Effetto dell'Iperglicemia nel differenziamento di Cellule Staminali Mesenchimali Umane in Osteoblasti:Ruolo dell'Eme Ossigenasi 1

Abstract

Le cellule staminali mesenchimali sono cellule pleiotropiche che si differenziano in adipociti o osteoblasti attraverso un signaling pathway che prevede il coinvolgimento dell'espressione di HO-1 ed HO-2. Abbiamo esaminato gli effetti di un induttore dell'espressione di HO-1 e di un inibitore dell'attivita' enzimatica di HO-1 sul differenziamento osteoblastico delle MSC in presenza ed in assenza di un'alta concentrazione di glucosio. Le MSC sono state coltivate in un medium osteogenico aumentando l'espressione dell'osteonectina, RUNX-2, osteocalcina e la fosfatasi alcalina. L'espressione di HO-1 durante il differenziamento e' stata inizialmente downregolata per poi tornare a valori simili alle cellule indifferenziate dopo 15 giorni di differenziamento. Inoltre, l'effetto di HO-1 sugli osteoblasti appare differente da quello visto nel differenziamento in adipociti. L'induzione di HO-1 attraverso una cobalto protoporfirina (CoPP) decrementa l'adipogenesi. In piu' come evidenziato dalla diminuzione dei livelli di BMP-2, osteocalcina , osteoprotegerina l'aggiunta di glucosio al medium osteogenico inibisce il differenziamento in osteoblasti. Tuttavia il differenziamento di MSC in adipociti e' incrementato dal glucosio. L'induzione di HO-1 attraverso il CoPP e' stato in grado di aumentare l'espressione dei markers osteoblastici gia citati. Lo studio suggerisce che l'induzione dell'eme ossigenasi e' in grado di attenuare l'effetto dell'iperglicemia durante il differenziamento in osteoblasti.

Human bone marrow mesenchymal stem cells (MSCs) are pleiotrophic cells that differentiate to either adipocytes or osteoblasts as a result of crosstalk by specific signaling pathways including heme oxygenase (HO)-1/-2 expression. We examined the effect of inducers of HO-1 expression and inhibitors of HO activity on MSC differentiation to the osteoblast and following high glucose exposure. MSC cultured in osteogenic medium increased expression of osteonectin, Runt-related transcription factor 2 (RUNX-2), osteocalcin, and alkaline phosphatase. HO-1 expression during differentiation was initially decreased and then followed by a rebound increase after 15 days of culture. Additionally, the effect of HO-1 on osteoblasts appears different to that seen in adipocyte stem cells. On addition of a cobalt compound, the resultant induction of HO-1 decreases adipogenesis. Moreover, glucose (30 mM) inhibited osteoblast differentiation, as evidenced by decreased bone morphogenetic protein (BMP)-2, osteonectin, osteocalcin, and osteoprotegerin (OPG). In contrast, MSC-derived adipocytes were increased by glucose. Increased HO-1 expression increased the levels of osteonectin, OPG, and BMP-2. Inhibition of HO activity prevented the increase in osteonectin and potentiated the decrease of osteocalcin and OPG in cells exposed to high glucose levels. Furthermore, targeting HO-1 expression increased pAMPK and endothelial nitric oxide synthase (eNOS) and restored osteoblastic markers. Our findings suggest that targeting HO-1 gene expression attenuates the hyperglycemia-mediated decrease in MSC-derived osteoblast differentiation. Finally, the mechanism underlying the HO-1-specific cell effect on osteoblasts and adipocytes is yet to be explored. Thus, the targeting of HO-1 gene expression presents a portal to increase osteoblast function and differentiation and attenuate osteoporosis by promoting bone formation