Therapeutic effects of zoledronic acid (ZOL) on giant cell tumour of bone (GCT) have been proven. Apoptosis induction was considered to be one of the mechanisms of ZOL tumour inhibition. In this study, we presented the possibility of an osteogenic differentiation stimulation mechanism of ZOL and further investigated dosage and time effects. We treated stromal cells of GCT (GCTSC) with ZOL for 48 hours at different concentrations ($0{\mu}M$, $0.01{\mu}M$, $0.1{\mu}M$, $1{\mu}M$, 5${\mu}M$, $30{\mu}M$) and assessed apoptotic and osteogenic differentiation markers with immunohistochemical techniques and real-time quantitative RT-PCR. Our results suggested that ZOL enhanced mRNA expression of Cbfa-1, osterix and osteocalcin genes with a maximum effect at $1{\mu}M$ in GCTSC. Time course experiments indicated a time dependent osteogenic differentiation effect. In conclusion, ZOL may be considered as an adjuvant in the treatment of GCT not only by inducing apoptosis but also by stimulating osteogenic differentiation of remaining tumor stromal cells after surgery.
Recent in vitro and in vivo animal studies have reported that statin, a cholesterol-lowering drug, stimulate osteogenic differentiation. In the present study, we investigated the effect of simvastatin on osteogenic and adipogenic differentiation in primarily cultured human adipose-derived stem cells (hADSCs). The simvastatin treatment significantly increased the positive cell numbers in alkaline phosphatase and von Kossa staining, and enhanced the expression levels of bone morphogenic protein (BMP)-2, core binding factor alpha 1 (cbfa1), collgen type I and osteonectin mRNAs. Lastly, hADSCs were cultured in the adipogenic media with or without simvastatin to examine the effect of simvastatin on adipogenic differentiation. In the RT-PCR analysis, there were notable decreases in mRNA expression of aP1, C/EBP-$\alpha$ and PPAR-$\gamma$ in hADSCs cultivated in simvastatin-added medium, compared to those in simvastatin-free medium. It suggests that the adipogenic differentiation was significantly inhibited by simvastatin treatment. These observations indicate that simvastatin induces osteogenic differentiation and suppresses adipogenic differentiation in hADSCs.
Human bone marrow-derived mesenchymal stem cells (hBMMSCs) must differentiate into osteogenic cells to allow for successful bone regeneration. In this study, we investigated the effects of different combinations of three soluble osteogenic differentiation-inducing factors [L-ascorbic acid (AC), ${\beta}$-glycerophosphate (${\beta}G$), and bone morphogenic protein-2 (BMP-2)] and the presence of a hydroxyapatite (HA) substrate on hBMMSC osteogenic differentiation in vitro. hBMMSCs were cultured in medium containing various combinations of the soluble factors on culture plates with or without HA coating. After 7 days of culture, alkaline phosphatase (ALP) activity, calcium deposition, and osteoprotegerin (OPG) and osteopontin (OPN) expression were measured. The effects of individual and combined factors were evaluated using a factorial analysis method. BMP-2 predominantly affected expression of early markers of osteogenic differentiation (ALP and OPG). HA had the highest positive effect on OPN expression and calcium deposition. The interaction between AC, ${\beta}G$, and HA had the second highest positive effect on ALP activity.
Objective. To investigate the effects of the hypoxia inducible factor-1 (HIF-1) activation-mimicking agent cobalt chloride ($CoCl_2$) on the osteogenic differentiation of human mesenchymal stem cells (hMSCs) and elucidate the underlying molecular mechanisms. Study design. The dose and exposure periods for $CoCl_2$ in hMSCs were optimized by cell viability assays. After confirmation of $CoCl_2$-induced HIF-$1{\alpha}$ and vascular endothelial growth factor expression in these cells by RT-PCR, the effects of temporary preconditioning with $CoCl_2$ on hMSC osteogenic differentiation were evaluated by RT-PCR analysis of osteogenic gene expression, an alkaline phosphatase (ALP) activity assay and by alizarin red S staining. Results. Variable $CoCl_2$ dosages (up to $500{\mu}M$) and exposure times (up to 7 days) on hMSC had little effect on hMSC survival. After $CoCl_2$ treatment of hMSCs at $100{\mu}M$ for 24 or 48 hours, followed by culture in osteogenic differentiating media, several osteogenic markers such as Runx-2, osteocalcin and osteopontin, bone sialoprotein mRNA expression level were found to be up-regulated. Moreover, ALP activity was increased in these treated cells in which an accelerated osteogenic capacity was also verified by alizarin red S staining. Conclusions. The osteogenic differentiation potential of hMSCs could be preserved and even enhanced by $CoCl_2$ treatment.
Purpose: The object of this study was to evaluate the development of continuous osteogenic differentiation and bone formation after the subcutaneous implantation of the tissue-engineered bone, in vitro. Methods: Human adipose-derived stem cells were obtained by proteolytic digestion of liposuction aspirates. Adipose-derived stem cells were seeded in PLGA scaffolds after being labeled with PKH26 and cultured in osteogenic differentiation media for 1 month. The PLGA scaffolds with osteogenic stimulated adipose-derived stem cells were implanted in subcutaneous layer of four nude mice. Osteogenesis was assessed by RT-PCR for mRNA of osteopontin and bone sialoprotein(BSP), and immunohistochemistry for osteocalcin, and von Kossa staining for calcification of extracellular matrix at 1 and 2 months. Results: Implanted PLGA scaffold with adipose-derived stem cells were well vascularized, and PLGA scaffolds degraded and were substituted by host tissues. The mRNA of osteopontin and BSP was detected by RT-PCR in both osteogenic stimulation group and also osteocalcin was detected by immunohistochemistry at osteogenic stimulation 1 and 2 months, but no calcified extracellular deposit in von Kossa stain was found in all groups. Conclusion: In vivo, it could also maintain the characteristics of osteogenic differentiation that adipose-derived stem cells within PLGA scaffold after stimulation of osteogenic differentiation in vitro, but there were not normal bone formation in subcutaneous area. Another important factor to consider is in vivo, heterologous environment would have negative effect on bone formation as.[p1]
Postmenopausal osteoporosis (PMOP) is a common systemic skeletal disease characterized by reduced bone mass and microarchitecture deterioration. Although differentially expressed SOX5 has been found in bone marrow from ovariectomized mice, its role in osteogenic differentiation in human mesenchymal stem cells (hMSCs) from bone marrow in PMOP remains unknown. In this study, we investigated the biological function of SOX5 and explore its molecular mechanism in hMSCs from patients with PMOP. Our findings showed that the mRNA and protein expression levels of SOX5 were upregulated in hMSCs isolated from bone marrow samples of PMOP patients. We also found that SOX5 overexpression decreased the alkaline phosphatase (ALP) activity and the gene expression of osteoblast markers including Collagen I, Runx2 and Osterix, which were increased by SOX5 knockdown using RNA interference. Furthermore, $TNF-{\alpha}$ notably upregulated the SOX5 mRNA expression level, and SOX5 knockdown reversed the effect of $TNF-{\alpha}$ on osteogenic differentiation of hMSCs. In addition, SOX5 overexpression increased Kruppel-like factor 4 (KLF4) gene expression, which was decreased by SOX5 silencing. KLF4 knockdown abrogated the suppressive effect of SOX5 overexpression on osteogenic differentiation of hMSCs. Taken together, our results indicated that $TNF-{\alpha}$-induced SOX5 upregulation inhibited osteogenic differentiation of hMSCs through KLF4 signal pathway, suggesting that SOX5 might be a novel therapeutic target for PMOP treatment.
Purpose: The purpose of this study was to determine whether metformin (MF) could alleviate the expresssion of reactive oxygen species (ROS) and improve the osteogenic ability of bone marrow mesenchymal stem cells derived from diabetic rats (drBMSCs) in vitro, and to evaluate the effect of MF on the ectopic osteogenesis of drBMSCs in a nude mouse model in vivo. Methods: BMSCs were extracted from normal and diabetic rats. In vitro, a cell viability assay (Cell Counting Kit-8), tests of alkaline phosphatase (ALP) activity, and western blot analysis were first used to determine the cell proliferation and osteogenic differentiation of drBMSCs that were subjected to treatment with different concentrations of MF (0, 50, 100, 200, 500 µM). The cells were then divided into 5 groups: (1) normal rat BMSCs (the BMSCs derived from normal rats group), (2) the drBMSCs group, (3) the drBMSCs + Mito-TEMPO (10 µM, ROS scavenger) group, (4) the drBMSCs + MF (200 µM) group, and (5) the drBMSCs + MF (200 µM) + H2O2 (50 µM, ROS activator) group. Intracellular ROS detection, a senescence-associated β-galactosidase assay, ALP staining, alizarin red staining, western blotting, and immunofluorescence assays were performed to determine the effects of MF on oxidative stress and osteogenic differentiation in drBMSCs. In vivo, the effect of MF on the ectopic osteogenesis of drBMSCs was evaluated in a nude mouse model. Results: MF effectively reduced ROS levels in drBMSCs. The cell proliferation, ALP activity, mineral deposition, and osteogenic-related protein expression of drBMSCs were demonstrably higher in the MF-treated group than in the non-MF-treated group. H2O2 inhibited the effects of MF. In addition, ectopic osteogenesis was significantly increased in drBMSCs treated with MF. Conclusions: MF promoted the proliferation and osteogenic differentiation of drBMSCs by inhibiting the oxidative stress induced by diabetes and enhenced the ectopic bone formation of drBMSCs in nude mice.
Sestrin 2 (SESN2) is a member of the sestrin family of stress-induced proteins that negatively regulate aging-associated biological processes. This study aims to investigate the role of SESN2 in regulating the differentiation potential and senescence of mesenchymal stem cells (MSCs) derived from young and elderly donors. Bulk RNA sequencing revealed a common decline in the SESN2 mRNA levels in MSCs from elderly individuals, which was confirmed via reverse transcription-polymerase chain reaction and western blot analyses. SESN2 knockdown in MSCs from young donors resulted in phenotypic changes similar to those in MSCs from elderly donors, including an enhanced expression of senescence and adipogenic markers and diminished expression of osteogenic markers. To confirm the effect of decreased SESN2 expression on osteogenic and adipogenic differentiation, we induced Sesn2 knockdown in mouse bone marrow-derived MSCs. Sesn2 knockdown suppressed the mRNA expression of osteogenic marker genes, alkaline phosphatase activity, and matrix mineralization. Furthermore, Sesn2 knockdown enhanced mRNA expression of the adipogenic marker genes and intracellular lipid accumulation. These results suggest that a decline in SESN2 expression during aging contributes to the shift of MSC differentiation from osteogenic to adipogenic lineage.
Objectives This study investigated the effect of purified safflower (Carthamus tinctorius Linne) and safflower seed (Carthamus tinctorius L. seed; CS) extract, using hot water and ethanol extract methods , on the osteogenic differentiation of MC3T3E1 cells.Methods The safflower and safflower seed were extracted with hot water and ethanol. The samples were concentrated by a rotary evaporator and then freeze-dried using a freeze-dryer. The MC3T3E1 cells were propagated and maintained in DMEM (Gibco) containing 10% FBS and a 1% antibiotic antimycotic solution. To induce osteogenic differentiation, the cells were treated for 14 days with DMEM with 10 mM β-glycerophosphate and 50 μM ascorbic acid. Extract doses were confirmed by the results of an MTT assay, and treatment of the extracts was performed in a differentiation medium every two days. The ALP staining and activity were tested after osteogenic differentiation for five days, and after 14 days, osteogenic differentiation was determined by alizarin red S staining. The mRNA expressions of osteogenic-related genes were quantified using quantitative real-time PCR.Results In the results of the MTT assay, all concentrations of safflower extracts had no toxicity in the MC3T3El cells. But in the groups of 100 ng/ml and 200 ng/ml concentrations of safflower seed extracts, the cell viability was significantly reduced by up to 40-50%. So we fixed the treatment concentration of the extract at 50 ng/ml. In the ALP and alizarin red S staining, all extract groups increased osteogenic differentiation compared with the control group. The water-safflower extract group showed the highest mRNA level of Alp, Runx2, and Dlx5 genes. The mRNA level of Ocn, an osteogenic gene related to late-stage differentiation, in the ethanol-safflower extract group increased the mineralization more significantly than in other groups.Conclusions These data suggest that the extract of safflower increases the osteoblastic differentiation activates of MC3T3E1 cells like the extract of safflower seed. The water-extract and ethanol-extract of safflower have effects on different stages of osteogenesis in MC3T3El. Not only safflower seed but also safflower will be useful therapeutic reagents for age-associated chronic diseases such as osteoporosis.
Kwonwoo Song;Gwang-Mo Yang;Jihae Han;Minchan Gil;Ahmed Abdal Dayem;Kyeongseok Kim;Kyung Min Lim;Geun-Ho Kang;Sejong Kim;Soo Bin Jang;Balachandar Vellingiri;Ssang-Goo Cho
International Journal of Stem Cells
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제15권3호
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pp.334-345
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2022
Background and Objectives: Flavonoids form the largest group of plant phenols and have various biological and pharmacological activities. In this study, we investigated the effect of a flavonoid, 3, 4'-dihydroxyflavone (3, 4'-DHF) on osteogenic differentiation of equine adipose-derived stromal cells (eADSCs). Methods and Results: Treatment of 3, 4'-DHF led to increased osteogenic differentiation of eADSCs by increasing phosphorylation of ERK and modulating Reactive Oxygen Species (ROS) generation. Although PD98059, an ERK inhibitor, suppressed osteogenic differentiation, another ERK inhibitor, U0126, apparently increased osteogenic differentiation of the 3, 4'-DHF-treated eADSCs, which may indicate that the effect of U0126 on bone morphogenetic protein signaling is involved in the regulation of 3, 4'-DHF in osteogenic differentiation of eADSCs. We revealed that 3, 4'-DHF could induce osteogenic differentiation of eADSCs by suppressing ROS generation and co-treatment of 3, 4'-DHF, U0126, and/or N-acetyl cysteine (NAC) resulted in the additive enhancement of osteogenic differentiation of eADSCs. Conclusions: Our results showed that co-treatment of 3, 4'-DHF, U0126, and/or NAC cumulatively regulated osteogenesis in eADSCs, suggesting that 3, 4'-DHF, a flavonoid, can provide a novel approach to the treatment of osteoporosis and can provide potential therapeutic applications in therapeutics and regenerative medicine for human and companion animals.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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