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信號(hào)素3A 在正畸牙齒移動(dòng)中的潛在作用

時(shí)間:2024/1/29閱讀:252

因治療需要而出現(xiàn)牙齒和下頜錯(cuò)位的發(fā)生率很高,。近年來,,正畸牙齒移動(dòng)矯正牙齒錯(cuò)位的生物學(xué)研究日益重要,,總體目標(biāo)是確定通過施加力激活的分子因子,。在正畸牙齒移動(dòng)過程中,正畸力的作用導(dǎo)致牙槽骨的機(jī)械變化,。盡管每個(gè)解剖位置的骨細(xì)胞(包括成骨細(xì)胞,、破骨細(xì)胞和骨細(xì)胞)都對(duì)機(jī)械負(fù)荷敏感,從而適應(yīng)改變的外部條件,,但現(xiàn)在人們認(rèn)識(shí)到,,對(duì)于正畸牙齒移動(dòng),作用在牙周膜(PDL)和內(nèi)部成纖維細(xì)胞上的力是決定性的,。然而,,力接收和隨后的機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)的確切模式尚不wan全清楚,該過程中涉及的分子因子也尚未被鑒定和進(jìn)行功能表征,。


到目前為止,,Ephrin/Eph受體家族的成員以及信號(hào)素(Semaphorins)及其受體神經(jīng)纖毛蛋白(Neuropilin)和神經(jīng)叢蛋白(Plexin)與維持骨穩(wěn)態(tài)有關(guān)。研究已經(jīng)證實(shí)了Ephrines 和Eph受體參與正畸牙齒移動(dòng)過程中的骨重塑,,但尚未證明信號(hào)素在正畸牙齒移動(dòng)過程中的參與,。然而,信號(hào)素3A(Sema3A)對(duì)這一作用特別感興趣,,因?yàn)樗瑫r(shí)誘導(dǎo)成骨細(xì)胞分化并干擾破骨細(xì)胞分化,。研究表明,Nrp1是成骨細(xì)胞和破骨細(xì)胞Sema3A-依賴性調(diào)控的決定性共受體,,然而,,實(shí)際的信號(hào)傳遞是通過 Plexin-A1 受體(PlxnA1)進(jìn)行的。關(guān)于Sema3A機(jī)械調(diào)控的數(shù)據(jù)很少,。


德國(guó)海德堡大學(xué)口腔正畸和口腔頜面骨科的Sinan ?en,、Christopher J Lux和Ralf Erber研究員在之前的研究中對(duì) Ephrin/Eph 家族成員的研究以及Sema3A 在骨重塑的中的功能數(shù)據(jù)表明,神經(jīng)引導(dǎo)分子在正畸牙齒移動(dòng)調(diào)控中的作用可能被低估了,。因此,,在之后的一項(xiàng)研究中旨在(i)研究不同的機(jī)械力是否調(diào)節(jié)牙槽骨牙周成纖維細(xì)胞和成骨細(xì)胞中 Sema3A 及其受體 Neuropilin-1 和 Plexin A1 的表達(dá),(ii)研究 Sema3A 的機(jī)械調(diào)控,,(iii)研究 Sema3A 刺激對(duì)牙槽骨成骨細(xì)胞分化的影響,,(iv)闡明 Sema3A-依賴性成骨細(xì)胞分化的潛在分子機(jī)制,最后(v)測(cè)試 Sema3A 對(duì)牙槽骨成骨細(xì)胞粘附和運(yùn)動(dòng)的潛在影響,。具體內(nèi)容發(fā)表在 International Journal of Molecular Sciences 期刊題為“A Potential Role of Semaphorin 3A during Orthodontic Tooth Movement",。

信號(hào)素3A 在正畸牙齒移動(dòng)中的潛在作用


表明Sema3A參與調(diào)控正畸牙齒移動(dòng)期間骨重塑的決定性先決條件是它通過牙周組織細(xì)胞(人牙周膜原代成纖維細(xì)胞(hPDLF)和人牙槽骨原代成骨細(xì)胞(hOB)中的機(jī)械力進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此,實(shí)驗(yàn)首先研究了hPDLF 和 hOB 中 Sema3A 表達(dá)及其受體 NRP1和PLXNA1的機(jī)械調(diào)控,。


在施加機(jī)械靜態(tài)應(yīng)變(2%,、4、24,、48、72和96 h)或靜態(tài)壓縮力( 30 g/cm2,,1,、6、10 h)后,,通過定量PCR檢測(cè)hPDLF細(xì)胞的變化,。結(jié)果表明,在PDLF中,,Sema3A的表達(dá)明顯改變,,應(yīng)變或壓縮力作用下的差異調(diào)控也明顯變化。Sema3A在應(yīng)變4h和72h后被顯著誘導(dǎo),,在96h后達(dá)到基線水平,,而壓縮力導(dǎo)致Sema3A mRNA在所有時(shí)間點(diǎn)的表達(dá)顯著降低。PLXNA1僅在應(yīng)變4h后被顯著誘導(dǎo),,并在24h后升高,,而在壓縮后沒有顯著改變。NRP1 在應(yīng)變4 h后被輕微誘導(dǎo),,但在48h后顯著降低,,并在應(yīng)變 72h和 96h和壓縮力后仍低于基線水平(圖1 A-C)。


Western blot 的蛋白表達(dá)分析證實(shí)了Sema3A的應(yīng)變依賴性誘導(dǎo),,并提示了差異調(diào)節(jié)的受體表達(dá):應(yīng)變誘導(dǎo)bot,、Plexin A1和Neuropilin 1表達(dá),但通過壓縮降低,。此外,,Sema3A蛋白表達(dá)被壓縮降低,PlexinA1 和 Neuropilin 1 的mRNA 和蛋白質(zhì)表達(dá)在應(yīng)變及壓縮期間表達(dá)不一致,,Sema3A的mRNA和蛋白表達(dá)在時(shí)間上也存在差異,。


有趣的是,在hOB中施加機(jī)械力后,,沒有觀察到Sema3A及其受體表達(dá)的顯著變化,。


圖1 SEMA3A、PLXNA1 和 NRP1 的 mRNA 表達(dá)受到機(jī)械壓縮或應(yīng)變的差異調(diào)節(jié),。


基于現(xiàn)有證據(jù)表明 Sema3A 可能是 Osterix(SP7)轉(zhuǎn)錄因子的直接轉(zhuǎn)錄靶點(diǎn)以及來自正畸牙齒移動(dòng)動(dòng)物模型的數(shù)據(jù)顯示 Osterix 可以在張力側(cè)被誘導(dǎo),,因此,實(shí)驗(yàn)推測(cè)應(yīng)變、Osterix 和 Sema3A 表達(dá)可能與 hPDLF 相關(guān),。在機(jī)械應(yīng)變(2.5%)或壓縮力(30 g/cm2)下對(duì) hPDLF 中 Osterix 進(jìn)行 RT-qPCR 分析,,結(jié)果顯示,在拉伸細(xì)胞中顯著誘導(dǎo)Osterix表達(dá)長(zhǎng)達(dá)24h,,而壓縮hPDLF中Osterix表達(dá)顯著降低,。盡管導(dǎo)致其機(jī)械誘導(dǎo)的機(jī)制尚不清楚,但這些結(jié)果表明,,Osterix可能參與了機(jī)械誘導(dǎo)的Sema3A上調(diào),。


接下來,為了測(cè)試Sema3A對(duì)牙槽骨成骨細(xì)胞成骨分化的影響,,用含有或不含重組人Semaphorin 3A 的成骨培養(yǎng)基(10 ng/mL)刺激hOB,。


結(jié)果顯示,外源性Sema3A顯著刺激關(guān)鍵成骨轉(zhuǎn)錄因子RUNX2表達(dá),,其他成骨標(biāo)志基因(ALPL,、堿性磷酸酶、SPP1,、骨橋蛋白,、BGLAP、骨鈣素)在刺激后顯示出超越成骨培養(yǎng)基作用的誘導(dǎo)趨勢(shì)(圖2 A-D),。然而,,在沒有成骨預(yù)處理的情況下,Sema3A對(duì)成骨基因表達(dá)的影響是無法檢測(cè)到的,。因此,,PDLF 中Sema3A 的機(jī)械-依賴性釋放可能僅在已經(jīng)成骨的環(huán)境中促成牙槽骨成骨細(xì)胞的成骨分化。


圖2 在成骨環(huán)境下,,外源性信號(hào)蛋白3A刺激有助于牙槽骨成骨細(xì)胞的成骨分化,。


來自小鼠實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)表明,叢蛋白相關(guān) GTPases 和 Wnt/β-catenin 信號(hào)通路參與骨骼中 Sema3A 激活的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo),。因此,,研究人員測(cè)試了 hOB 中 Sema3A 刺激是否導(dǎo)致 GTPases Rac1 的激活和積累以及β-catenin 的核易位。用外源性Sema3A刺激牙槽骨成骨細(xì)胞導(dǎo)致Rac1GTPase的激活(圖3 A),。


RT q-PCR顯示,,在礦化培養(yǎng)基中生長(zhǎng)的hOB中,Sema3A對(duì)β-catenin 誘導(dǎo)有顯著貢獻(xiàn)(圖3 B),。在對(duì)照細(xì)胞中,,β-catenin 主要存在于細(xì)胞質(zhì)中,用 Sema3A 刺激導(dǎo)致 2h后核周 β-catenin 的積累,,48h后,,大部分β-catenin 易位到細(xì)胞核中(圖3 C),。基于這些結(jié)果,,可以推測(cè) hOB 中 Sema3A-依賴性誘導(dǎo)的成骨標(biāo)志物基因的表達(dá)是通過Rac1GTPase- 和β-catenin- 依賴性信號(hào)通路發(fā)生的,。


在幾種細(xì)胞類型中,Sema3A在與Neuropilin-1 及其共受體PlexinA1結(jié)合時(shí)激活信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)級(jí)聯(lián)反應(yīng),,從而控制F-肌動(dòng)蛋白動(dòng)力學(xué),,控制細(xì)胞粘附和運(yùn)動(dòng)。在骨重塑過程中,,成骨細(xì)胞前體和成骨細(xì)胞募集到活躍的重塑部位需要這些細(xì)胞的運(yùn)動(dòng),。最后,為了檢測(cè) Sema3A是否影響牙槽骨成骨細(xì)胞運(yùn)動(dòng),,用重組 Sema3A(100 ng/mL)處理不同時(shí)間段的 hOB,,用免疫熒光染色法測(cè)定黏著斑蛋白(Vinculin)來評(píng)估黏著斑,,結(jié)果顯示,,沒有證據(jù)表明牙槽骨成骨細(xì)胞的黏著斑改變。從這些數(shù)據(jù)來看,,Sema3A似乎對(duì)牙槽骨中成骨細(xì)胞運(yùn)動(dòng)沒有顯著影響,。


圖3 Semaphorin 3A刺激人牙槽骨原代成骨細(xì)胞(hOB)與Rac1GTPase激活、β-catenin轉(zhuǎn)錄誘導(dǎo)和核易位相關(guān),。


以前的研究尚不清楚機(jī)械力可能對(duì)Sema3A信號(hào)傳導(dǎo)產(chǎn)生什么影響,。總之,,這項(xiàng)研究shou次顯示了牙周成纖維細(xì)胞中Sema3A的差異機(jī)械調(diào)節(jié)機(jī)制,。牙槽骨成骨細(xì)胞通過 Rac1 和 β-catenin 依賴性誘導(dǎo)分化標(biāo)志物對(duì) Sema3A 刺激做出反應(yīng)。結(jié)合之前對(duì) Ephrin/Eph 家族的研究結(jié)果,,目前的數(shù)據(jù)表明,,神經(jīng)引導(dǎo)分子參與了正畸牙齒移動(dòng)過程中骨重塑的調(diào)節(jié)。Sema3A 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的機(jī)械調(diào)節(jié)可能不一定局限于正畸牙齒移動(dòng)期間的骨重塑,,因?yàn)橛糜诰S持骨量的基本重塑過程是機(jī)械誘導(dǎo)的骨骼范圍,。然而,在正畸力誘導(dǎo)的骨重塑的情況下,,根據(jù)這里提供的結(jié)果,,牙周成纖維細(xì)胞作為機(jī)械力的受力者,似乎是最重要的,。這些體外研究結(jié)果能否用于臨床,,目前還在探索之中。


參考文獻(xiàn):?en S, Lux CJ, Erber R. A Potential Role of Semaphorin 3A during Orthodontic Tooth Movement. Int J Mol Sci. 2021 Aug 2;22(15):8297. doi: 10.3390/ijms22158297. PMID: 34361063; PMCID: PMC8348452.
原文鏈接:pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34361063/


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