최근 들어 급속한 고령화 사회가 진행되고 있으며 이로 인해 골관절염과 골다공증 등의 퇴행성 골질환 환자수도 동반하여 증가하고 있다. 따라서 고령화에 따른 골관련 질환의 새로운 제어와 치료법 개발을 위해 성체줄기세포의 골세포 분화유도를 활용한 재생의학도 활발히 연구되고 있다. 또한 관련 연구에서 줄기세포의 분화과정에서 미토콘드리아의 산화적인산화가 중요하다고 알려지고 있다. 흥미롭게도 최근 연구에서 아스피린의 주성분인 salicylate가 동물세포의 미토콘드리아 생합성을 증진시키는 효과가 보고되었다. 그러나 성체줄기세포에서 salicylate가 골세포분화나 미토콘드리아 생합성을 유도할 수 있는지에 대한 연구결과는 미비한 실정이다. 본 연구에서는 인체 골막 유래의 성체줄기세포를 이용하여 골세포분화나 미토콘드리아 생합성에 대한 salicylate의 영향을 분석하였다. 골막 유래 성체줄기세포의 골세포 분화유도 과정에 동반한 salicylate 처리는 잘 알려진 골세포분화 표지자인 alkaline phosphatase의 활성을 증가시키는 결과를 본 연구에서 얻었다. 이러한 연구결과는 salicylate가 줄기세포로부터 골세포로의 분화를 조절할 수 있는 물질이 될 수 있음을 제시한다. 또한 이러한 골세포 분화과정에서 미토콘드리아 생합성도 salicylate 처리에 의해 증가됨이 관찰되었다. 따라서, 미토콘드리아 생합성이나 기능을 조절하는 물질이 성체줄기세포의 골세포 분화과정에도 영향을 줄 수 있으며, 이러한 물질이 골세포분화나 재생의학의 새로운 조절 물질로 응용될 수 있음을 제시한다.
최근 들어 급속한 고령화 사회가 진행되고 있으며 이로 인해 골관절염과 골다공증 등의 퇴행성 골질환 환자수도 동반하여 증가하고 있다. 따라서 고령화에 따른 골관련 질환의 새로운 제어와 치료법 개발을 위해 성체줄기세포의 골세포 분화유도를 활용한 재생의학도 활발히 연구되고 있다. 또한 관련 연구에서 줄기세포의 분화과정에서 미토콘드리아의 산화적인산화가 중요하다고 알려지고 있다. 흥미롭게도 최근 연구에서 아스피린의 주성분인 salicylate가 동물세포의 미토콘드리아 생합성을 증진시키는 효과가 보고되었다. 그러나 성체줄기세포에서 salicylate가 골세포분화나 미토콘드리아 생합성을 유도할 수 있는지에 대한 연구결과는 미비한 실정이다. 본 연구에서는 인체 골막 유래의 성체줄기세포를 이용하여 골세포분화나 미토콘드리아 생합성에 대한 salicylate의 영향을 분석하였다. 골막 유래 성체줄기세포의 골세포 분화유도 과정에 동반한 salicylate 처리는 잘 알려진 골세포분화 표지자인 alkaline phosphatase의 활성을 증가시키는 결과를 본 연구에서 얻었다. 이러한 연구결과는 salicylate가 줄기세포로부터 골세포로의 분화를 조절할 수 있는 물질이 될 수 있음을 제시한다. 또한 이러한 골세포 분화과정에서 미토콘드리아 생합성도 salicylate 처리에 의해 증가됨이 관찰되었다. 따라서, 미토콘드리아 생합성이나 기능을 조절하는 물질이 성체줄기세포의 골세포 분화과정에도 영향을 줄 수 있으며, 이러한 물질이 골세포분화나 재생의학의 새로운 조절 물질로 응용될 수 있음을 제시한다.
Due to a rapidly expanding aging population, the incidence of degenerative bone disease has increased, and efforts to handle the issue using regenerative medicine have become more important. In order to control various bone diseases such as osteoarthritis and osteoporosis, regenerative medicine util...
Due to a rapidly expanding aging population, the incidence of degenerative bone disease has increased, and efforts to handle the issue using regenerative medicine have become more important. In order to control various bone diseases such as osteoarthritis and osteoporosis, regenerative medicine utilizing adult stem cells has been extensively studied. And it is now clear that the mitochondrial energy metabolism, oxidative phosphorylation, is important for the process of stem cell differentiation. Interestingly, a recent study reported that salicylate promotes mitochondrial biogenesis by regulating the expression of $PGC-1{\alpha}$ in murine cells. However, the possible effects of salicylate on osteogenic differentiation through increased mitochondrial biogenesis in stem cells remain unknown. Thus, here we investigated whether salicylate could influence osteogenic differentiation and mitochondrial biogenesis of periosteum-derived mesenchymal stem cells (POMSCs). We found that salicylate treatments of POMSCs undergoing osteogenic differentiation increased the activity of alkaline phosphatase, a well-known early marker of bone cell differentiation. In addition, we observed that mitochondrial mass was increased by salicylate treatments in POMSCs. Together, these results indicate that salicylate can enhance osteogenic differentiation and mitochondrial biogenesis in POMSCs. Therefore, the findings in this study suggest that small molecules augmenting mitochondrial function such as salicylate can be a novel modulator for osteogenic differentiation and regenerative medicine.
Due to a rapidly expanding aging population, the incidence of degenerative bone disease has increased, and efforts to handle the issue using regenerative medicine have become more important. In order to control various bone diseases such as osteoarthritis and osteoporosis, regenerative medicine utilizing adult stem cells has been extensively studied. And it is now clear that the mitochondrial energy metabolism, oxidative phosphorylation, is important for the process of stem cell differentiation. Interestingly, a recent study reported that salicylate promotes mitochondrial biogenesis by regulating the expression of $PGC-1{\alpha}$ in murine cells. However, the possible effects of salicylate on osteogenic differentiation through increased mitochondrial biogenesis in stem cells remain unknown. Thus, here we investigated whether salicylate could influence osteogenic differentiation and mitochondrial biogenesis of periosteum-derived mesenchymal stem cells (POMSCs). We found that salicylate treatments of POMSCs undergoing osteogenic differentiation increased the activity of alkaline phosphatase, a well-known early marker of bone cell differentiation. In addition, we observed that mitochondrial mass was increased by salicylate treatments in POMSCs. Together, these results indicate that salicylate can enhance osteogenic differentiation and mitochondrial biogenesis in POMSCs. Therefore, the findings in this study suggest that small molecules augmenting mitochondrial function such as salicylate can be a novel modulator for osteogenic differentiation and regenerative medicine.
또한, POMSCs를 이용하여 줄기세포의 골세포 분화과정을 규명하는 많은 연구가 진행되어 왔지만, 미토콘드리아 생합성 및 에너지대사 관점에서 골세포 분화과정을 분석하는 시도는 아직 미비하다[8, 15, 16, 21]. 따라서, 본 연구에서는 미토콘드리아 생합성을 증진시키는 효과가 있는 salicylate가 POMSCs의 골세포 분화과정에 미치는 영향을 연구하였다.
제안 방법
POMSCs의 골세포 분화유도에 대한 salicylate의 영향을 알아보기 위해, POMSCs를 200 μM 그리고 1 mM salicylate가 첨가된 골세포분화 OM배양액으로 세포배양하였다. 5일 그리고 10일간의 골세포분화 유도 후에 초기 골세포분화 표지자로 잘 알려진 ALP의 활성을 측정하였다.
POMSCs의 골세포분화 과정에서 salicylate가 미토콘드리아 생합성에 미치는 영향을 알아보기 위하여 POMSCs를 salicylate (200 μM과 1 mM)가 첨가된 골세포분화 OM 배양액으로 2주일 동안 세포배양하였다. 이렇게 배양된 세포에 Mitotracker® Green FM 형광 dye를 처리하여 세포내 미토콘드리아를 염색하였다.
POMSCs의 세포증식과 생존능력에 대한 salicylate의 영향을 알아보기 위하여 POMSCs에 salicylate를 200 μM과 1 mM의 농도로 각각 처리하고 골세포분화 OM배양액에서 5일간 그리고 10일간 세포배양하였다. 이후 cell counting 그리고 MTT assay를 수행하였다.
대상 데이터
경상대학교병원 윤리위원회(the Ethics Committee of Gyeongsang National University Hospital, GNUH 2014-05-012)의 규정에 따라 환자의 동의 하에 골막조직 샘플을 획득하였고 POMSCs 분리하였다[15]. 세포배양은 10% fetal bovine serum과 1% penicillin/streptomycin이 첨가된 Dulbecco's modified Eagle's medium (DMEM배양액)을 사용하여 통상적인 37℃, 5% CO2의 배양조건에서 이루어졌다.
데이터처리
모든 실험은 최소한 3회 이상의 독립적인 반복을 실시하였고, 반복실험에서 얻은 결과는 Graphpad Prism 7 software(GraphPad, La Jolla, USA)를 이용하여 분산분석을 수행하였고, 평균±표준편차로 나타내었다. 각 실험군의 평균값 차이를 통계분석하여 p<0.
이론/모형
이렇게 배양된 세포에 Mitotracker® Green FM 형광 dye를 처리하여 세포내 미토콘드리아를 염색하였다. 염색된 POMSCs를 flow cytometry 기법으로 세포내 미토콘드리아의 양을 정량적으로 분석하였다. Fig.
성능/효과
하지만 salicylate를 이용한 미토콘드리아 생합성 증진을 골세포분화와 재생의학에 적용한 연구결과는 아직 보고되지 않고 있다. 따라서 본 연구에서는 골질환 치료를 위한 재생의학의 관점에서 salicylate가 성체줄기세포의 골세포 분화과정에 미치는 영향에 대해 분석하였으며, 골막유래 성체줄기세포인 POMSCs가 골세포로 분화하는 과정에서, salicylate의 골세포분화 증진효과 및 미토콘드리아 생합성 증진효과를 확인할 수 있었다. 이러한 결과들은 salicylate가 POMSCs의 미토콘드리아 생합성에 영향을 주어 골세포분화를 촉진시킬 수 있음을 암시한다.
5일 그리고 10일간의 골세포분화 유도 후에 초기 골세포분화 표지자로 잘 알려진 ALP의 활성을 측정하였다. Fig. 2에서 보여지는 바와 같이, 골세포분화 유도효과가 없는 통상적인 DMEM배양액을 사용한 대조군에 비해, 골세포분화를 유도하는 OM배양액 그룹은 ALP 활성이 5일간의 배양에서는 약 2배 그리고 10일간의 배양에서는 약 4배 정도 증가하였다. 이러한 결과는 본 실험에 사용되는 POMSCs가 OM배양액에 반응하여 골세포분화의 초기단계인 조골세포로 분화하는 능력이 있음을 분명하게 제시해준다.
따라서 본 연구에서는 골질환 치료를 위한 재생의학의 관점에서 salicylate가 성체줄기세포의 골세포 분화과정에 미치는 영향에 대해 분석하였으며, 골막유래 성체줄기세포인 POMSCs가 골세포로 분화하는 과정에서, salicylate의 골세포분화 증진효과 및 미토콘드리아 생합성 증진효과를 확인할 수 있었다. 이러한 결과들은 salicylate가 POMSCs의 미토콘드리아 생합성에 영향을 주어 골세포분화를 촉진시킬 수 있음을 암시한다. 미토콘드리아의 산화적인산화를 통한 ATP 생성은 줄기세포 분화과정의 진행에서 중요하다고 알려지고 있다.
후속연구
그러므로 salicylate에 의한 미토콘드리아 생합성 증진과 골세포분화 촉진과의 관련성을 보여주는 본 연구는 에너지대사를 중심으로 한 골 재생의학의 새로운 시도라고 할 수 있다. 따라서 향후 추가적인 관련 연구가 계속되어 골 재생의학의 조절물질로서 salicylate가 응용될 수 있길 기대한다.
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