可溶性シリカは、ヒトの歯包細胞における骨形成分化とギャップ接合部の通信を刺激します

いくつかの研究では、食事シリコン（SI）が骨の恒常性と骨格の健康に有益であることが示されています。さらに、SIを含む生物活性ガラス生体材料は、骨欠損の修復に使用すると、骨再生にプラスの効果があります。SIは、in vitroで骨芽細胞の分化と骨鉱化作用を刺激することが実証されています。ただし、Siのこれらの効果の根底にあるメカニズムはよく理解されていません。本研究の目的は、骨形成分化とコネキシン43（CX43）培養多能性細胞におけるコネキシン43（CX43）ギャップ接合部（HDFC）に対する可溶性SIの効果を調査することでした。ニュートラルな赤い取り込みアッセイは、25μg/mlのSIがHDFC細胞の増殖を有意に刺激したことを示しました。100μg/mLを超えるSiの投与量は、細胞増殖を減少させました。アリザリンの赤染色は、Si（25μg/ml）と組み合わせてHDFC培養物の鉱化作用を有意に増加させることを単独で、骨形成誘導培地（OIM）を示しましたが、SI単独ではそのような効果はありませんでした。HDFCにおける骨芽細胞関連マーカーの発現をRT-QPCRで分析しました。OSX、RUNX2、BMP2、ALP、OCN、BSP、およびCX43遺伝子は、HDFCで1、7、14、21日間培養されて発現しました。BMP-2およびBSPの発現レベルは、OIMおよびSi（25μg/mL）によって有意に上方制御され、Si単独でも誘導されました。特に、21日目のOCNとCX43の発現レベルは、SIグループでのみ有意に増加しました。フローサイトメトリー測定により、Si（50μg/mL）がHDFCのCX43タンパク質発現とギャップ接合部の通信を有意に増加させることが明らかになりました。次世代シーケンス（NGS）およびバイオインフォマティクス処理は、差次的に調節された遺伝子と経路の同定に使用されました。細胞分化プロファイルに対するOIMの影響は、Si単独の影響よりも顕著でした。ただし、OIMと組み合わせたSiは、差次的に調節された遺伝子の発現（上下）の大きさを増加させました。軟骨オリゴマーマトリックスタンパク質（comp）の遺伝子は、最も有意に上方制御されていました。Gタンパク質シグナル伝達4（RGS4）、Gタンパク質シグナル伝達2（RGS2）、およびマトリックスメタロプロテイナーゼ（MMPS）1、8、および10の調節因子の調節因子の遺伝子も強くアップレギュレートされました。我々の発見は、可溶性SIがHDFCのCX43ギャップジャンクション通信を刺激し、骨形成分化に関連する遺伝子発現パターンを誘導することを明らかにしています。まとめると、結果は、Siが骨の健康に有益であるという結論を裏付けています。

Several studies have indicated that dietary silicon (Si) is beneficial for bone homeostasis and skeletal health. Furthermore, Si-containing bioactive glass biomaterials have positive effects on bone regeneration when used for repair of bone defects. Si has been demonstrated to stimulate osteoblast differentiation and bone mineralisation in vitro. However, the mechanisms underlying these effects of Si are not well understood. The aim of the present study was to investigate the effects of soluble Si on osteogenic differentiation and connexin 43 (CX43) gap junction communication in cultured pluripotent cells from human dental follicles (hDFC). Neutral Red uptake assay demonstrated that 25 μg/ml of Si significantly stimulated hDFC cell proliferation. Dosages of Si above 100 μg/ml decreased cell proliferation. Alizarin Red staining showed that osteogenic induction medium (OIM) by itself and in combination with Si (25 μg/ml) significantly increased mineralisation in hDFC cultures, although Si alone had no such effect. The expression of osteoblast-related markers in hDFC was analysed with RT-qPCR. OSX, RUNX2, BMP2, ALP, OCN, BSP and CX43 genes were expressed in hDFC cultured for 1, 7, 14 and 21 days. Expression levels of BMP-2 and BSP were significantly upregulated by OIM and Si (25 μg/ml) and were also induced by Si alone. Notably, the expression levels of OCN and CX43 on Day 21 were significantly increased only in the Si group. Flow cytometric measurements revealed that Si (50 μg/ml) significantly increased CX43 protein expression and gap junction communication in hDFC. Next-generation sequencing (NGS) and bioinformatics processing were used for the identification of differentially regulated genes and pathways. The influence of OIM over the cell differentiation profile was more prominent than the influence of Si alone. However, Si in combination with OIM increased the magnitude of expression (up or down) of the differentially regulated genes. The gene for cartilage oligomeric matrix protein (COMP) was the most significantly upregulated. Genes for the regulator of G protein signalling 4 (RGS4), regulator of G protein signalling 2 (RGS2), and matrix metalloproteinases (MMPs) 1, 8, and 10 were also strongly upregulated. Our findings reveal that soluble Si stimulates Cx43 gap junction communication in hDFC and induces gene expression patterns associated with osteogenic differentiation. Taken together, the results support the conclusion that Si is beneficial for bone health.