Cho Young-Eon;Lomeda Ria-Ann R.;Kim Yang-Ha;Ryu Sang-Hoon;Choi Je-Yong;Kim Hyo-Jin;Beattie John H.;Kwun In-Sook
Nutritional Sciences
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제8권4호
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pp.242-249
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2005
It is well established that zinc plays an important role in bone metabolism and mineralization. The role of zinc in bone formation is well documented in animal models, but not much reported in cell models. In the present study, we evaluated zinc deficiency effects on osteoblastic cell proliferation, alkaline phosphatase activity and expression, and extracellular matrix bone nodule formation and bone-related gene expression in osteoblastic MC3T3-E1 cells. To deplete cellular zinc, chelexed-FBS and interpermeable zinc chelator TPEN were used. MC3T3-E1 cells were cultured in zinc concentration-dependent (0-15 ${\mu}M\;ZnCl_2$) and time-dependent (0-20 days) manners. MC3T3-E1 cell proliferation by MTT assay was increased as medium zinc level increased (p<0.05). Cellular Ca level and alkaline phosphatase activity were increased as medium zinc level increased (p<0.05). Alkaline phosphatase expression, a marker of commitment to the osteoblast lineage, measured by alkaline phosphatase staining was increased as medium zinc level increased. Extracellular calcium deposits measured by von Kossa staining for nodule formation also appeared higher in Zn+(15 ${\mu}M\;ZnCl_2$) than in Zn-(0 ${\mu}M\;ZnCl_2$). Bone formation marker genes, alkaline phosphatase and osteocalcin, were also expressed higher in Zn+ than in Zn-. The current work supports the beneficial effect of zinc on bone mineralization and bone-related gene expression. The results also promote further study as to the molecular mechanism of zinc deficiency for bone formation and thus facilitate to design preventive strategies for zinc-deficient bone diseases.
본 연구는 속단으로부터 단일 화합물로 분리한 Hed의 조골세포 활성 효능과 작용 기전 규명을 위해 수행되었다. Hed는 MC3T3-E1 세포의 증식과 ALP 효소 활성을 자극하여 세포외 기질에 인산과 칼슘 이온 침착을 증가시켰다. Hed는 BMP-2/Smad 신호 전달 경로를 활성화하여 Runx2, ALP, OPN 및 ProCOL의 mRNA와 단백질 발현을 유의하게 증가시켜 조골세포의 성숙과 분화를 유도하였다. 따라서 본 연구결과 Hed는 조골세포 활성 효능을 가진 것으로 판단되며 항골다공증 기능성 소재로의 개발 가능성을 확인하였다.
The Laminaria japonica Aresch (Sea tangle) belongs to the brown algae and has a long history as a food material in Asia, including Korea. Recent studies have found that the fermented Sea tangle extract (FST) inhibited the differentiation of osteoclasts and protected osteoblasts from oxidative damage. This study aims to explore the possibility that FST can induce the differentiation of osteoblasts and identify the responsible mechanism. According to our results, FST induced differentiation into osteogenic cells in the presence of osteoblastic MC3T3-E1 cells under non-toxic conditions.. This finding was confirmed by phalloidin staining, increased alkaline phosphatase activity, and calcium deposition. Additionally, it was found that this process was achieved by increasing the expression of key factors involved in osteoblast differentiation, such as runt-related transcription factor-2, osterix, β-catenin, and bone morphogenetic protein-2. Moreover, FST increased autophagy, which may contribute to the maintenance of the bone formation homeostasis, and is associated with the activation of the phosphatidylinositol 3-kinase/Akt and mitogen-activated protein kinase signaling pathways. Although further research about the bioactive substances contained in FST and the tests of their efficacy are required, the results of this study indicate that FST has incredible applicability as a functional material for maintaining the bone homeostasis.
Purpose: Zinc (Zn) is an essential trace element for bone mineralization and osteoblast function. We examined the effects of Zn deficiency on osteoblast differentiation and mineralization in MC3T3-E1 cells. Methods: Osteoblastic MC3T3-E1 cells were cultured at concentration of 1 to $15{\mu}M$$ZnCl_2$ (Zn- or Zn+) for 5, 15 and 25 days up to the calcification period. Extracellular matrix mineralization was detected by staining Ca and P deposits using Alizarin Red and von Kossa stain respectively, and alkaline phosphatase (ALP) activity was detected by ALP staining and colorimetric method. Results: Extracellular matrix mineralization was decreased in Zn deficiency over 5, 15, and 25 days. Similarly, staining of ALP activity as the sign of an osteoblast differentiation, was also decreased by Zn deficiency over the same period. Interestingly, the gene expression of bone-related markers (ALP, PTHR; parathyroid hormone receptor, OPN; osteopontin, OC; osteocalcin and COLI; collagen type I), and bone-specific transcription factor Runx2 were downregulated by Zn deficiency for 5 or 15 days, however, this was restored at 25 days. Conclusion: Our data suggests that Zn deficiency inhibits osteoblast differentiation by retarding bone marker gene expression and also inhibits bone mineralization by decreasing Ca/P deposition as well as ALP activity.
본 연구를 통하여 여주 추출물은 세포 증식을 제외하고는 조골세포에 긍정적인 영향을 미치지 못하였지만 머위 추출물은 세포의 증식, ALP 활성, bone nodule의 형성이 대조군과 비슷한 결과를 나타내거나 높은 경향을 나타냄으로써 조골세포의 골 형성 과정인 증식, 기질의 성숙, 기질의 석회화의 세 단계에서 유효성을 증명하였다. 또한 OPG mRNA의 2배 이상의 증가는 조골세포의 골 형성에 주요 매개 물질로서 가능성이 있음을 밝혔다. 따라서 머위 추출물은 골수의 미세 환경에서 세포의 조절작용을 하는 물질로 여겨지며, 골다공증을 포함한 각종 골 결손 질환의 예방과 치료약 개발에 긍정적인 가능성을 제시할 것이라 사료된다.
Purpose : To investigate the effects of irradiation on transforming growth factor ${\beta}_1$ (TGF-${\beta}_1$) mRNA expression and calcific nodule formation in MC3T3-E1 osteoblastic cell line. Materials and Methods : Cells were cultured in alpha-minimum essential medium ($\alpha$-MEM) supplemented with 10% fetal bovine serum and antibiotics. When the cells reached the level of 70-80% confluence, culture media were changed with $\alpha$-MEM supplemented with 10% FBS, 5 mM $\beta$-glycerol phosphate, and $50\;{\mu}g/mL$ ascorbic acid. Thereafter the cells were irradiated with a single dose of 2, 4, 6, 8 Gy at a dose rate of 1.5 Gy/min. The expression pattern of TGF-${\beta}_1$ mRNA, calcium content and calcific nodule formation were examined on day 3, 7, 14, 21, 28, respectively, after the irradiation. Results : The amount of TGF-${\beta}_1$ mRNA expression decreased significantly on day 7 after irradiation of 4, 6, 8 Gy. It also decreased on day 14 after irradiation of 6, 8 Gy. and decreased on day 21 after irradiation of 8 Gy. The amount of calcium deposition decreased significantly on day 7 after irradiation of 4, 8 Gy (P < 0.01) and showed a decreased tendency on day 14, 21 after irradiation of 4, 6, 8 Gy. The number of calcific nodules was decreased on day 7 after irradiation of 4, 8 Gy. Conclusion: Irradiation with a single dose of 4, 6, 8 Gy influences negatively the bone formation at the molecular level by affecting the TGF-${\beta}_1$ mRNA expression that was associated with proliferation and the production of extracellular matrix in MC3T3-E1 osteoblastic cell line.
BACKGROUND: The aim of this study was to evaluate the combined effect of low-level laser treatment (LLLT) and recombinant human bone morphological protein-2 (rhBMP-2) applied to hypoxic-cultured MC3T3-E1 osteoblastic cells and to determine possible signaling pathways underlying differentiation and mineralization of osteoblasts under hypoxia. METHODS: MC3T3-E1 cells were cultured under 1% oxygen tension for 72 h. Cell cultures were divided into four groups: normoxia control, low-level laser (LLL) alone, rhBMP-2 combined with LLLT, and rhBMP-2 under hypoxia. Laser irradiation was applied at 0, 24, and 48 h. Cells were treated with rhBMP-2 at 50 ng/mL. Alkaline phosphatase activity was measured at 3, 7, and 14 days to evaluate osteoblastic differentiation. Cell mineralization was determined with Alizarin red S staining at 7 and 14 days. Western blot assays were performed to evaluate whether p38/protein kinase D (PKD) signaling was involved. RESULTS: The results indicate that LLLT and rhBMP-2 synergistically increased alkaline phosphatase (ALP) activity and mineralization. Western blot analyses showed that expression of type I collagen, runt-related transcription factor 2 (RUNX2), and Osterix (Osx), increased and expression of hypoxia-inducible factor 1-alpha ($HIF-1{\alpha}$), decreased more in the LLLT and rhBMP-2 combined group than in the rhBMP-2 or LLL alone groups. Moreover, LLLT and rhBMP-2 stimulated p38 phosphorylation and rhBMP-2 and LLLT increased Prkd1 phosphorylation. CONCLUSION: Combined treatment with rhBMP-2 and LLL induced differentiation and mineralization of hypoxic-cultured MC3T3-E1 osteoblasts by activating p38/PKD signaling in vitro.
Microtubule actin crosslinking factor 1 (MACF1), a widely expressed cytoskeletal linker, plays important roles in various cells by regulating cytoskeleton dynamics. However, its role in osteoblastic cells is not well understood. Based on our previous findings that the association of MACF1 with F-actin and microtubules in osteoblast-like cells was altered under magnetic force conditions, here, by adopting a stable MACF1-knockdown MC3T3-E1 osteoblastic cell line, we found that MACF1 knockdown induced large cells with a binuclear/multinuclear structure. Further, immunofluorescence staining showed disorganization of F-actin and microtubules in MACF1-knockdown cells. Cell counting revealed significant decrease of cell proliferation and cell cycle analysis showed an S phase cell cycle arrest in MACF1-knockdown cells. Moreover and interestingly, MACF1 knockdown showed a potential effect on cellular MTT reduction activity and mitochondrial content, suggesting an impact on cellular metabolic activity. These results together indicate an important role of MACF1 in regulating osteoblastic cell morphology and function.
Journal of the Korean Association of Oral and Maxillofacial Surgeons
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제27권2호
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pp.103-110
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2001
This study was performed to observe the effect of ultrasound(1.0MHz, $0.75W/cm^2\;and\;1.0W/cm^2$) irradiation on cultured MC3T3-E1 cell, osteoblastic like cell with respect to the proliferation, protein synthesis, and alkaline phosphatase activity of the cells. The results were as follows: 1. The proliferation of MC3T3-E1 cells was increased on ultrasound irradiated group compared with control group. 2. The protein synthesis was not apparently increased on ultrasound irradiated group compared with control group. 3. The alkaline phosphatase activity level was not apparently increased on ultrasound irradiated group compared with control group. From the above results and other literatures, we could suggest that the ultrasound with the appropriate intensity and frequency may have important roles in stimulation of cell proliferation. Therefore the ultrasound may be used in the acceleration of the bone regeneration and bone fracture healing.
Purpose: To investigate the in vitro response of MC3T3-E1 osteoblastic cells to X-ray in the presence and absence of 2 deoxy-D-glucose (2-DG) and quercetin (QCT). Materials and Methods: The MC3T3-E1 cells were cultured in an ${\alpha}-MEM$ supplemented with 5 mM 2-DG or $10{\mu}M$ QCT and then the cells were incubated for 12 h prior to irradiation with 2, 4, 6, and 8Gy using a linear accelerator (Mevaprimus, Germany) delivered at a rate of 1.5 Gy/min. At various times after the irradiation, the cells were processed for the analyses of proliferation, viability, cytotoxicity, and mineralization. Results: Exposure of the cells to X-ray inhibited the tritium incorporation, 3-(4, 5-dimethylthiazol-2yl-)-2, 5-diphenyl tetrazolium bromide (MTT)-reducing activity, and alkaline phosphatase (ALP) activity, and caused cytotoxicity and apoptosis in a dose-dependent manner of the X-ray. This effect was further apparent on day 3 and 7 after the irradiation. RA+2-DG showed the decrease of DNA content, cell viability, and increase of cytotoxicity rather than RA. ALP activity increased on day 7 and subsequently its activity dropped to a lower level. 2-DG suppressed the calcium concentration, but visual difference of number of calcified nodules between RA and RA+2-DG was not noticed. RA+QCT showed the increase of DNA content, cell viability, but decrease of cytotoxicity and subG1 stage cells in the cell cycle, and increased calcified nodules in von Kossa staining rather than the RA. ALP activity showed significant increases on day 7 and subsequently its activity dropped to a lower level. Conclusion: The results showed that the 2-DG acted as a radiosensitizing agent and QCT acted as a radiosensitizing agent respectively in the irradiated MC3T3-E1 osteoblast-like cells.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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