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.
Hyoeun Jeon;Jungeun Yu;Jung Me Hwang;Hye-Won Park;Jiyeon Yu;Zee-Won Lee;Taesoo Kim;Jaerang Rho
IMMUNE NETWORK
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제22권5호
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pp.43.1-43.12
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2022
Osteoclasts (OCs) are clinically important cells that resorb bone matrix. Accelerated bone destruction by OCs is closely linked to the development of metabolic bone diseases. In this study, we screened novel chemical inhibitors targeting OC differentiation to identify drug candidates for metabolic bone diseases. We identified that 1,3-dibenzyl-5-fluorouracil, also named OCI-101, is a novel inhibitor of osteoclastogenesis. The formation of multinucleated OCs is reduced by treatment with OCI-101 in a dose-dependent manner. OCI-101 inhibited the expression of OC markers via downregulation of receptor activator of NF-κB ligand and M-CSF signaling pathways. Finally, we showed that OCI-101 prevents ovariectomy-induced bone loss by suppressing OC differentiation in mice. Hence, these results demonstrated that OCI-101 is a good drug candidate for treating metabolic bone diseases.
Objectives : Osteoporosis is a systemic skeletal disorder characterized by reduced bone mineral density and increased risk of fractures. Bisphosphonates and selective estrogen receptors, which are bone resorption inhibitors that are currently widely used as osteoporosis treatments, show serious side effects when administered for a long time. Research on bone resorption inhibitors that complement the problems of existing treatments is needed. The purpose of this study was to investigate the effect of inhibiting osteoclast differentiation and activity on the tuberous root of Ampelopsis japonica (Thunb.) Makino (AM). Methods : After extracting AM using distilled water and ethanol, the inhibitory effects of the two solvents on osteoclast differentiation were compared using the RANKL-induced in vitro experimental model and the TRAP assay kit. The impact of AM on bone resorption was investigated through the pit formation assay, and its effect on F-actin formation was assessed through fluorescent staining. Additionally, protein and mRNA expression levels of osteoclast differentiation markers (NFATc1, c-Fos, TRAP and ATP6v0d2) and resorption markers (MMP-9, CTK, and CA2) were analyzed via western blot and RT-PCR. Results : AM treatment significantly decreased the number of TRAP-positive cells and pit formation area. Furthermore, AM suppressed both the protein and mRNA expression of NFATc1 and c-Fos, key transcription factors involved in osteoclast differentiation and it downregulated the expression of osteoclast-associated genes such as TRAP, CTK, MMP-9, CA2, and ATP6v0d2. Conclusions : These results suggest that AM can inhibit bone resorption and osteoclast differentiation, indicating its potential for use in the treatment and prevention of osteoporosis.
Park, Soon-Sun;Kim, Kyoung-A;Lee, Seung-Youp;Lim, Shin-Saeng;Jeon, Young-Mi;Lee, Jeong-Chae
BMB Reports
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제45권10호
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pp.571-576
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2012
Radiotherapy is considered to cause detrimental effects on bone tissue eventually increasing bone loss and fracture risk. However, there is a great controversy on the real effects of irradiation itself on osteoblasts, and the mechanisms by which irradiation affects osteoblast differentiation and mineralization are not completely understood. We explored how X-ray radiation influences differentiation and bone-specific gene expression in mouse calvarial osteoblasts. Irradiation at 2 Gy not only increased differentiation and mineralization of the cells, but also upregulated the expression of alkaline phosphatase, type I collagen, osteopontin, and osteocalcin at early stages of differentiation. However, irradiation at higher doses (>2 Gy) did not stimulate osteoblast differentiation, rather it suppressed DNA synthesis by the cells without a toxic effect. Additional experiments suggested that transforming growth factor-beta 1 and runt-transcription factor 2 play important roles in irradiation- stimulated bone differentiation by acting as upstream regulators of bone-specific markers.
목 적: 체중과 지방량이 골밀도와 밀접한 연관이 있는 것으로 알려져 왔다. 비만아에서는 지방 조직에서 합성 분비되는 leptin이 증가되는데, 증가된 leptin이 비만아의 골 대사에 미치는 영향에 대해 알아보고자 연구를 하였다. 방 법: 2005년 11월부터 2006년 5월까지 조선대학교병원 외래를 방문한 50명의 남자(비만아 25명, 정상 체중의 대조군 25명)를 대상으로 하였다. 체질량 지수, 체지방률, 삼두박근 피부주름 두께와 견갑골하 피부주름 두께를 측정하고 혈청 leptin과 골대사 지표인 B-ALP, CICP 및 total DPD 농도를 검사하였다. 비만군과 대조군의 신체 계측, leptin 및 골대사 지표 농도를 비교하고, leptin과 골대사 지표와의 상관성을 알아보았다. 결 과: 비만군에서 체질량 지수(r=0.551, p<0.05), 체지방률(r=0.584, p<0.05)과 유의한 양의 상관관계가 있었다. Leptin은 골형성 지표인 B-ALP (r=-0.613, p=0.026) 및 CICP (r=-0.583, p=0.037)와 유의한 음의 상관성을 보였다. 그러나 골흡수 지표인 total DPD (r=0.103)와는 유의한 상관성이 없었다. 대조군에서 leptin과 유의한 상관성이 있는 인자는 없었다. 골대사에 영향을 주는 체중을 통제하고 상관성을 알아본 결과에서도 비만군에서 leptin은 B-ALP (r=-0.728, p=0.007) 및 CICP (r=-0.684, p=0.014)와 유의한 음의 상관성을 보였으나 total DPD와는 연관성이 없었다. 대조군에서는 leptin과 연관성 있는 골대사 지표는 없었다. 비만군에서 골대사 지표에 영향을 미치는 인자에 대해 다중 단계별 회귀 분석을 시행한 결과 종속변수인 B-ALP는 leptin과 유의한 음의 상관성을 보였으며(Y=-39.653X+356.341, p=0.026), CICP도 leptin과 유의한 음의 상관성을 보였다(Y=-13.437X+116.013, p=0.037). 결 론: 비만아에서 leptin은 골형성 지표인 B-ALP 및 CICP와 음의 상관성이 있었으며, 골 흡수가 아닌 골 형성을 저하시키는 것을 알 수 있었다.
Journal of the Korean Association of Oral and Maxillofacial Surgeons
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제38권4호
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pp.204-211
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2012
Objectives: Dental implants installation in patients with diabetes remains controversial as altered bone healing around implants has been reported. And little is known about the biological factors involved in bone healing around implants. The present study aimed to investigate the biological markers around immediately placed implants in rats with controlled and uncontrolled diabetes. Materials and Methods: Twenty rats (40 sites) were divided into the control, insulin-treated and diabetic groups. The rats received streptozotocin (60 mg/kg) to induce diabetes; animals in the insulin-treated group also received three units of subcutaneous slow-release insulin. Two threaded titanium alloy implant ($1.2{\times}3mm$) were placed in the extraction socket of the both maxillary first molars and allowed for healing. Bone blocks including implant were harvested at 3 days, 1, 2 and 4 weeks. The levels of bone morphogenetic protein (BMP)-4, transforming growth factor (TGF)-${\beta}1$, osteocalcin (OC) and osteonectin (ON) were measured in the peri-implant osseous samples by RT-PCR. Results: The BMP-4 level increased immediately in all groups by day 3, then decreased abruptly in the control and the insulin-treated groups. However, by week 4, all groups showed mostly the same amount of BMP-4 expression. The level of TGF-${\beta}1$ also instantly increased by day 3 in the insulin-treated group. This level elevated again reaching the same values as the control group by week 4, but was not as high as the diabetic group. In addition, the expression of OC and ON in the control and insulin-treated groups was higher than that of the diabetic group at 2 weeks and 4 weeks, indicating active bone formation in these groups. Conclusion: The immediate placement of titanium implants in the maxilla of diabetic rat led to an unwanted bone healing response. Conclusively, the results of this study suggest that immediate implant insertion in patients with poorly controlled diabetes might be contraindicated.
We investigated the effect of a lactic acid extract of Sargassum horneri (ExSL) as a calcium supplement on bone formation in 48 female Sprague-Dawley rats for 4 weeks of their growth phase. The rats were divided into four groups based on diet: two calcium-sufficient and two calcium-deficient diets. The normal control group (NC) was fed AIN-93G; the NCS group was fed the same diet containing 1% extract; the calcium-deficient control (DC) diet was based on AIN-93G; and the DCS group received the same calcium-deficient diet plus 1% extract. Bone formation in the rats was evaluated using the wet weight, length, diameter, and bone mineral density (BMD) of the femur. Serum parameters were also examined. The food intake among the groups did not differ significantly (P<0.05). The NCS group gained the most body weight, while the DC group gained much less weight than the other groups. The feeding efficiencies of the groups that received the extract (NCS and DCS) were slightly higher than those of the control groups (NC and DC). The calcium intakes of all groups depended on the amount of calcium in the feed; the NCS and DCS diets contained 12.15 mg more calcium than the NC and DC diets. The calcium absorption was lower in NCS than in DC and DCS, but significantly higher than in NC (P<0.05). The BMDs in the calcium-sufficient groups were not significantly different (P<0.05), while in the calcium-deficient groups the BMD was significantly higher in DCS than in DC (P<0.05). The serum calcium and phosphorus levels in all groups were not associated with markers of bone growth related to the extract. The osteocalcin content and alkaline phosphatase (ALPase) activity were higher in the calcium-deficient groups than in the normal groups (P<0.05). Ultimately, the osteocalcin content and ALPase activity were lower in DCS compared to DC. These results suggest that the addition of ExSL promotes bone formation and calcium absorption in growing rats.
Journal of the Korean Association of Oral and Maxillofacial Surgeons
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제28권2호
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pp.95-102
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2002
DM is a systemic disease with many complications. One of them, diabetic osteopenia is important sequelae and many authors reported reduced bone mass in diabetic rats. However, in mandible, study has been rare because of its anatomical limits. So the objective of this study was to investigate bony change in mandible of diabetic rats. Thirty-two adult rats were used in this study. Half of them were male and female respectively. In sixteen rats, streptozotocin was injected intraperitoneally to induce DM and the serum glucose concentration was checked to ensure the induction of DM prior to the time of sacrifice. At 1, 2, 3, 4, 6, 8, 12, 16weeks, control group and diabetic group rats were sacrificed respectively. And then bone mineral density of mandibles and femurs of the rats was measured using dual energy X-ray absorptiometry(DEXA). In addition serum osteocalcin and urine deoxypyridinoline were measured as markers of bone formation and resoption respectively. Mandibular and femoral bone density in streptozotocin induced rats was decreased with significance statistically after 4 weeks from injection. In mandible, comparing with femur, bone density was moderately decreased. The alveolar bone in mandible was more decreased bone density than the whole body in the mandible From these results, bone mineral density decreased in uncontrolled diabetic group with time, and especially alveolar bone was more destructive in the mandible. So authors think that consideration of reduced bone mineral density is necessary in dental procedure.
Osteoporosis is a progressive bone disease characterized by low bone mass which is caused by disturbance in the balance between the activities of osteoblasts and osteoclasts. Postmenopausal osteoporosis is one of the most common disorders in women after menopause, which is linked to an estrogen deficiency and characterized by an excessive loss of trabecular bone. Rubus coreanus has been used for their various pharmacological properties in Asia as a traditional medicine. To investigate the effect of unripe fruits of R. coreanus 30% ethanol extract (RCE) on osteoblast-like cells (MG63) differentiation, we examined the effects of RCE on in vitro osteoblastic differentiation markers, alkaline phosphatase (ALP) activity and receptor activator of nuclear factor ${\kappa}$-B ligand (RANKL) and osteoprotegerin (OPG) expression. The high concentration (50 and $100{\mu}g/mL$) of RCE markedly increased ALP activity, whereas decreased the RANKL/OPG. We also investigated the effect of RCE on M-CSF plus RANKL-induced differentiation of pre-osteoclast cells (RAW 264.7). RCE treatment remarkably inhibited M-CSF/RANKL-induced formation of osteoclast-like multinuclear cells from RAW 264.7 cells. Moreover, the inhibitory effect of RCE was reduced by selective estrogen receptor-${\alpha}$ antagonist. Our research suggests that suggested that unripe fruits of R. coreanus may act beneficial effects on bone mass by regulating both osteoblast and osteoclast.
Lim, Ki-Taek;Choi, Jeong Moon;Lim, Won-Chul;Kim, Jangho;Cho, Hong-Yon;Chung, Jong Hoon
Journal of Biosystems Engineering
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제39권3호
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pp.235-243
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2014
Purpose: The aim of this study was to prepare and evaluate a natural material extracted from germinated brown rice (GBR). Herein, we evaluated whether the natural material could positively activate the biological effects seen during bone formation, including enhancement of metabolic activity, osteogenesis, and the expression of vascular endothelial growth factor (VEGF), one of the growth factors in human osteoblast-like cells. Methods: The natural material was created by a hot water extraction process after being soaked for 2~3 days in tap water and dried at $50^{\circ}C$. The material was characterized using field emission scanning electron microscopy (FE-SEM), energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX), X-ray diffraction (XRD), and Fourier transformed infrared (FTIR) spectroscopy. The biological behaviors of the material were also investigated; we performed tests to assess cell cytotoxicity, metabolic activity, osteogenic markers related to bone formation, and VEGF. Results: The EDX, XRD, and FTIR results for the natural material indicated the presence of organic compounds. The natural material caused positive increases in cell metabolic activity and mineralized bone formation without cytotoxicity. The protein levels in the extract for the $6.25{\mu}g/mL$, $12.25{\mu}g/mL$, $25{\mu}g/mL$, $50{\mu}g/mL$, and $100{\mu}g/mL$ groups were significantly different from that for the control. Conclusions: The GBR-based natural material was easy to prepare and had characteristics of a potential biomaterial. The biocompatibility of this natural material was evaluated using in vitro techniques; our findings indicate that this novel material is promising for agricultural and biological applications.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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