Исследование механизма действия куркумина на защиту функции остеобластов через антиоксидантный стресс
Остеопороз - одно из самых распространенных дегенеративных заболеваний костей, характеризующееся низкой костной массой, изменениями в микроструктуре кости и повышенным риском переломов, которые серьезно влияют на жизнь пожилых людей, особенно женщин в постменопаузе. Остеобласты отвечают за формирование костной ткани, а остеокласты участвуют в ее резорбции. Патологической и физиологической основой остеопороза является увеличение поглощения остеокластов, а дисфункция остеобластов приводит к снижению костеобразования и чистой потере костной массы. Исследования показали, что окислительный стресс является ключевым патогенетическим фактором остеопороза, а дисфункция остеобластов, вызванная чрезмерным окислением, приводящим к дефициту остеогенеза, является важной причиной чистой потери костной массы при развитии остеопороза. Окислительный стресс не только подавляет дифференцировку и пролиферацию остеобластов, но и вызывает гибель клеток. Поэтому снижение окислительного стресса с помощью медикаментозного вмешательства может помочь защитить функцию остеобластов и уменьшить их гибель, что оказывает определенное влияние на улучшение состояния остеопороза.
Куркумин (Cur) - это желтое вещество, содержащееся в корневище куркумы, которое обладает противовоспалительным, антиоксидантным, антибактериальным и противораковым действием. Его часто используют в качестве специи и сильнодействующей травы. По данным Li et al., предварительная обработка Cur снижает апоптоз остеобластов и поддерживает их дифференцировочную функцию, устраняя ингибирующее влияние реактивных видов кислорода (ROS) на сигнальный путь GSK3 β - Nrf2. Кроме того, липосома Cur, выделяемая 3D-печатным скаффолдом, обладает значительной цитотоксичностью против клеток остеосаркомы (рака кости) in vitro, но способствует выживанию и пролиферации остеобластов (здоровых клеток кости). Однако влияние Cur на пролиферацию остеобластов в условиях окислительного стресса и его регуляторный механизм на окислительно-восстановительную систему остеобластов в настоящее время неясны. Поэтому в данном исследовании использовали перекись водорода (H2O2), чтобы вызвать окислительный стресс и сконструировать модель функционального нарушения остеобластов. Наблюдая за регуляторными эффектами Cur на активность клеток, пролиферацию, дифференцировку и окислительно-восстановительную систему, был выяснен механизм, с помощью которого Cur защищает функцию остеобластов в условиях окислительного стресса.

Окислительный стресс является одной из основных патологий остеопороза и/или остеонекроза, а добавление H2O2 в культуральную среду для индуцирования дисфункции остеобластов является установленной клеточной моделью, имитирующей остеопороз. H2O2 - это распространенный реактивный вид кислорода (ROS) с длительным периодом полураспада и легким проникновением в различные плазменные мембраны, который может вызывать значительное окисление липидов, повреждение белков и фрагментацию ДНК, что в конечном итоге приводит к гибели клеток и нарушению их функциональности. В данном исследовании H2O2 использовали для обработки первичных остеобластов крыс, что привело к снижению активности клеток, скорости пролиферации и дифференцировки, сопровождаемому дисбалансом окисления-восстановления, что свидетельствует об успешном создании модели повреждения остеобластов окислительным стрессом.
В настоящее время для лечения остеопороза используются в основном бисфосфонаты, гормональная терапия, селективные модуляторы эстрогеновых рецепторов, кальцитонин, деносумаб, добавки кальция и витамина D. Недавно на рынке появились синтетические метаболические препараты, такие как терипаратид, стронция ранелат и ромуксимаб. Исследование сетевого мета-анализа показало, что разные препараты оказывают различное терапевтическое действие на остеопороз в разных частях тела. Кроме того, необходимо серьезно относиться к вопросам безопасности и побочным эффектам некоторых препаратов. Поэтому исследователи проверяют эффективность натуральных лекарств, чтобы найти эффективные и не вызывающие побочных эффектов методы лечения остеопороза. В настоящее время исследования показали, что природные антиоксиданты, такие как Cur, ресвератрол, камелия и другие, могут обеспечить более безопасные и эффективные альтернативные стратегии лечения. Однако механизм, с помощью которого Cur улучшает течение остеопороза, до конца не изучен. Поэтому данное исследование направлено на изучение механизма, с помощью которого Cur защищает остеобласты от повреждения окислительным стрессом с точки зрения окислительно-восстановительных и сигнальных путей. Наши экспериментальные данные показывают, что Cur в различных концентрациях может ингибировать чрезмерное окисление, опосредованное H2O2, и способствовать пролиферации остеобластов в условиях стресса, что указывает на широкий диапазон безопасных и эффективных концентраций для его фармакологических эффектов.
Антиоксидантная способность клеточных тканей зависит от клиренса РОС их эндогенной антиоксидантной системой. Однако в патологических условиях ослабление способности клеточных тканей к клиренсу приводит к окислительному повреждению клеточных компонентов и функциональным нарушениям. В модели окислительного повреждения остеобластов снижение уровня Т-АОК и СОД свидетельствует об ослаблении антиоксидантной способности клетки, а повышение уровня МДА - о чрезмерном окислении липидных компонентов клетки. После воздействия градиентной концентрации Cur наблюдалось улучшение окислительно-восстановительного баланса. Полученные данные свидетельствуют о том, что Cur может напрямую нейтрализовать ROS за счет собственных восстановительных групп, а также косвенно очищать ROS за счет повышения активности эндогенных антиоксидантных ферментов, таких как SOD. Окислительный стресс также вызывает повреждение тканей и клеток, активируя p38 MAPK, а уровень фосфорилирования p38 MAPK отражает состояние его активации. Результаты вестерн-блоттинга показали, что различные концентрации Cur могут ингибировать фосфорилирование p38 MAPK, опосредованное H2O2, что позволяет предположить, что ингибирующий эффект Cur на активацию p38 MAPK может быть вовлечен в его защитный механизм против окислительного повреждения в остеобластах. Однако из-за дисбаланса эндогенных антиоксидантных систем разных типов, типы образующихся ROS варьируют, что приводит к различным эффектам на выживание, гибель и функционирование клеток. В дальнейших исследованиях мы будем изучать механизмы окислительно-восстановительной регуляции остеопороза.
В данном исследовании также было обнаружено, что Cur может улучшить ингибирование H2O2 на функцию дифференцировки остеобластов, что проявляется в увеличении количества минерализованных кальциевых узелков и повышении активности ALP, что согласуется с результатами исследования Li et al. Повышение способности к остеогенной дифференцировке после предварительной обработки Cur может быть связано с увеличением пролиферации клеток и активности ALP. Однако Cur в концентрации 10 мк омл/л не показал значительного продвижения дифференцировки костей, что говорит о том, что поддержание хорошей клеточной активности и способности к пролиферации может быть более полезным для функции дифференцировки остеобластов. Кроме того, ROS, являясь сигнальной молекулой, также выполняет свои физиологические функции, и чрезмерная антиоксидантная активность может нанести вред нормальному функционированию клеток. Хотя предварительная обработка 10 мк омл/л Cur может эффективно ингибировать перекисное окисление липидов, ее защитный эффект на эндогенную антиоксидантную систему не столь значителен, как у низкой концентрации Cur. Поэтому при применении Cur на уровне животных и человека необходимо контролировать соответствующую дозировку. Подтверждено, что сигнальный путь Wnt играет положительную регуляторную роль в процессе остеогенной дифференцировки. Избыток ROS может способствовать транскрипции ключевых генов в пути Wnt/β - катенин, которые регулируются FoxO, что в конечном итоге подавляет пролиферацию, дифференцировку и минерализацию остеобластов, приводя к остеопорозу. Далее мы изучили возможный механизм, посредством которого Cur защищает дифференцировочную функцию остеобластов с помощью Вестерн-блоттинга, и обнаружили, что Cur может отменить снижение экспрессии Wnt5a и β-катенина, опосредованное H2O2, что указывает на то, что Cur может способствовать пролиферации, дифференцировке и минерализации остеобластов в условиях окислительного стресса путем регулирования сигнального пути Wnt/β-катенина.
Таким образом, в данном исследовании использовалась градиентная концентрация Cur для предварительной обработки остеобластов крыс, наблюдалось его улучшающее действие на дисфункцию остеобластов, вызванную окислительным стрессом, и был предварительно выяснен механизм его действия. В будущем необходимы дальнейшие фундаментальные и клинические исследования по применению природных соединений, таких как Cur, чтобы обеспечить теоретическую основу для разработки безопасных и эффективных стратегий лечения остеопороза. Кроме того, дозировка, способ применения, метаболизм препарата и оценка эффективности Cur также являются научными вопросами, заслуживающими изучения.