Angiogenesis is a essential part for bone formation and bone fracture healing. Vascular endothelial growth factor (VEGF), one of the most important molecules among many angiogenic factors, is a specific mitogen for vascular endothelial cells. VEGF-mediated angiogenesis is required for bone formation and repair. However, the effect of VEGF on osteoblastic cells during osteogenesis is still controversial. In recent days, substantial progress have been made toward developing tissue-engineered alternatives to autologous bone grafting for maxillofacial bony defects. Periosteum has received considerable interest as a better source of adult stem cells. Periosteum has the advantage of easy harvest and contains various cell types and progenitor cells that are able to differentiate into a several mesenchymal lineages, including bone. Several studies have reported the bone formation potential of periosteal cells, however, the correlation between VEGF signaling and cultured human periosteal cell-derived osteogenesis has not been fully investigated yet. The purpose of this study was to examine the correlation between VEGF signaling and cultured human periosteal-derived cells osteogenesis. Periosteal tissues of $5\;{\times}\;20\;mm$ were obtained from mandible during surgical extraction of lower impacted third molar from 3 patients. Periosteal-derived cells were introduced into the cell culture and were subcultured once they reached confluence. After passage 3, the periosteal-derived cells were further cultured for 42 days in an osteogenic inductive culture medium containing dexamethasone, ascorbic acid, and ${\beta}-glycerophosphate$. We evaluated the alkaline phosphatase (ALP) activity, the expression of Runx2 and VEGF, alizarin red S staining, and the quantification of osteocalcin and VEGF secretion in the periosteal-derived cells. The ALP activity increased rapidly up to day 14, followed by decrease in activity to day 35. Runx2 was expressed strongly at day 7, followed by decreased expression at day 14, and its expression was not observed thereafter. Both VEGF 165 and VEGF 121 were expressed strongly at day 35 and 42 of culture, particularly during the later stages of differentiation. Alizarin red S-positive nodules were first observed on day 14 and then increased in number during the entire culture period. Osteocalcin and VEGF were first detected in the culture medium on day 14, and their levels increased thereafter in a time-dependent manner. These results suggest that VEGF secretion from cultured human periosteal-derived cells increases along with mineralization process of the extracellular matrix. The level of VEGF secretion from periosteal-derived cells might depend on the extent of osteoblastic differentiation.
Baek, Kyung-Hwa;Lee, Hye-Lim;Hwang, Hyo-Rin;Park, Hyun-Jung;Kwon, A-Rang;Qadir, Abdul S.;Baek, Jeong-Hwa
International Journal of Oral Biology
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제36권4호
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pp.173-178
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2011
Tumor necrosis factor alpha ($TNF{\alpha}$) is a multifunctional cytokine that is elevated in inflammatory diseases such as atherosclerosis, diabetes and rheumatoid arthritis. Recent evidence has suggested that ${\beta}2$ adrenergic receptor (${\beta}2AR$) activation in osteoblasts suppresses osteogenic activity. In the present study, we explored whether $TNF{\alpha}$ modulates ${\beta}AR$ expression in osteoblastic cells and whether this regulation is associated with the inhibition of osteoblast differentiation by $TNF{\alpha}$. In the experiments, we used C2C12 cells, MC3T3-E1 cells and primary cultured mouse bone marrow stromal cells. Among the three subtypes of ${\beta}AR$, ${\beta}2$ and ${\beta}3AR$ were found in our analysis to be upregulated by $TNF{\alpha}$. Moreover, isoproterenol-induced cAMP production was observed to be significantly enhanced in $TNF{\alpha}$-primed C2C12 cells, indicating that $TNF{\alpha}$ enhances ${\beta}2AR$ signaling in osteoblasts. $TNF{\alpha}$ was further found in C2C12 cells to suppress bone morphogenetic protein 2-induced alkaline phosphatase (ALP) activity and the expression of osteogenic marker genes including Runx2, ALP and osteocalcin. Propranolol, a ${\beta}2AR$ antagonist, attenuated this $TNF{\alpha}$ suppression of osteogenic differentiation. $TNF{\alpha}$ increased the expression of receptor activator of NF-${\kappa}B$ ligand (RANKL), an essential osteoclastogenic factor, in C2C12 cells which was again blocked by propranolol. In summary, our data show that $TNF{\alpha}$ increases ${\beta}2AR$ expression in osteoblasts and that a blockade of ${\beta}2AR$ attenuates the suppression of osteogenic differentiation and stimulation of RANKL expression by $TNF{\alpha}$. These findings imply that a crosstalk between $TNF{\alpha}$ and ${\beta}2AR$ signaling pathways might occur in osteoblasts to modulate their function.
Background and Objectives: Acute lymphoblastic leukemia (ALL) is a complex genetic disease involving many fusion oncogenes (FO) having prognostic significance. The frequency of various FO can vary in different ethnic groups, with important implications for prognosis, drug selection and treatment outcome. Method: We studied fusion oncogenes in 101 pediatric ALL patients using interphase FISH and RT-PCR, and their associations with clinical features and treatment outcome. Results: Five most common fusion genes i.e. BCR-ABL t (22; 9), TCF3-PBX1 (t 1; 19), ETV6-RUNX1 (t 12; 21), MLL-AF4 (t 4; 11) and SIL-TAL1 (del 1p32) were found in 89/101 (88.1%) patients. Frequency of BCR-ABL was 44.5% (45/101). BCR-ABL positive patients had a significantly lower survival ($43.7{\pm}4.24$ weeks) and higher white cell count as compared to others, except patients with MLL-AF4. The highest relapse-free survival was documented with ETV6-RUNX1 (14.2 months) followed closely by those cases in which no gene was detected (13.100). RFS with BCR-ABL, MLL-AF4, TCF3-PBX1 and SIL-TAL1 was less than 10 months (8.0, 3.6, 5.5 and 8.1 months, respectively). Conclusions: This is the first study from Pakistan correlating molecular markers with disease biology and treatment outcome in pediatric ALL. It revealed the highest reported frequency of BCR-ABL FO in pediatric ALL, associated with poor overall survival. Our data indicate an immediate need for incorporation of tyrosine kinase inhibitors in the treatment of BCR-ABL+ pediatric ALL in this population and the development of facilities for stem cell transplantation.
Kim Myung-Joo;Kim Chang-Whe;Lim Young-Jun;Park Hyun-Joo
대한치과보철학회지
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제43권6호
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pp.751-763
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2005
Statement of problem. To improve a direct implant fixation to the bone, various strategies have been developed focusing on the surface of materials. The surface quality of the implant depends on the chemical, physical, mechanical and topographical properties of the surface. The different properties will interact with each other and a change in thickness of the oxide layer may also result in a change in surface energy, the surface topography and surface, chemical composition. However, there is limited the comprehensive study with regard to changed surface and biologic behavior of osteoblast by anodization. Purpose of study. The aim of this study was to analyze the characteristics of an oxide layer formed and to evaluate the cellular biologic behaviors on titanium by anodic oxidation (anodization) by cellular proliferation, differentiation, ECM formation and gene expression. And the phospholipase activity was measured on the anodized surface as preliminary study to understand how surface properties of Ti implant are transduced into downstream cellular events. Methods and Materials. The surface of a commercially pure titanium(Grade 2) was modified by anodic oxidation. The group 1 samples had a machined surface and other three experimental specimens were anodized under a constant voltage of 270 V(Group 2), 350 V(Group 3), and 450 V(Group 4). The specimen characteristics were inspected using the following five categories; the surface morphology, the surface roughness, the thickness of oxide layer, the crystallinity, and the chemical composition of the oxide layer. Cell numbers were taken as a marker for cell proliferation. While the expression of alkaline phosphatase and Runx2 (Cbfa1) was used as early differentiation marker for osteoblast. The type I collagen production was determined, which constitutes the main structural protein of the extracellular matrix. Phospholipase $A_2$ and D activity were detected. Results. (1) The anodized titanium had a porous oxide layer, and there was increase in both the size and number of pores with increasing anodizing voltage. (2) With increasing voltage, the surface roughness and thickness of the oxide film increased significantly (p<0.01), the $TiO_2$phase changed from anatase to rutile. During the anodic oxidization, Ca and P ions were more incorporated into the oxide layer. (3) The in vitro cell responses of the specimen were also dependant on the oxidation conditions. With increasing voltage, the ALP activity, type I collagen production, and Cbfa 1 gene expression increased significantly (p<0.01), while the cell proliferation decreased. (4) In preliminary study on the relation of surface property and phospholipase, PLD activity was increased but $PLA_2$ activity did not changed according to applied voltage. Conclusion. The anodized titanium shows improved surface characteristics than the machined titanium. The surface properties acquired by anodization appear to give rise more mature osteoblast characteristics and might result in increased bone growth, and contribute to the achievement of a tight fixation. The precise mechanism of surface property signaling is not known, may be related to phospholipase D.
임플란트 식립 시 가장 빈번하게 맞게 되는 문제점으로 임플란트 식립 부위에서의 불충분한 골량과 해부학적 구조에 의한 접근성의 문제를 들 수 있다. 일반적으로 성장 인자들은 치유 과정이나 조직 형성에 있어서 가장 기본적인 필수 요소로 인정되고 있다. 이러한 이유로 골 이식 재료의 효과를 증진시키기 위한 성장 인자들이 최근에 주목을 받고 있다. 혈소판 내 granules에는 높은 농도의 다양한 성장 인자들이 포함되어 있다. 특히, platelet-rich fibrin (PRF)는 2세대 혈소판 농축 인자로 항응고제가 들어있지 않은 상태로 얻을 수가 있고, 혈소판과 많은 성장 인자들이 풍부한 섬유소 막을 포함하고 있다. 이번 연구의 목적은 in vitro 상에서 골아 세포에 대한 PRF의 영향을 알아보고자 하였다. 특히 치유와 재생에 연관된 주요 기능으로써 증식과 분화에 대한 영향을 조사하고자 하였다. 이를 위해서, PRF 내에서 방출되는 성장 인자(platelet-derived growth factor subunit B와 transforming growth factor-${\beta}1$)의 농도, 세포의 생존능력, alkaline phosphatase (ALP) activity, type 1 collagen 합성, 골아 세포의 분화 지표로써 ALP와 Runx2의 발현 정도와 골 기질 단백질로써 type 1 collagen의 발현 정도에 대해서 조사하였다. 이 실험을 통하여 PRF는 치유 시 필요한 타당한 기간 동안에 충분히 자가 성장 인자의 방출을 유지하고 있음을 알 수 있었고, 골아 세포의 증식과 분화에 대해서 긍정적인 효과가 있음을 보여 주였다. 제한적인 실험이지만, 골재생을 위한 PRF의 사용은 골 치유와 골 개조에 있어서 증진 효과를 가져다줄 수 있는 촉망되는 방법 중 하나가 될 수 있을 것이다.
Purpose: Guided bone regeneration (GBR) is the most widely used technique to regenerate and augment bones. Even though augmented bones (ABs) have been examined histologically in many studies, few studies have been conducted to examine the biological potential of these bones and the healing dynamics following their use. Moreover, whether the bone obtained from the GBR procedure possesses the same functions as the existing autogenous bone is uncertain. In particular, little attention has been paid to the regenerative ability of GBR bone. Therefore, the present study histologically evaluated the regenerative capacity of AB in the occlusive space of a rat guided bone augmentation (GBA) model. Methods: The calvaria of 30 rats were exposed, and plastic caps were placed on the right of the calvaria in 10 of the 30 rats. After a 12-week healing phase, critical-sized calvarial bone defects (diameter: 5.0 mm) were trephined into the dorsal parietal bone on the left of the calvaria. Bone particles were harvested from the AB or the cortical bone (CB) using a bone scraper and transplanted into the critical defects. Results: The newly generated bone at the defects' edge was evaluated using micro-computed tomography (micro-CT) and histological sections. In the micro-CT analysis, the radiopacity in both the augmented and the CB groups remained high throughout the observational period. In the histological analysis, the closure rate of the CB was significantly higher than in the AB group. The numbers of cells positive for runt-related transcription factor 2 (Runx2) and tartrate-resistant acid phosphatase (TRAP) in the AB group were larger than in the CB group. Conclusions: The regenerative capacity of AB in the occlusive space of the rat GBA model was confirmed. Within the limitations of this study, the regenerative ability of the AB particulate transplant was inferior to that of the CB particulate transplant.
Kim, Jinhee;Lee, Hyejin;Kang, Ki Sung;Chun, Kwang-Hoon;Hwang, Gwi Seo
Journal of Ginseng Research
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제39권1호
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pp.46-53
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2015
Background: Glucocorticoids (GCs) are commonly used in many chemotherapeutic protocols and play an important role in the normal regulation of bone remodeling. However, the prolonged use of GCs results in osteoporosis, which is partially due to apoptosis of osteoblasts and osteocytes. In this study, effects of Korean Red Ginseng (KRG) on GC-treated murine osteoblastic MC3T3-E1 cells and a GC-induced osteoporosis mouse model were investigated. Methods: MC3T3-E1 cells were exposed to dexamethasone (Dex) with or without KRG and cell viability was measured by the 3-(4, 5-dimethylthiazol-2-yl)-2, 5-diphenyltetrazolium bromide (MTT) assay. Realtime polymerase chain reaction was performed to evaluate the apoptotic gene expression; osteogenic gene expression and alkaline phosphatase (ALP) activity were also measured. Western blotting was performed to evaluate the mitogen-activated protein kinase (MAPK) proteins. A GC-induced osteoporosis animal model was used for in vivo study. Results and conclusion: The MTT assay revealed that Korean Red Ginseng (KRG) prevents loss of cell viability caused by Dex-induced apoptosis in MC3T3E1 cells. Real-time polymerase chain reaction data showed that groups treated with both Dex and KRG exhibited lower mRNA levels of caspase-3 and -9, whereas the mRNA levels of Bcl2, IAPs, and XIAP increased. Moreover, groups treated with both Dex and KRG demonstrated increased mRNA levels of ALP, RUNX2, and bone morphogenic proteins as well as increased ALP activity in MC3T3-E1 cells, compared to cells treated with Dex only. In addition, KRG increased protein kinase B (AKT) phosphorylation and decreased c-Jun N-terminal kinase (JNK) phosphorylation. Moreover, microcomputed tomography analysis of the femurs showed that GC implantation caused trabecular bone loss. However, a significant reduction of bone loss was observed in the KRG-treated group. These results suggest that the molecular mechanism of KRG in the GC-induced apoptosis may lead to the development of therapeutic strategies to prevent and/or delay osteoporosis.
Ge, Qing;Green, David William;Lee, Dong-Joon;Kim, Hyun-Yi;Piao, Zhengguo;Lee, Jong-Min;Jung, Han-Sung
Molecules and Cells
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제41권12호
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pp.1016-1023
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2018
Regenerative orthopedics needs significant devices to transplant human stem cells into damaged tissue and encourage automatic growth into replacements suitable for the human skeleton. Soft biomaterials have similarities in mechanical, structural and architectural properties to natural extracellular matrix (ECM), but often lack essential ECM molecules and signals. Here we engineer mineralized polysaccharide beads to transform MSCs into osteogenic cells and osteoid tissue for transplantation. Bone morphogenic proteins (BMP-2) and indispensable ECM proteins both directed differentiation inside alginate beads. Laminin and collagen IV basement membrane matrix proteins fixed and organized MSCs onto the alginate matrix, and BMP-2 drove differentiation, osteoid tissue self-assembly, and small-scale mineralization. Augmentation of alginate is necessary, and we showed that a few rationally selected small proteins from the basement membrane (BM) compartment of the ECM were sufficient to up-regulate cell expression of Runx-2 and osteocalcin for osteoid formation, resulting in Alizarin red-positive mineral nodules. More significantly, nested BMP-2 and BM beads added to a non-union skull defect, self-generated osteoid expressing osteopontin (OPN) and osteocalcin (OCN) in a chain along the defect, at only four weeks, establishing a framework for complete regeneration expected in 6 and 12 weeks. Alginate beads are beneficial surgical devices for transplanting therapeutic cells in programmed (by the ECM components and alginate-chitosan properties) reaction environments ideal for promoting bone tissue.
Cho, Young-Eun;Lomeda, Ria-Ann R.;Ryu, Sang-Hoon;Lee, Jong-Hwa;Beattie, John H.;Kwun, In-Sook
Nutrition Research and Practice
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제1권1호
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pp.29-35
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2007
Trace mineral studies involving metal ion chelators have been conducted in investigating the response of gene and protein expressions of certain cell lines but a few had really focused on how these metal ion chelators could affect the availability of important trace minerals such as Zn, Mn, Fe and Cu. The aim of the present study was to investigate the availability of Zn for the treatment of MC3T3-E1 osteoblast-like cells and the availability of some trace minerals in the cell culture media components after using chelexing resin in the FBS and the addition of N,N,N',N'-tetrakis-(2-pyridylmethyl)ethylenediamine (TPEN, membrane-permeable chelator) and diethylenetriaminepentaacetic acid (DTPA, membrane-impermeable chelator) in the treatment medium. Components for the preparation of cell culture medium and Zn-treated medium have been tested for Zn, Mn, Fe and Cu contents by atomic absorption spectrophotometer or inductively coupled plasma spectrophotometer. Also, the expression of bone-related genes (ALP, Runx2, PTH-R, ProCOL I, OPN and OC) was measured on the cellular Zn depletion such as chelexing or TPEN treatment. Results have shown that using the chelexing resin in FBS would significantly decrease the available Zn (p<0.05) $(39.4{\pm}1.5{\mu}M\;vs\;0.61{\pm}10.15{\mu}M)$ and Mn (p<0.05) $(0.74{\pm}0.01{\mu}M\;vs\;0.12{\pm}0.04{\mu}M)$. However, levels of Fe and Cu in FBS were not changed by chelexing FBS. The use of TPEN and DTPA as Zn-chelators did not show significant difference on the final concentration of Zn in the treatment medium (0, 3, 6, 9, $12{\mu}M$) except for in the addition of higher $15{\mu}M\;ZnCl_2$ which showed a significant increase of Zn level in DTPA-chelated treatment medium. Results have shown that both chelators gave the same pattern for the expression of the five bone-related genes between Zn and Zn+, and TPEN-treated experiments, compared to chelex-treated experiment, showed lower bone-related gene expression, which may imply that TPEN would be a stronger chelator than chelex resin. This study showed that TPEN would be a stronger chelator compared to DTPA or chelex resin and TPEN and chelex resin exerted cellular zinc depletion to be enough for cell study for Zn depletion.
전 세계적인 인구 고령화 현상으로 인하여 골다공증은 주요한 질병으로 대두되고 있다. 골다공증은 뼈의 질량과 강도가 감소하여 골절의 위험이 증가하는 질환으로 조골세포의 골 형성 및 파골세포의 골 흡수의 불균형으로 인해 발생하는 질환이다. 조골세포에 의한 골 형성은 BMP, RUNX2, $Wnt/{\beta}-catenin$ 경로 등을 통하여 활성화 되며, 파골세포에 의한 골 흡수는 RANKL과 RANK의 결합에 의해서 시작된다. 폐경기 여성은 호르몬 불균형에 의해 여러 질병의 위험에 처해 있으며, 폐경기 여성의 약 30%에서 관찰되는 골다공증은 폐경기 여성에게서 발생되는 가장 흔한 대사성 질환이기도 하다. Estrogen이 부족할 때 파골세포의 골 흡수가 촉진되므로, 특히 폐경 여성에서 골다공증의 발생위험이 증가하게 된다. 호르몬대체요법은 폐경기 증후군의 증상을 경감시키거나 치료하기 위해 널리 사용되어 왔으나, 호르몬 치료를 장기간 실시할 경우 유방암, 난소암, 자궁암 등의 부작용 위험성이 매우 높은 것으로 알려져 있다. 따라서 최근 들어 여러 부작용을 보완하기 위해 폐경기 증후군 증상에 대처할 수 있는 estrogen과 유사한 활성을 지닌 식물성 estrogen인 phytoestrogen에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 따라서, 본 총설에서는 조골세포 및 파골세포의 분화 기전에 대한 선행연구를 알아보고 골 대사에서의 estrogen의 역할 및 phytoestrogen과 관련한 연구들에 대해서도 살펴보았다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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