Purpose: Runx2 (runt-related transcription factor 2), a bone-specific transcription factor, is a key regulator of osteoblast differentiation and its expression is induced by the activation of BMP-2 signaling. This study examined whether zinc modulates BMP-2 signaling and therefore stimulates Runx2 and osteoblast differentiation gene expression. Methods: Two osteoblastic MC3T3-E1 cell lines (subclones 4 as a high osteoblast differentiation and subclone 24 as a low osteoblastic differentiation) were cultured in an osteogenic medium (OSM) as the normal control, Zn-($1{\mu}M$ Zn) or Zn+($15{\mu}M$ Zn) for 24 h. The genes and proteins for BMP-2 signaling (BMP-2, Smad-1/p-Smad-1), transcription factors (Runx2, osterix), and osteoblast differentiation marker proteins were assessed. Results: In both cell lines, BMP-2 mRAN and protein expression and extracellular BMP-2 secretion all decreased in Zn-. The expression of Smad-1 (downstream regulator of BMP-2 signaling) and p-Smad-1 (phosphorylated Smad-1) also downregulated in Zn-. Furthermore, the expression of the bone-specific transcription factors, Runx2 and osterix, decreased in Zn-, which might be due to the decreased BMP-2 expression and Smad-1 activation (p-Smad-1) by Zn-, because Runx2 and osterix both are downstream in BMP-2 signaling. Bone marker gene expression, such as alkaline phosphatase (ALP), collagen type I (COLI), osteocalcin, and osteopontin were also downregulated in Zn-. Conclusion: The results suggest that a zinc deficiency in osteoblasts suppresses the BMP-2 signaling pathway via the suppression of Smad-1 activation, and this suppressed BMP-2 signaling can cause poor osteoblast differentiation.
Background: Oxidative stress is a known to be associated with in the pathogenesis of many inflammatory diseases, including periodontitis. Ursolic acid is a pentacyclic triterpenoid with has antimicrobial, antioxidative, and anticancer properties. However, the role of ursolic acid in the regulating of osteogenesis remains undetermined. This study was aimed to elucidate the crucial osteogenic effects of ursolic acid and its ability to inhibit oxidative stress by targeting the immediate early response 3 (IER3)/nuclear factor erythroid 2-related factor 2 (Nrf2) pathway. Methods: Cell proliferation was determined using water-soluble tetrazolium salt assay, cell differentiation was evaluated by alkaline phosphatase (ALP) activity, and formation of calcium nodules was detected using alizarin red S stain. Generation of reactive oxygen species (ROS) was determined using by DCFH-DA fluorescence dye in hydrogen peroxide ($H_2O_2$)-treated MG-63 cells. Expression levels of IER3, Nrf2, and heme oxygenase-1 (HO-1) were analyzed using western blot analysis. Results: Our results showed that ursolic acid up-regulated the proliferation of osteoblasts without any cytotoxic effects, and promoted ALP activity and mineralization. $H_2O_2$-induced ROS generation was found to be significantly inhibited on treatment with ursolic acid. Furthermore, in $H_2O_2$-treated cells, the expression of the early response genes: IER3, Nrf2, and Nrf2-related phase II enzyme (HO-1) was enhanced in the presence of ursolic acid. Conclusion: The key findings of the present study elucidate the protective effects of ursolic acid against oxidative stress conditions in osteoblasts via the IER3/Nrf2 pathway. Thus, ursolic acid may be developed as a preventative and therapeutic agent for mineral homeostasis and inflammatory diseases caused due to oxidative injury.
BACKGROUND: Bioprinting has recently appeared as a powerful tool for building complex tissue and organ structures. However, the application of bioprinting to regenerative medicine has limitations, due to the restricted choices of bio-ink for cytocompatible cell encapsulation and the integrity of the fabricated structures. METHODS: In this study, we developed hybrid bio-inks based on acrylated hyaluronic acid (HA) for immobilizing bio-active peptides and tyramine-conjugated hyaluronic acids for fast gelation. RESULTS: Conventional acrylated HA-based hydrogels have a gelation time of more than 30 min, whereas hybrid bio-ink has been rapidly gelated within 200 s. Fibroblast cells cultured in this hybrid bio-ink up to 7 days showed >90% viability. As a guidance cue for stem cell differentiation, we immobilized four different bio-active peptides: BMP-7-derived peptides (BMP-7D) and osteopontin for osteogenesis, and substance-P (SP) and Ac-SDKP (SDKP) for angiogenesis. Mesenchymal stem cells cultured in these hybrid bio-inks showed the highest angiogenic and osteogenic activity cultured in bio-ink immobilized with a SP or BMP-7D peptide. This bio-ink was loaded in a three-dimensional (3D) bioprinting device showing reproducible printing features. CONCLUSION: We have developed bio-inks that combine biochemical and mechanical cues. Biochemical cues were able to regulate differentiation of cells, and mechanical cues enabled printing structuring. This multi-functional bio-ink can be used for complex tissue engineering and regenerative medicine.
목적: 본연구의 목적은 다양한 산용액을 이용하여 지르코니아의 표면을 처리하여 표면의 양상과 골유착에 미치는 영향을 알아보는 것이다. 연구 재료 및 방법: 준비된 지르코니아 디스크에 다양한 산용액 및 광촉매 산부식을 이용하여 표면을 처리하였다. 각 시편을 SEM으로 관찰하고, 골유착을 관찰하기 위해 MC3T3E-1 세포를 이용하여 형광염색과 역전사 중합효소 연쇄반응을 통해 평가하였다. 결과: 처리한 방법에 따라 다양한 거칠기를 보였다. 불산처리군은 표면의 거칠기가 증가하였으나 약한 네트워크 구조를 가지고 있었다. 골유착능에서는 광촉매 산부식을 시행한 군에서 더 좋은 결과를 보였다(P < 0.05). 결론: 지르코니아를 광촉매 산부식방법으로 처리할 경우 다른 산처리방법에 비해 골유착능을 높이는데 효과적일 것으로 사료된다.
Natural and synthetic forms of calcium phosphate cement (CPC) have been widely used in bone repair and augmentation. The major challenge of injectable CPC is to deliver the cells without cell death in order to regenerate new bone. The study objective was to investigate for the potential of stem cell-laden gelatin fibers containing injectable, nanocrystalline CPC to function as a delivery system. Gelatin noddle fiber method was developed to delivered cells into nCPC. Experimental groups were prepared by mixing cells with nCPC, mixing cell-laden gelatin fibers with nCPC and mixing cell-laden gelatin fibers containing BMP-2 with nCPC. Media diffusion test was conducted after dissolving the gelatin fibers. SEM examined the generated channels and delivered cell morphology. Fibers mixed with nCPC showed physical setting and hardening within 20 min after injection and showed good shape maintenances. The gelatin fibers mixed nCPC group had several vacant channels generated from the dissolved gelatin. Particularly, proliferation and attachment of the cells were observed inside of the channels. While live cells were not observed in the cell mixed nCPC group, cells delivered with the gelatin fibers into the nCPC showed good viability and increased DNA content with culture. Cell-laden gelatin fiber was a novel method for cell delivery into nCPC without cell damages. Results also indicated the osteogenic differentiation of gelatin fiber delivered cells. We suggest that the cell-laden gelatin fibers mixed with nCPC can be used as an injectable cell delivery vehicle and the addition of BMP-2 to enhances osteogenesis.
Kim, Jung-Ae;Ahn, Byul-Nim;Oh, Jung Hwan;Karadeniz, Fatih;Lee, Jung Im;Seo, Youngwan;Kong, Chang-Suk
Ocean and Polar Research
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제44권1호
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pp.29-38
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2022
Halophytes are plants that live in harsh environments in coastal regions and are known for their diverse chemical compositions. Limonium tetragonum, a halophyte endemic to Korean shores, is known for its bioactive compounds and is utilized in folk medicine. In this study L. tetragonum extract (LHE) was used to determine and evaluate its anti-osteoporotic properties. Pre-adipocyte and pre-osteoblasts were induced to differentiate along with LHE treatment, and their differentiation was evaluated using differentiation markers. LHE treatment decreased lipid accumulation in 3T3-L1 preadipocytes during adipogenesis. Results indicated that the LHE treatment also decreased the levels of key adipogenic transcription factors: PPARγ, SREBP1c, and C/EBPα. Enhancing osteoblastogenesis by LHE treatment was confirmed in osteoblastogenesis-induced MC3T3-E1 pre-osteoblasts. Cells treated with LHE resulted in increased calcification and alkaline phosphatase (ALP) activity compared with osteoblasts without LHE treatment. Pro-osteogenic and anti-adipogenic effects were also confirmed in D1 murine mesenchymal stromal cells which are capable of differentiation into both adipocytes and osteoblasts. LHE hindered adipogenesis and enhanced osteoblastogenesis in D1 MSCs in a similar fashion. In conclusion, L. tetragonum is believed to possess the potential to be utilized as a nutraceutical ingredient against osteoporotic conditions.
Purpose: The aim of this study was to determine the effect of insulin growth factor binding protein-3 (IGFBP-3) on the inhibition of glucose oxidative stress and promotion of bone formation near the implant site in a rat model of methylglyoxal (MGO)-induced bone loss. Methods: An in vitro study was performed in MC3T3 E1 cells treated with chitosan gold nanoparticles (Ch-GNPs) conjugated with IGFBP-3 cDNA followed by MGO. An in vivo study was conducted in a rat model induced by MGO administration after the insertion of a dental implant coated with IGFBP-3. Results: MGO treatment downregulated molecules involved in osteogenic differentiation and bone formation in MC3T3 E1 cells and influenced the bone mineral density and bone volume of the femur and alveolar bone. In contrast, IGFBP-3 inhibited oxidative stress and inflammation and enhanced osteogenesis in MGO-treated MC3T3 E1 cells. In addition, IGFBP-3 promoted bone formation by reducing inflammatory proteins in MGO-administered rats. The application of Ch-GNPs conjugated with IGFBP-3 as a coating of titanium implants enhanced osteogenesis and the osseointegration of dental implants. Conclusions: This study demonstrated that IGFBP-3 could be applied as a therapeutic component in dental implants to promote the osseointegration of dental implants in patients with diabetes, which affects MGO levels.
Al-Sobayil, Fahd;Sadan, Madeh A.;El-Shafaey, El-Sayed;Ahmed, Ahmed F.
Journal of Veterinary Science
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제21권6호
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pp.90.1-90.11
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2020
Background: Mandibular fractures are common in camels, leading to considerable economic losses. This study explored methods of improving mandibular fractures repair, adjuvant with interdental wire, or bone plate fixation. Autologous bone marrow (BM) injection enhances osteogenesis and rapid healing. Objectives: To investigate the effect of autologous BM aspirate as an adjuvant treatment for repairing mandibular fractures in camels with interdental wire, or bone plate fixation. Methods: Thirty dromedary camels aged 5-8 years and of both sexes were randomly divided into 4 treatment groups: group 1 (n = 10) treated with stainless steel wire fixation and BM injection at the fracture line, group 2 (n = 10) treated with plate fixation and BM injection at the fracture line, group 3 (n = 5) treated with stainless steel bone wire fixation and placebo saline injection at the fracture line, and group 4 (n = 5) treated with plate fixation and placebo injection at the fracture line. The mandibular fractures were followed weekly for 12 weeks postoperatively to assess improvement and healing based on clinical evaluation, radiographic union scale, and bone turnover markers (i.e., bone alkaline phosphatase, osteocalcin, pyridinoline, and deoxypyridinoline). Results: Compared to other groups, elevated bone turnover markers in group 1 were demonstrated (p < 0.05) on the seventh postoperative day. Likewise, compared to other groups, both clinical findings and radiographic union scale significantly improved (p < 0.05) in group 1 on the 56th postoperative day. Conclusions: BM aspirate has a promising beneficial osteogenic effect on mandibular fracture repair in camels, most notably when combined with interdental wire fixation.
Purpose: The role of hard-type crosslinked hyaluronic acid (HA) with particulate bone substitutes in bone regeneration for combined inlay-onlay grafts has not been fully investigated. We aimed to evaluate the effect of hard-type crosslinked HA used with bone substitute in terms of new bone formation and space maintenance. Methods: A 15-mm-diameter round defect was formed in the calvaria of 30 New Zealand White rabbits. All animals were randomly assigned to 1 of 3 groups: the control group (spontaneous healing without material, n=10), the biphasic calcium phosphate (BCP) graft group (BCP, n=10), and the BCP graft with HA group (BCP/HA, n=10). The animals were evaluated 4 and 12 weeks after surgery. Half of the animals from each group were sacrificed at 4 and 12 weeks after surgery. Samples were evaluated using micro-computed tomography, histology, and histomorphometry. Results: The BCP group showed higher bone volume/tissue volume (BV/TV) values than the control and BCP/HA groups at both 4 and 12 weeks. The BCP and BCP/HA groups showed higher bone surface/tissue volume (BS/TV) values than the control group at both 4 and 12 weeks. The BCP group showed higher BS/TV values than the control and BCP/HA groups at both 4 and 12 weeks. No statistically significant difference in newly formed bone was found among the 3 groups at 4 weeks. The BCP group showed significantly higher new bone formation than the BCP/HA group at 12 weeks. Conclusions: Hard-type crosslinked HA did not show a positive effect on new bone formation and space maintenance. The negative effect of hard-type crosslinked HA may be due to the physical properties of HA that impede osteogenic potential.
Purpose: Hyaluronic acid (HA) affects angiogenesis and promotes the migration and differentiation of mesenchymal cells, thereby activating the osteogenic ability of osteoblasts. Although studies on the action of HA during bone regeneration are being actively conducted, the optimal dose of HA required for bone regeneration remains unclear. Therefore, the purpose of this study was to elucidate the most effective HA dose for bone formation using a rat critical-size defect model. Methods: Thirty rats were randomly divided into 5 groups, with 6 rats in each group. An absorbable collagen sponge soaked with HA or saline was used to fill an 8-mm defect, which was then covered with a collagen membrane. Different treatments were performed for each group as follows: (1) saline control, (2) 1 mg/mL HA, (3) 25 mg/mL HA, (4) 50 mg/mL HA, or (5) 75 mg/mL HA. After a healing period of 4 weeks, micro-computed tomography and histological analysis were performed. The obtained values were analyzed using analysis of variance and the Tukey test (P<0.05). Results: At week 4, the 75 mg/mL HA group had the highest bone volume/total volume ratio, new bone, and bone fill among the 5 groups, and these values were significantly different from those observed in the control group (P<0.01) and 1 mg/mL HA group (P<0.001). More active bone formation was observed in the higher-dose HA groups (25 mg/mL, 50 mg/mL, and 75 mg/mL HA), which included a large amount of woven bone. Conclusions: The 75 mg/mL HA group showed better bone formation than the other groups (1, 25, and 50 mg/mL HA and control).
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[게시일 2004년 10월 1일]
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