稀土离子对骨髓基质细胞成骨分化和成脂分化的分子作用机制

骨质疏松症是一种全身性骨代谢疾病，主要表现为骨形成和骨吸收两者之间的转换紊乱或异常。研究结果表明骨骼的正常代谢除钙离子外，还涉及多种金属离子。随着稀土的应用,进入人体内的稀土量也有所增加,并且在骨组织中相对富集且难排出，考虑到稀土与钙离子的相似性，因此, 迫切需要了解稀土是否以及如何干扰和干预骨代谢，影响骨的结构和功能。迄今为止，在细胞和分子水平上，稀土离子干预骨代谢的研究工作局限在以成骨细胞和破骨细胞为细胞模型，多局限在各种原因引起失横后如何引起骨丢失这一现象，却对失偶联的原因和根源知之甚少。本项目从新的角度出发,采用细胞分子生物学和功能基因组学相结合的方法，系统研究六种稀土离子对骨髓基质细胞成骨分化和成脂分化的分子作用机制，其研究成果将有助于阐明失偶联的原因和根源以及稀土离子干预骨代谢的分子机制，为今后开展稀土元素在农用及药用中安全性评价提供基础性研究数据，无疑具有重大意义。

本项目首次以骨髓基质细胞和成骨细胞为模型，采用MTT法、ALP比活性和油红O染色及定量测定等方法在细胞水平系统研究了九种稀土离子La3+，Sm3+，Dy3+，Nd3+，Er3+, Gd3+, Ce3+, Y3+和Tb3+对原代培养的小鼠骨髓基质细胞成骨、成脂分化及成骨细胞增殖、分化和矿化的影响，在细胞水平研究的基础上，用Western blot、Q-PCR及cDNA SuperArray等方法研究了稀土离子调控骨髓基质细胞成骨分化和成脂分化的分子机制，结果表明：.1.稀土离子Nd3+, Sm3+, Dy3+, Y3+, Gd3+, Er3+, Ce3+对原代培养的小鼠成骨细胞增殖、分化和矿化的影响与作用浓度、时间和离子的种类密切相关，它们是影响其生物效应转变的关键因素。.2.稀土离子Ce3+, La3+和Tb3+对成骨细胞MC3T3-E1增殖、分化和矿化的影响是相似的, 具体表现为, 低浓度促进MC3T3-E1增殖、分化和矿化, 高浓度转而抑制MC3T3-E1增殖、分化和矿化; 通过Q-PCR和Western blot对其作用机制进行了探讨。结果表明，Ce3+, La3+和 Tb3+通过上调/下调Runx2的表达水平，引起成骨细胞分化早期的标志基因Col I 和 BMP2以及分化晚期的标志基因ALP 和 OCN的表达水平的上调/下调，进而促进/抑制MC3T3-E1增殖、分化和矿化。.3.Ce3+, La3+和Tb3+对原代小鼠骨髓基质细胞成骨和成脂分化的影响是相似的。在细胞水平上，呈现出促进骨髓基质细胞成骨分化，抑制成脂分化；通过Q-PCR和western blot进一步证实了细胞水平的实验结果; 通过RT2Profiler™ PCR Array技术探讨了它们调控骨髓基质细胞分化的机理, 结果表明，三种离子的作用机制是类似的，TGF-β/BMP及PPARγ信号通路共同参与了它们对骨髓基质细胞成骨分化和成脂分化的调控，它们通过与BMPR 作用激活TGF-β/BMP信号通路中关键蛋白Smad1/5/8的磷酸化, 进一步上调Runx2. Runx2随后上调成骨分化早期阶段的基因Col I和BMP2 , 晚期阶段的基因ALP 和 OCN, 进而促进骨髓基质细胞的成骨分化；另一方面, 它们抑制了PPARγ和C/EBPα的表达, 从而阻断骨髓基质细胞的成脂分化。