低レベルのレーザー療法は、血管新生と骨形成を結合することにより骨再生を促進します

背景：骨組織工学は、大きな骨欠損の修復に希望をもたらす新しい概念であり、これは依然として大きな臨床的課題です。血管新生骨の形成は、骨組織工学の鍵です。型Hと呼ばれる特殊な血管の成長は、骨形成に関連しています。in vivoおよびin vitroの研究により、低レベルレーザー療法（LLLT）は、活性酸素種（ROS）を増加させることにより、血管新生、骨折治癒、および幹細胞の骨形成分化を促進することが示されています。しかし、LLLTが血管新生と骨形成を結びつけることができるかどうか、および骨形成中の根本的なメカニズムはほとんど不明のままです。 方法：マウス骨髄間葉系幹細胞（BMSC）と二相性リン酸カルシウム（BCP）移植片をC57BL/6マウスに移植し、in vivoでの特殊な血管サブタイプおよび骨再生に対するLLLTの効果を評価しました。さらに、ヒトBMSCおよびヒト臍静脈内皮細胞（HUVEC）は、in vitroで共培養されました。細胞増殖、血管新生、および骨形成に対するLLLTの効果を評価しました。 結果：LLLTは、血管、コラーゲン繊維、骨組織の形成を促進し、マウスに埋め込まれたMBMSC/BCPグラフトのCD31hiemcnhi-発現タイプH血管を増加させました。LLLTは、in vivoおよび共培養BMSC/HUVECの移植片の関連遺伝子発現（HIF-1α、VEGF、TGF-β）だけでなく、骨形成と血管新生の両方を有意に増加させました。それぞれH2O2またはビタミンCによって誘導されるROSの増加または減少は、HIF-1αの増加または減少をもたらし、共培養システムでVEGFおよびTGF-βのその後の増加と減少をもたらしました。共培養システムでLLLTによって誘発されるROS蓄積は、HIF-1αがDMBPAで阻害され、VEGFおよびTGF-βの発現の減少が続くと、有意に減少しました。 結論：LLLTは、血管新生と骨形成を結合することにより、血管新生骨再生を促進しました。ROS/HIF-1αは、LLLTのこれらの効果に必要でした。LLLTは、HIF-1α、VEGF、およびTGF-βのROS依存性の増加を引き起こし、その後のH血管の形成と間葉系幹細胞の骨形成分化をもたらしました。ROSもHIF-1αの標的であったため、ROSとHIF-1αの間には陽性のフィードバックループがある可能性があり、LLLTを介したROSの増加を介してHIF-1α誘導をさらに増幅しました。この研究は、骨組織工学における血管新生と骨再生に対するLLLTの影響に関する新しい洞察を提供しました。

BACKGROUND: Bone tissue engineering is a new concept bringing hope for the repair of large bone defects, which remains a major clinical challenge. The formation of vascularized bone is key for bone tissue engineering. Growth of specialized blood vessels termed type H is associated with bone formation. In vivo and in vitro studies have shown that low level laser therapy (LLLT) promotes angiogenesis, fracture healing, and osteogenic differentiation of stem cells by increasing reactive oxygen species (ROS). However, whether LLLT can couple angiogenesis and osteogenesis, and the underlying mechanisms during bone formation, remains largely unknown. METHODS: Mouse bone marrow mesenchymal stem cells (BMSCs) combined with biphasic calcium phosphate (BCP) grafts were implanted into C57BL/6 mice to evaluate the effects of LLLT on the specialized vessel subtypes and bone regeneration in vivo. Furthermore, human BMSCs and human umbilical vein endothelial cells (HUVECs) were co-cultured in vitro. The effects of LLLT on cell proliferation, angiogenesis, and osteogenesis were assessed. RESULTS: LLLT promoted the formation of blood vessels, collagen fibers, and bone tissue and also increased CD31hiEMCNhi-expressing type H vessels in mBMSC/BCP grafts implanted in mice. LLLT significantly increased both osteogenesis and angiogenesis, as well as related gene expression (HIF-1α, VEGF, TGF-β) of grafts in vivo and of co-cultured BMSCs/HUVECs in vitro. An increase or decrease of ROS induced by H2O2 or Vitamin C, respectively, resulted in an increase or decrease of HIF-1α, and a subsequent increase and decrease of VEGF and TGF-β in the co-culture system. The ROS accumulation induced by LLLT in the co-culture system was significantly decreased when HIF-1α was inhibited with DMBPA and was followed by decreased expression of VEGF and TGF-β. CONCLUSIONS: LLLT enhanced vascularized bone regeneration by coupling angiogenesis and osteogenesis. ROS/HIF-1α was necessary for these effects of LLLT. LLLT triggered a ROS-dependent increase of HIF-1α, VEGF, and TGF-β and resulted in subsequent formation of type H vessels and osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells. As ROS also was a target of HIF-1α, there may be a positive feedback loop between ROS and HIF-1α, which further amplified HIF-1α induction via the LLLT-mediated ROS increase. This study provided new insight into the effects of LLLT on vascularization and bone regeneration in bone tissue engineering.