezhdina NA, Gashevskaya AS (2019) Pleiotropic effects of Erythropoietin. Influence of Erythropoietin on processes of mesenchymal stem cells differentiation. Research Results in Pharmacology 5(1): 53–66. https://doi.org/10.3897/rrpharmacology.5.33457
Загрузки
Опубликован
Как цитировать
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2024 Nadezhdina NA, Gudyrev OS, Nadezhdin SV, Danilenko LM, Dolzhikov AA, Kremleva KK, Pokrovskaya TG
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
Русский
English
