Undersøgelse af curcumins mekanisme til beskyttelse af osteoblastfunktion gennem antioxidantstress
Osteoporose er en af de mest almindelige degenerative knoglesygdomme, der er kendetegnet ved lav knoglemasse, ændringer i knoglemikrostrukturen og øget risiko for brud, hvilket i alvorlig grad påvirker livet for ældre mennesker, især postmenopausale kvinder. Osteoblaster er ansvarlige for knogledannelse, mens osteoklaster deltager i knogleresorption. Det patologiske og fysiologiske grundlag for osteoporose er en stigning i osteoklasternes absorption, mens osteoblasternes dysfunktion fører til reduceret knogledannelse og nettotab af knogler. Forskning har vist, at oxidativt stress er en vigtig patogen faktor i osteoporose, og osteoblasternes dysfunktion forårsaget af overdreven oxidation, der fører til mangel på osteogenese, er en vigtig årsag til nettotab af knogler i udviklingen af osteoporose. Oxidativt stress hæmmer ikke kun osteoblastdifferentiering og -proliferation, men inducerer også celledød. Derfor kan reduktion af oxidativ stress gennem lægemiddelintervention hjælpe med at beskytte osteoblasternes funktion og reducere deres død, hvilket har en vis effekt på forbedring af osteoporose.
Curcumin (Cur) er et gult stof, der findes i rhizomet af gurkemeje, og som har antiinflammatoriske, antioxiderende, antibakterielle og kræfthæmmende virkninger. Det bruges ofte som krydderi og potent urt. Ifølge Li et al. reducerer Cur-forbehandling osteoblast-apoptose og opretholder dens differentieringsfunktion ved at eliminere den hæmmende effekt af reaktive oxygenarter (ROS) på GSK3 β - Nrf2-signalvejen. Derudover har liposomet Cur, der frigives af det 3D-printede stillads, betydelig cytotoksicitet mod osteosarkomceller (knoglekræftceller) in vitro, men fremmer overlevelsen og spredningen af osteoblaster (sunde knogleceller). Imidlertid er effekten af Cur på osteoblastproliferation under oxidativ stress og dens reguleringsmekanisme på osteoblastredoxsystemet i øjeblikket uklar. Derfor brugte denne undersøgelse hydrogenperoxid (H2O2) til at fremkalde oxidativ stress og konstruere en model for funktionsnedsættelse af osteoblaster. Ved at observere de regulerende virkninger af Cur på celleaktivitet, spredning, differentiering og redoxsystemet blev den mekanisme, hvormed Cur beskytter funktionen af osteoblaster under oxidativ stress, belyst.

Oxidativ stressskade er en af de vigtigste patologier ved osteoporose og/eller osteonekrose, og tilsætning af H2O2 til kulturmediet for at fremkalde osteoblastdysfunktion er en etableret cellemodel, der simulerer osteoporose. H2O2 er en almindelig reaktiv iltart (ROS) med en lang halveringstid og let gennemtrængning af forskellige plasmamembraner, som kan fremkalde betydelig lipidoxidation, proteinskade og DNA-fragmentering, hvilket i sidste ende fører til celledød og funktionsnedsættelse. I denne undersøgelse blev H2O2 brugt til at behandle primære osteoblaster i rotter, hvilket resulterede i et fald i celleaktivitet, spredningshastighed og differentieringshastighed ledsaget af en ubalance mellem oxidation og reduktion, hvilket indikerer en vellykket konstruktion af en osteoblast-oxidativ stressskademodel.
På nuværende tidspunkt omfatter de lægemidler, der anvendes til behandling af osteoporose, hovedsageligt bisfosfonater, hormonbehandling, selektive østrogenreceptormodulatorer, calcitonin, denosumab, calcium- og D-vitamintilskud. For nylig er syntetiske metaboliske lægemidler som teriparatid, strontiumranelat og Romuximab blevet lanceret på markedet. En netværksmetaanalyse viste, at forskellige lægemidler har forskellige terapeutiske effekter på osteoporose i forskellige dele af kroppen. Desuden skal sikkerhedsproblemerne og de negative bivirkninger ved nogle lægemidler også tages alvorligt. Derfor er forskere i gang med at screene effekten af naturmedicin for at finde effektive behandlinger af osteoporose med få bivirkninger. På nuværende tidspunkt har forskning vist, at naturlige antioxidanter som Cur, resveratrol, kamelia osv. kan give sikrere og mere effektive alternative behandlingsstrategier. Men den mekanisme, hvormed Cur forbedrer osteoporose, er ikke fuldt ud forstået. Derfor har denne undersøgelse til formål at udforske den mekanisme, hvormed Cur beskytter osteoblaster mod oxidativ stressskade ud fra redox- og signalveje. Vores eksperimentelle data viser, at Cur i forskellige koncentrationer kan hæmme H2O2-medieret overdreven oxidation og fremme osteoblastproliferation under stress, hvilket indikerer en bred vifte af sikre og effektive koncentrationer for dets farmakologiske virkninger.
Cellevævets antioxidative kapacitet afhænger af det endogene antioxidantsystems udskillelse af ROS. Men under patologiske forhold fører den svækkede clearancekapacitet i cellevæv til oxidativ skade på cellulære komponenter og funktionssvækkelse. I osteoblastmodellen for oxidativ skade indikerer et fald i T-AOC- og SOD-niveauer en svækkelse af cellens antioxidantkapacitet, mens en stigning i MDA-niveauer tyder på overdreven oxidation af cellens lipidkomponenter. Efter intervention med gradientkoncentration af Cur var der en forbedring af redox-ubalancen. Disse resultater tyder på, at Cur direkte kan neutralisere ROS gennem sine egne reducerende grupper og indirekte fjerne ROS ved at opregulere aktiviteten af endogene antioxidantenzymer som SOD. Oxidativt stress forårsager også vævs- og celleskader ved at aktivere p38 MAPK, og fosforyleringsniveauet af p38 MAPK repræsenterer dets aktiveringstilstand. Western blotting-resultater viste, at forskellige koncentrationer af Cur kunne hæmme H2O2-medieret fosforylering af p38 MAPK, hvilket tyder på, at den hæmmende effekt af Cur på p38 MAPK-aktivering kan være involveret i dens beskyttelsesmekanisme mod oxidativ skade i osteoblaster. Men på grund af ubalancen mellem endogene antioxidantsystemer af forskellige typer varierer de producerede ROS-typer, hvilket resulterer i forskellige effekter på celleoverlevelse, -død og -funktion. Vi vil udforske de redoxregulerende mekanismer for osteoporose yderligere i fremtidig forskning.
Denne undersøgelse viste også, at Cur kan forbedre hæmningen af H2O2 på osteoblasternes differentieringsfunktion, hvilket viste sig ved en stigning i mineraliserede kalkknuder og forhøjet ALP-aktivitet, hvilket er i overensstemmelse med forskningen rapporteret af Li et al. Den forbedrede osteogene differentieringsevne efter forbehandling med Cur kan være relateret til øget celleproliferation og ALP-aktivitet. Cur i en koncentration på 10 μ oml/L viste dog ikke signifikant fremme af knogledifferentiering, hvilket tyder på, at opretholdelse af god celleaktivitet og spredningsevne kan være mere gavnligt for osteoblasternes differentieringsfunktion. Derudover spiller ROS som signalmolekyle også sine fysiologiske funktioner, og overdreven antioxidantaktivitet kan faktisk være skadelig for cellernes normale funktion. Selvom forbehandling med 10 μ oml/L Cur effektivt kan hæmme lipidperoxidation, er den beskyttende effekt på det endogene antioxidantsystem ikke så signifikant som Cur i lav koncentration. Når Cur anvendes til dyr og mennesker, skal den passende dosis derfor kontrolleres. Det er blevet bekræftet, at Wnt-signalvejen spiller en positiv regulerende rolle i processen med osteogen differentiering. Overdreven ROS kan fremme transkriptionen af vigtige gener i Wnt/β-catenin-signalvejen, der skal reguleres af FoxO, hvilket i sidste ende hæmmer osteoblastproliferation, differentiering og mineralisering, hvilket fører til osteoporose. Vi undersøgte yderligere den mulige mekanisme, hvormed Cur beskytter osteoblasternes differentieringsfunktion gennem Western blotting, og fandt, at Cur kan vende nedreguleringen af Wnt5a og β - catenin-ekspression medieret af H2O2, hvilket indikerer, at Cur kan fremme spredning, differentiering og mineralisering af osteoblaster under oxidativ stress ved at regulere Wnt/β - catenin-signalvejen.
Sammenfattende brugte denne undersøgelse en gradientkoncentration af Cur til at forbehandle rotteosteoblaster, observerede dens forbedrende effekt på oxidativ stressinduceret osteoblastdysfunktion og belyste foreløbigt dens virkningsmekanisme. I fremtiden er der behov for yderligere grundlæggende og klinisk forskning i anvendelsen af naturlige forbindelser som Cur for at skabe et teoretisk grundlag for udviklingen af sikre og effektive behandlingsstrategier mod osteoporose. Desuden er dosering, indgivelsesmetode, lægemiddelmetabolisme og effektevaluering af Cur også videnskabelige spørgsmål, der er værd at udforske.