TGF－β1在雷奈酸鍶促進大鼠骨髓間充質干細胞向成骨細胞分化中的作用*

王小娜， 李 正， 王 瑒， 蘭愛平， 吳 文

(1 南方醫科大學，廣東 廣州510515;2廣東省醫學科學院，廣東省人民醫院東病區內分泌科，廣東 廣州510080;3中山大學中山醫學院生理學教研室，廣東 廣州510080)

雷奈酸鍶(strontium ranelate，Sr)是一種新型的抗骨質疏松藥物，具有抑制破骨細胞骨吸收和促進成骨細胞骨形成的雙重作用［1］。臨床試驗表明，它能夠降低絕經后婦女發生椎體骨折和非椎體骨折的風險，同時能預防骨量減低［2－3］。已有研究表明鍶可通過細胞外信號調節激酶1/2(extracellular signal－regulated kinase 1/2，ERK1/2)和p38 絲裂原激活蛋白激酶(mitogen－activated protein kinase，MAPK)信號通路調節成骨細胞特異性轉錄因子Runx2 的轉錄活性，Runx2 則調節下游成骨蛋白，如骨鈣素(osteocalcin，OCN)、骨橋蛋白(osteopontin，OPN)Ⅱ型膠原(collagen type Ⅱ，Col Ⅱ)的表達，促進MSCs 的成骨分化［4－5］。而近年發現轉化生長因子(transforming growth factor β1，TGF－β1)在大鼠骨髓間充質干細胞(rat bone marrow mesenchymal stem cells，rBMSCs)成骨分化過程中也起著重要作用，具有促進細胞增殖、調節細胞分化、促進細胞外基質合成和調節機體免疫作用［6］。體外實驗表明，TGF－β1可促進骨膜間充質干細胞的增殖分化，促進成骨(軟骨)細胞的增殖，刺激Runx2、I 型膠原、骨連結素(ostocnectin)和OPN 的合成。同時，可抑制破骨細胞的生成以及成熟破骨細胞的活性，從而抑制骨吸收作用，并降低成脂標志物的表達［7］。由此可見，TGF－β1在骨組織代謝過程中起著十分重要的作用。然而，Sr能否通過TGF－β1促進rBMSCs 向成骨細胞分化尚未見報道。為此，本文旨在重點探討:(1)Sr 對rBMSCs TGF－β1表達的影響;(2)TGF－β1是否在Sr 促進rBMSCs 向成骨細胞分化中起作用，以便為Sr 的促成骨作用機制提供實驗資料。

材 料 和 方 法

1 主要材料

Sr 干混懸劑由Servier 公司提供;4 周齡雄性SD大鼠購自中山大學實驗動物中心;DMEM/F12 培養基、胎牛血清、胰蛋白酶購自Gibico;青霉素、鏈霉素購自華北制藥;細胞裂解液、地塞米松、維生素C、β－甘油磷酸鈉、二甲基亞砜(dimethyl sulphoxide，DMSO)購自Sigma;堿性磷酸酶(alkaline phosphatase，ALP)測定試劑盒購自南京建成生物工程研究所;細胞茜素紅鈣染色試劑盒購自上海杰美基因醫藥有限公司;兔抗大鼠TGF－β1單克隆抗體和SB431542 購自Bioworld。

2 主要方法

2.1 rBMSCs 的分離培養及傳代 取4 周齡，雌雄不限SD 大鼠頸推脫臼處死，75%乙醇浸泡10 min，無菌條件下剪除雙側股骨和脛骨，剔除其表面肌肉及軟組織，用10 mL 注射器吸取含有10%胎牛血清、1 ×105U/L 青霉素G、100 mg/L 鏈霉素的DMEM/F12 培養液沖洗骨髓腔，直至骨髓腔發白。移至15 mL離心管，1 000 r/min 離心10 min，制成單細胞懸液，以(1 ～3)×105cells/cm2接種于25 cm2的培養瓶中。在37℃、5% CO2培養箱內進行培養。24 h后半量換液，以后每2 ～3 d 換1 次液，至細胞融合至80%時，用成骨誘導液(含10－8地塞米松、0.2 mmol/L維生素C 和10 mmol/L β－甘油磷酸鈉)培養rBMSCs［8］。本實驗原代rBMSCs 培養1 ～2 d 即可見到細胞貼壁，4 ～5 d 觀察到成纖維細胞集落形成，懸浮的淋巴細胞等造血系細胞經過換液操作后大部分被去除，9 ～11 d 細胞集落間相互融合成單層，形態多為梭形成纖維細胞。

2.2 ALP 的測定 取培養第3 ～5 代的細胞，以1 ×108/L 的密度接種于96 孔板，每孔200 μL，每孔設4個復孔。檢測時將細胞洗滌后以0.2 % Triton X－100 裂解液及反復凍融法充分裂解，裂解液經低溫離心機12 000 ×g 離心10 min，取上清50 μL ，按試劑盒說明書進行操作，于酶標儀520 nm 波長處測定ALP 值。

2.3 細胞茜素紅鈣結節染色 取培養第3 ～5 代細胞，調整細胞濃度為1 × 108/L ，接種于6 孔板，6 孔板底部預先置入消毒過的載玻片，給予相應的處理因素后第21 d 按照細胞茜素紅鈣結節染色試劑盒說明書對樣本進行固定、染色及澄清處理，倒置顯微鏡下觀察鈣結節染色情況，每組取4 個樣本，每樣本隨機取1 個視野(×100)，比較各組間的差異。

2.4 Western blotting 檢測TGF－β1表達及半定量分析 收集的細胞用冰冷的PBS 洗滌細胞2 次，加適量細胞裂解液，在冰上將細胞迅速刮下，將裂解產物移至EP 管，10 000 r/min 離心10 min，吸出上清液體，用BCA 方法進行蛋白質濃度測定。將提取的蛋白質樣品加入等體積上樣緩沖液，100 ℃煮5 min，在15%聚丙烯酰氨凝膠電泳，電泳后將膠上所需蛋白條帶轉印至PVDF 膜。PVDF 膜用5%脫脂奶粉室溫下封閉90 min，加入1∶1 000 稀釋的抗TGF－β1的Ⅰ抗，置于4 ℃孵育過夜。用含0.1%吐溫－20 的TBST 緩沖液(TBS/T)洗膜3 次，每次5 min。然后加入辣根過氧化物酶標記的Ⅱ抗，以1∶2 500 稀釋，室溫孵育90 min，TBS/T 洗膜3 次，每次5 min。最后采用增強化學發光法(ECL)顯影，掃描檢測蛋白表達狀況。用Smartview 軟件分析目標條帶灰度值，與內參照actin 條帶灰度值校正后進行半定量分析。

3 統計學處理

結 果

1 Sr 增加rBMSCs ALP 活性

圖1 顯示，應用0. 1 ～7 mmol/L Sr 分別處理rBMSC 7 d，均能明顯增加ALP 活性，與對照組比較，差異均有統計學意義(均P ＜0.05)。其中3 mmol/L Sr 對ALP 活性的促進作用最大。

Figure 1. Effects of strontium ranelate (Sr)at different concentrations on activity of ALP in BMSCs of rats. #P ＜0.05，##P ＜0.01 vs control.圖1 不同濃度Sr 對rBMSCs ALP 活性的影響

2 Sr 促進rBMSCs 的鈣結節形成

圖2 顯示，3 mmol/L Sr 處理rBMSCs 21 d，可明顯地增加鈣結節的數量及面積。

3 Sr 對rBMSCs TGF－β1 表達的影響

圖3A 顯示，應用0.1 ～5 mmol/L Sr 處理rBMSCs 7 d 均可明顯上調TGF－β1表達，其中1 mmol/L Sr 對TGF－β1表達的上調作用最大，TGF－β1表達是對照組的3.1 倍(P ＜0.01)。但是，7 mmol/L Sr對TGF－β1表達無明顯作用(P ＞0.05)。圖3B 顯示，在應用1 mmol/L Sr 處理rBMSCs 1 ～7 d，Sr 呈時間依賴性地上調TGF－β1表達，其中處理細胞7 d 時，TGF－β1的表達水平達到最高峰。然而，1 mmol/L Sr 處理rBMSCs 10 d 時對TGF－β1表達無明顯影響。

Figure 3. Effects of Sr on expression of TGF－β1 in BMSCs.A:rBMSCs were treated with Sr at 0.1 to 7 mmol/L for 7 d;B:rBMSCs were treated with 1mmol/L Sr for 1 to 7 d. ±s.n=6. #P ＜0.05，##P ＜0.01 vs control.圖3 Sr 對rBMSCs TGF－β1 表達的影響

4 TGF－β1 抑制劑拮抗Sr 對TGF－β1 表達的上調作用

圖4 顯示，應用1 mmol/L Sr 處理rBMSCs 7 d 可明顯上調TGF－β1的表達(P ＜0.01);在Sr 處理細胞前2 h，應用10 μmol/L SB431542(TGF－β1抑制劑)預處理細胞可顯著地阻斷Sr 對TGF－β1表達的上調作用;10 μmol/L SB431542 或DMSO 對TGF－β1的基礎表達水平無明顯影響。

5 TGF－β1 抑制劑拮抗Sr 對ALP 活性的促進作用

圖5 顯示，應用1 mmol/L Sr 處理rBMSCs 7 d 可明顯增加ALP 活性，與對照組比較，差異有統計學意義(P ＜0.05);在Sr 處理細胞前2 h，用10 μmol/L SB431542(TGF－β1抑制劑)預處理細胞可明顯地抑制Sr 對ALP 活性的促進作用，與Sr 處理組比較，差異顯著(P ＜0.05)。10 μmol/L SB431542 或DMSO對ALP 活性無明顯的作用。

Figure 4. SB431542(inhibitor of TGF－β1，10 μmol/L)preconditioning inhibited Sr－induced overexpression of TGF－β1 in rBMSCs.Sr:rBMSCs were treated with 1 mmol/L Sr for 7 d;Sr+SB431542:rBMSCs were pretreated with SB431542 for 2 h，followed by the treatment with Sr(1 mmol/L)for 7 d;SB431542:rBMSCs were treated with SB431542 for 2 h and then with DMSO for 7 d;DMSO:rBMSCs were cultured with DMSO for 7 d. ±s.n=5. ##P ＜0.01 vs control;＊＊P ＜0.01 vs Sr.圖4 TGF－β1 抑制劑阻斷Sr 對rBMSCs TGF－β1 表達的上調作用

Figure 5. Preconditioning with SB431542(10 μmol/L)inhibited Sr－induced activity enhancement of ALP in BMSCs.Sr:rBMSCs were treated with 1 mmol/L Sr for 7 d;Sr+SB431542:rBMSCs were pretreated with SB431542 for 2 h，followed by the treatment with Sr(1 mmol/L)for 7 d;SB431542: rBMSCs were treated with SB431542 for 2 h and then with vechicle for 7 d;DMSO:rBMSCs were cultured by DMSO for 7 d. ±s.n=5. #P ＜0.05 vs control;* P ＜0.05 vs Sr.圖5 TGF－β1 抑制劑阻斷Sr 對ALP 活性的增強作用

6 TGF－β1 抑制劑阻斷Sr 對鈣結節形成的促進作用

圖6 顯示，1 mmol/L Sr 處理rBMSCs 21 d 可顯著的增加鈣結節的數量;在Sr 處理細胞前2 h，應用TGF－β1抑制劑SB431542(10 μmol/L)預處理細胞能明顯地抑制Sr 對鈣結節形成的促進作用;10 μmol/L SB431542 或DMSO 本身對鈣結節數量無明顯影響。

討 論

Figure 6. Preconditioning with SB431542(10 μmol/L)inhibited Sr－induced mineralization in BMSCs(alizarin red staining，×100).A:control;B:rBMSCs were treated with 1 mmol/L Sr for 21 d;C:rBMSCs were pretreated with SB431542 for 2 h，followed by the treatment with Sr(1 mmol/L);D:rBMSCs were treated with SB431542 for 2 h and then with DMSO for 21 d;D:rBMSCs were cultured by DMSO for 21 d.圖6 TGF－β1 抑制劑(SB431542)對鈣結節形成的影響

ALP 是細胞成骨分化的一個早期指標，是調節細胞礦化的重要酶之一。本研究采用ALP 及鈣結節形成作為判斷rBMSCs 向成骨細胞分化的指標。研究結果表明，新型的抗骨質疏松劑Sr 能明顯的增加rBMSCs 的ALP 活性及鈣結節數量，提示Sr 具有促進rBMSCs 向成骨細胞分化的作用，這與文獻報道［1，4－5，9－11］的結果一致。TGF－β1屬于轉化生長因子β(TGF－β)超家族成員之一，它是一個分泌型多肽信號分子，生物活性極其廣泛，能調控多種間充質來源的細胞增殖和定向分化、尤其是在細胞成骨分化、骨基質合成和骨重建中起著重要的作用，是調控rBMSCs 的首選生長因子之一［10，12］。TGF－β1也是人類骨骼中含量最豐富的生長因子，通過影響rBMSCs 向成骨細胞方向的轉化而影響正常及病理下的骨骼形態［13］。已有研究表明，TGF－β1可能在鍶促進rBMSCs 向成骨細胞分化的過程中起著重要的作用［9］。但是，TGF－β1在Sr促進rBMSCs 向成骨細胞分化中的作用如何迄今未見報道。根據本研究得出的結果，我們推測TGF－β1可能參與Sr 促進rBMSCs 向成骨細胞分化的過程。本研究在應用Sr 處理rBMSCs 前，用TGF－β1特異性抑制劑SB431542 預處理細胞，結果表明，TGF－β1抑制劑不僅能阻斷Sr 對rBMSCs TGF－β1表達的上調作用，而且能抑制Sr 對ALP 活性及鈣結節形成的促進作用，提示通過上調TGF－β1表達可能是Sr 促進rBMSCs 向成骨細胞分化的重要作用機制之一。

然而，對于TGF－β1在調節成骨中的作用有不同的意見。Shingo 等［14］認為，TGF－β1對于骨形成具有促進和抑制的雙重作用［11］。TGF－β1也能促進rBMSCs 的遷移，具有促進骨形成和骨吸收的雙重作用［15］。但是，Zhao 等［7］卻觀察到TGF－β1可促進鼠類BMSCs 的成骨分化，表現在它能增加Runx2、OPN 及Col I mRNA 表達及ALP 活性。因此，有關TGF－β1在促進rBMSCs 向成骨細胞分化中的作用仍需作進一步的探討。

綜上所述，本研究證實Sr 可促進rBMSCs 向成骨細胞分化，此作用可能與其上調TGF－β1表達有關。本文為深入闡明Sr 的促成骨機制提供了實驗依據。

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