Wnt/β-catenin通路介导下镁的成骨成血管机制的研究

Compared with traditional implant, magnesium has the property of osteogenesis and angiogenesis. The mechanism of these biological properties has always been the focus of researches. Some studies have reported that the biological characteristics of magnesium may be related to cell signaling pathways. Wnt/β-catenin pathway is one of the most important pathways in cells. Once the pathway is activated, the downstream genes could be disinhibited, which is characterized by high expression of osteogenic and angiogenesis related genes. The result of our previous study demonstrated that magnesium has the property of osteogenesis and angiogenesis both in vitro and in vivo. Meanwhile, the level of β-catenin protein in cells is also evaluated by magnesium, indicating mechanism of osteogenesis and angiogenesis of magnesium might be mediated by the Wnt/β-catenin pathway. Based on our preliminary work, this study will continue research the influence of different concentration on MC3T3-E1, BMSCs and EPCs cells. The optimum concentration of magnesium was selected according to the detection of osteogenesis, angiogenesis and level of β-catenin protein. The relation of biological properties of magnesium and Wnt/β-catenin pathway was also analyzed by in vitro and in vivo experiment. he result of this study would lay a foundation for further exploring the bioactivity, clinical application and related theoretical research of magnesium.

与传统内植物相比，镁具有促成骨促血管生成的优势，而其机制一直以来是研究的重点。已有研究报道称镁的这些生物学特性可能与细胞信号通路有关。Wnt/β-catenin通路是细胞的重要信号通路之一，该通路激活后可解除对下游基因的抑制，表现为成骨及成血管相关基因高表达。我们的前期研究发现镁表现出良好的成骨及成血管性的同时能提高细胞内β-catenin蛋白的含量，提示镁可能通过Wnt/β-catenin通路介导而表现出相应的生物活性，相关研究国内外报道较少。本研究在前期研究的基础上采用不同浓度镁浸提液处理MC3T3-E1、BMSCs、EPCs细胞，通过对成骨、成血管及β-catenin蛋白的检测，分别择选出各细胞对应的最佳镁浓度。并通过体外细胞实验及体内动物试验，深入研究镁的生物活性与Wnt/β-catenin通路之间的关系。为进一步探究镁的生物活性、临床应用以及相关理论研究奠定基础。

作为一种用于骨科的可生物降解植入物，镁具有重量轻、生物相容性好、弹性系数接近正常骨组织的优点。已经有众多研究表明在镁降解过程中释放的镁离子可以显著促进种植体-骨界面的新骨形成。同样，在我们之前的研究中，也发现镁离子可以增加成骨细胞中成骨基因如Runx2、OPN和ALP的表达，但是其中的细胞和分子机制仍然不清楚。Wnt基因有着广泛的生物功能，并与多种临床疾病密切相关，其中关于成骨的调控即为其重要的功能之一。因此，我们研究了镁对MC3T3和MG63细胞以及大鼠的成骨作用，探讨镁的成骨机制是否与Wnt/β-catenin信号通路有关。通过实验我们发现：当用2.5mM 镁离子处理时，MC3T3和MG63细胞的增殖显著增加。随后，对β-catenin及p-β-catenin的蛋白质水平进行量化发现细胞中的β-catenin/p-β-catenin的比率显著增加。接下来我们采用WB以及PCR的方法证明镁离子处理后OPN的mRNA和蛋白质水平显著增加，同时，OPN和β-catenin的上调可以被sh-β-catenin和sh-Frizzled处理逆转。此外，还发现sh-β-catenin处理下调了β-catenin的表达，而sh-Frizzled处理没有下调β-catenin的表达，这表明Mg2+诱导的OPN表达增加是通过Wnt/β-catenin信号通路相关。为了进一步证明这一结论，我们采用双荧光素酶基因分析发现β-catenin可以进入细胞核内并上调OPN的表达。最后我们用DKK1做了逆转实验，发现DKK1可以逆转细胞内的钙沉积、降低β-catenin和OPN的表达，体内实验也发现LRP5基因敲除处理的大鼠可以逆转Mg在体内表现出的成骨性。至此，我们从分子层面证明了镁的成骨作用与Wnt/β-catenin 通路相关，为后期对镁的研究及临床应用提供理论依据。