マウス骨芽細胞様細胞におけるグルコース欠乏によって発現変動する遺伝子解析と硬組織分化に及ぼす影響
糖尿病は歯周病の主要なリスクファクターの一つで，Periodontal Medicineに関する全身疾患の一つである。糖尿病の状態を模倣するとき，過栄養すなわち高濃度のグルコース環境を使用することが多い。しかし最近は高齢化に伴う低栄養が問題になることが多いが，低栄養が硬組織再生に及ぼす影響は不明である。本研究ではグルコース欠乏状態におけるマウス骨芽細胞における硬組織分化に及ぼす影響について検討した。マウス骨芽細胞様細胞（MC-3T3-E1細胞）は，マウス大腿骨から初代培養で樹立し不死化した細胞を使用し，生理学的コントロールとして100 mg/dLのグルコース濃度のα-MEMを使用し，グルコース...
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| Published in | 日本歯周病学会会誌 Vol. 65; no. 4; pp. 117 - 124 |
|---|---|
| Main Authors | , , , , , , , , |
| Format | Journal Article |
| Language | Japanese |
| Published |
特定非営利活動法人 日本歯周病学会
28.12.2023
日本歯周病学会 |
| Subjects | |
| Online Access | Get full text |
| ISSN | 0385-0110 1880-408X |
| DOI | 10.2329/perio.65.117 |
Cover
| Abstract | 糖尿病は歯周病の主要なリスクファクターの一つで，Periodontal Medicineに関する全身疾患の一つである。糖尿病の状態を模倣するとき，過栄養すなわち高濃度のグルコース環境を使用することが多い。しかし最近は高齢化に伴う低栄養が問題になることが多いが，低栄養が硬組織再生に及ぼす影響は不明である。本研究ではグルコース欠乏状態におけるマウス骨芽細胞における硬組織分化に及ぼす影響について検討した。マウス骨芽細胞様細胞（MC-3T3-E1細胞）は，マウス大腿骨から初代培養で樹立し不死化した細胞を使用し，生理学的コントロールとして100 mg/dLのグルコース濃度のα-MEMを使用し，グルコース欠乏モデルとして0 mg/dLのグルコース濃度のα-MEMを使用した。MC-3T3-E1細胞に対するグルコース欠乏状態でのグルコース代謝に関わる遺伝子発現のスクリーニングを行い，アルカリフォスファターゼの発現と細胞外マトリックスへのカルシウムの沈着について比較検討した。Real Time PCR Arrayによる解析では，培養1週では生理学的コントロール群よりグルコース欠乏群のほうが30％減少している遺伝子は8種類あり，なかでも骨芽細胞の分化と生存に関与するThe phosphoinositide-3-kinase-protein kinase B（PI3K/AKT）経路の上流キナーゼの遺伝子であるpdk-1 mRNAについて検討したところ有意に減少していた。PDK-1の阻害剤であるBX-912を添加することでグルコース欠乏群と同様，細胞増殖能および硬組織分化能が低下した。これらの結果からグルコース欠乏状態におけるMC-3T3-E1細胞の硬組織分化は，グルコース代謝に関与するPDK-1の減少により細胞増殖能や硬組織分化能が低下することが示唆される。 |
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| AbstractList | 要旨: 糖尿病は歯周病の主要なリスクファクターの一つで, Periodontal Medicineに関する全身疾患の一つである. 糖尿病の状態を模倣するとき, 過栄養すなわち高濃度のグルコース環境を使用することが多い. しかし最近は高齢化に伴う低栄養が問題になることが多いが, 低栄養が硬組織再生に及ぼす影響は不明である. 本研究ではグルコース欠乏状態におけるマウス骨芽細胞における硬組織分化に及ぼす影響について検討した. マウス骨芽細胞様細胞(MC-3T3-E1細胞)は, マウス大腿骨から初代培養で樹立し不死化した細胞を使用し, 生理学的コントロールとして100mg/dLのグルコース濃度のα-MEMを使用し, グルコース欠乏モデルとして0mg/dLのグルコース濃度のα-MEMを使用した. MC-3T3-E1細胞に対するグルコース欠乏状態でのグルコース代謝に関わる遺伝子発現のスクリーニングを行い, アルカリフォスファターゼの発現と細胞外マトリックスへのカルシウムの沈着について比較検討した. Real Time PCR Arrayによる解析では, 培養1週では生理学的コントロール群よりグルコース欠乏群のほうが30%減少している遺伝子は8種類あり, なかでも骨芽細胞の分化と生存に関与するThe phosphoinositide-3-kinase-protein kinase B (PI3K/AKT)経路の上流キナーゼの遺伝子であるpdk-1 mRNAについて検討したところ有意に減少していた. PDK-1の阻害剤であるBX-912を添加することでグルコース欠乏群と同様, 細胞増殖能および硬組織分化能が低下した. これらの結果からグルコース欠乏状態におけるMC-3T3-E1細胞の硬組織分化は, グルコース代謝に関与するPDK-1の減少により細胞増殖能や硬組織分化能が低下することが示唆される. 糖尿病は歯周病の主要なリスクファクターの一つで，Periodontal Medicineに関する全身疾患の一つである。糖尿病の状態を模倣するとき，過栄養すなわち高濃度のグルコース環境を使用することが多い。しかし最近は高齢化に伴う低栄養が問題になることが多いが，低栄養が硬組織再生に及ぼす影響は不明である。本研究ではグルコース欠乏状態におけるマウス骨芽細胞における硬組織分化に及ぼす影響について検討した。マウス骨芽細胞様細胞（MC-3T3-E1細胞）は，マウス大腿骨から初代培養で樹立し不死化した細胞を使用し，生理学的コントロールとして100 mg/dLのグルコース濃度のα-MEMを使用し，グルコース欠乏モデルとして0 mg/dLのグルコース濃度のα-MEMを使用した。MC-3T3-E1細胞に対するグルコース欠乏状態でのグルコース代謝に関わる遺伝子発現のスクリーニングを行い，アルカリフォスファターゼの発現と細胞外マトリックスへのカルシウムの沈着について比較検討した。Real Time PCR Arrayによる解析では，培養1週では生理学的コントロール群よりグルコース欠乏群のほうが30％減少している遺伝子は8種類あり，なかでも骨芽細胞の分化と生存に関与するThe phosphoinositide-3-kinase-protein kinase B（PI3K/AKT）経路の上流キナーゼの遺伝子であるpdk-1 mRNAについて検討したところ有意に減少していた。PDK-1の阻害剤であるBX-912を添加することでグルコース欠乏群と同様，細胞増殖能および硬組織分化能が低下した。これらの結果からグルコース欠乏状態におけるMC-3T3-E1細胞の硬組織分化は，グルコース代謝に関与するPDK-1の減少により細胞増殖能や硬組織分化能が低下することが示唆される。 |
| Author | 中田, 貴也 山内, 伸浩 梅田, 誠 田口, 洋一郎 東, 仁 万代, 千晶 緒方, 智壽子 嘉藤, 弘仁 李, 潤伯 |
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| CorporateAuthor | 大阪歯科大学歯学部歯周病学講座 |
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| PublicationTitle | 日本歯周病学会会誌 |
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| Publisher | 特定非営利活動法人 日本歯周病学会 日本歯周病学会 |
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| References | 16) Zoch ML, Abou DS, Clemens TL, Thorek DLJ, Riddle RC: In vivo radiometric analysis of glucose uptake and distribution in mouse bone. Bone Res, 4: 16004, 2016. 10) Li R, Kato H, Taguchi Y, Deng X, Minagawa E, Nakata T, Umeda M: Glucose starvation-caused oxidative stress induces inflammation and autophagy in human gingival fibroblasts. Antioxidants, 11: 1907, 2022. 23) Bai Y, Zhang Q, Zhou Q, Zhang Y, Nong H, Liu M, Shi Z, Zeng G, Zong S: Effects of inhibiting PDK-1 expression in bone marrow mesenchymal stem cells on osteoblast differentiation in vitro. Mol Med Rep, 23: 118, 2021. 4) Nishimura F, Iwamoto Y, Mineshiba J, Shimizu A, Soga Y, Murayama Y: Periodontal disease and diabetes mellitus: the role of tumor necrosis factor-alpha in a 2-way relationship. J Periodontol, 74: 97-102, 2003. 5) Grossi SG, Genco RJ: Periodontal Disease and Diabetes Mellitus: A Two-Way Relationship. Ann Periodontol, 3: 51-61, 1998. 21) Xiao D, Zhou Q, Gao Y, Cao B, Zhang Q, Zeng G, Zong S: PDK1 is important lipid kinase for RANKL-induced osteoclast formation and function via the regulation of the Akt-GSK3β-NFATc1 signaling cascade. J Cell Biochem, 121: 4542-4557, 2020. 17) Karner CM, Long F: Glucose metabolism in bone. Bone, 115: 2-7, 2018. 2) Loe H: The sixth complication of diabetes mellitus. Diabetes Care, 16: 329-334, 1993. 7) 日本老年医学会, 日本糖尿病学会: 高齢者糖尿病診療ガイドライン2023, 南江堂, 東京, 177-182. 20) Zhang Z, Zhang X, Zhao D, Liu B, Wang B, Yu W, Li J, Yu X, Cao F, Zheng G, Zhang Y, Liu Y: TGF-β1 promotes the osteoinduction of human osteoblasts via the PI3K/AKT/mTOR/S6K1 signalling pathway. Mol Med Rep, 19: 3505-3518, 2019. 22) Serebrovska TV, Portnychenko AG, Portnichenko VI, Xi L, Egorov E, Antoniuk-Shcheglova I, Naskalova S, Shatylo VB: Effects of intermittent hypoxia training on leukocyte pyruvate dehydrogenase kinase 1 (PDK-1) mRNA expression and blood insulin level in prediabetes patients. Eur J Appl Physiol, 119: 813-823, 2019. 3) William RC, Offenbacker S: Periodontal medicine: the emergence of a new branch of periodontology. Periodontol 2000, 23: 9-12, 2000. 13) García-Hernández A, Arzate H, Gil-Chavarría I, Rojo R, Moreno-Fierros L: High glucose concentrations alter the biomineralization process in human osteoblastic cells. Bone, 50: 276-288, 2012. 6) Sakamoto H, Mihara C, Ikuta T, Inagaki Y, Kido J, Nagata T: Inhibitory effects of advanced glycation end-products and Porphyromonas gingivalis lipopolysaccharide on the expression of osteoblastic markers of rat bone marrow cells in culture. J Periodontal Res, 51: 313-320, 2016. 11) Medeiros C, Wallace JM: High glucose-induced inhibition of osteoblast like MC3T3-E1 differentiation promotes mitochondrial perturbations. PLoS One, 17: e0270001, 2022. 14) Kato H, Taguchi Y, Tominaga K, Kimura D, Yamawaki I, Noguchi M, Yamauchi N, Tamura I, Tanaka A, Umeda M: High Glucose Concentrations Suppress the Proliferation of Human Periodontal Ligament Stem Cells and Their Differentiation Into Osteoblasts. J Periodontol, 87: e44-e51, 2016. 15) Deng X, Kato H, Taguchi Y, Nakata T, Umeda M: Intracellular glucose starvation inhibits osteogenic differentiation in human periodontal ligament cells. J Periodontal Res, 58: 607-620, 2023. 18) Deng X, Kato H, Taguchi Y, Nakata T, Umeda M: Effect of fluctuating glucose concentration on osteogenic differentiation of periodontal ligament cells. J Osaka Dent, 57: 25-29, 2023. 19) Xie Y, Shi X, Sheng K, Han G, Li W, Zhao Q, Jiang B, Feng J, Li J, Gu Y: PI3K/Akt signaling transduction pathway, erythropoiesis and glycolysis in hypoxia. Mol Med Rep, 19: 783-791, 2019. 12) Balint E, Szabo P, Marshall CF, Sprague SM: Glucose-induced inhibition of in vitro bone mineralization. Bone, 28: 21-28, 2001. 1) International Diabetes Federation (IDF): IDF DIABETES ATKAS - 8th Edition. http://www.diabetesatlas.org (参照 2023-10-30). 9) Li R, Kato H, Taguchi Y, Umeda M: Intracellular glucose starvation affects gingival homeostasis and autophagy. Sci Rep, 12: 1230, 2022. 8) Mizutani K, Shioyama H, Matsuura T, Mikami R, Takeda K, Izumi Y, Aoki A, Iwata T: Periodontal regenerative therapy in patients with type 2 diabetes using minimally invasive surgical technique with enamel matrix derivative under 3-year observation: A prospective cohort study. J Periodontol, 92: 1262-1273, 2021. |
| References_xml | – reference: 8) Mizutani K, Shioyama H, Matsuura T, Mikami R, Takeda K, Izumi Y, Aoki A, Iwata T: Periodontal regenerative therapy in patients with type 2 diabetes using minimally invasive surgical technique with enamel matrix derivative under 3-year observation: A prospective cohort study. J Periodontol, 92: 1262-1273, 2021. – reference: 9) Li R, Kato H, Taguchi Y, Umeda M: Intracellular glucose starvation affects gingival homeostasis and autophagy. Sci Rep, 12: 1230, 2022. – reference: 18) Deng X, Kato H, Taguchi Y, Nakata T, Umeda M: Effect of fluctuating glucose concentration on osteogenic differentiation of periodontal ligament cells. J Osaka Dent, 57: 25-29, 2023. – reference: 20) Zhang Z, Zhang X, Zhao D, Liu B, Wang B, Yu W, Li J, Yu X, Cao F, Zheng G, Zhang Y, Liu Y: TGF-β1 promotes the osteoinduction of human osteoblasts via the PI3K/AKT/mTOR/S6K1 signalling pathway. Mol Med Rep, 19: 3505-3518, 2019. – reference: 21) Xiao D, Zhou Q, Gao Y, Cao B, Zhang Q, Zeng G, Zong S: PDK1 is important lipid kinase for RANKL-induced osteoclast formation and function via the regulation of the Akt-GSK3β-NFATc1 signaling cascade. J Cell Biochem, 121: 4542-4557, 2020. – reference: 2) Loe H: The sixth complication of diabetes mellitus. Diabetes Care, 16: 329-334, 1993. – reference: 10) Li R, Kato H, Taguchi Y, Deng X, Minagawa E, Nakata T, Umeda M: Glucose starvation-caused oxidative stress induces inflammation and autophagy in human gingival fibroblasts. Antioxidants, 11: 1907, 2022. – reference: 11) Medeiros C, Wallace JM: High glucose-induced inhibition of osteoblast like MC3T3-E1 differentiation promotes mitochondrial perturbations. PLoS One, 17: e0270001, 2022. – reference: 3) William RC, Offenbacker S: Periodontal medicine: the emergence of a new branch of periodontology. Periodontol 2000, 23: 9-12, 2000. – reference: 1) International Diabetes Federation (IDF): IDF DIABETES ATKAS - 8th Edition. http://www.diabetesatlas.org (参照 2023-10-30). – reference: 4) Nishimura F, Iwamoto Y, Mineshiba J, Shimizu A, Soga Y, Murayama Y: Periodontal disease and diabetes mellitus: the role of tumor necrosis factor-alpha in a 2-way relationship. J Periodontol, 74: 97-102, 2003. – reference: 6) Sakamoto H, Mihara C, Ikuta T, Inagaki Y, Kido J, Nagata T: Inhibitory effects of advanced glycation end-products and Porphyromonas gingivalis lipopolysaccharide on the expression of osteoblastic markers of rat bone marrow cells in culture. J Periodontal Res, 51: 313-320, 2016. – reference: 22) Serebrovska TV, Portnychenko AG, Portnichenko VI, Xi L, Egorov E, Antoniuk-Shcheglova I, Naskalova S, Shatylo VB: Effects of intermittent hypoxia training on leukocyte pyruvate dehydrogenase kinase 1 (PDK-1) mRNA expression and blood insulin level in prediabetes patients. Eur J Appl Physiol, 119: 813-823, 2019. – reference: 14) Kato H, Taguchi Y, Tominaga K, Kimura D, Yamawaki I, Noguchi M, Yamauchi N, Tamura I, Tanaka A, Umeda M: High Glucose Concentrations Suppress the Proliferation of Human Periodontal Ligament Stem Cells and Their Differentiation Into Osteoblasts. J Periodontol, 87: e44-e51, 2016. – reference: 19) Xie Y, Shi X, Sheng K, Han G, Li W, Zhao Q, Jiang B, Feng J, Li J, Gu Y: PI3K/Akt signaling transduction pathway, erythropoiesis and glycolysis in hypoxia. Mol Med Rep, 19: 783-791, 2019. – reference: 7) 日本老年医学会, 日本糖尿病学会: 高齢者糖尿病診療ガイドライン2023, 南江堂, 東京, 177-182. – reference: 15) Deng X, Kato H, Taguchi Y, Nakata T, Umeda M: Intracellular glucose starvation inhibits osteogenic differentiation in human periodontal ligament cells. J Periodontal Res, 58: 607-620, 2023. – reference: 13) García-Hernández A, Arzate H, Gil-Chavarría I, Rojo R, Moreno-Fierros L: High glucose concentrations alter the biomineralization process in human osteoblastic cells. Bone, 50: 276-288, 2012. – reference: 23) Bai Y, Zhang Q, Zhou Q, Zhang Y, Nong H, Liu M, Shi Z, Zeng G, Zong S: Effects of inhibiting PDK-1 expression in bone marrow mesenchymal stem cells on osteoblast differentiation in vitro. Mol Med Rep, 23: 118, 2021. – reference: 17) Karner CM, Long F: Glucose metabolism in bone. Bone, 115: 2-7, 2018. – reference: 5) Grossi SG, Genco RJ: Periodontal Disease and Diabetes Mellitus: A Two-Way Relationship. Ann Periodontol, 3: 51-61, 1998. – reference: 12) Balint E, Szabo P, Marshall CF, Sprague SM: Glucose-induced inhibition of in vitro bone mineralization. Bone, 28: 21-28, 2001. – reference: 16) Zoch ML, Abou DS, Clemens TL, Thorek DLJ, Riddle RC: In vivo radiometric analysis of glucose uptake and distribution in mouse bone. Bone Res, 4: 16004, 2016. |
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| SourceID | medicalonline jstage |
| SourceType | Publisher |
| StartPage | 117 |
| SubjectTerms | グルコース欠乏 マウス 硬組織分化 骨芽細胞様細胞 |
| Title | マウス骨芽細胞様細胞におけるグルコース欠乏によって発現変動する遺伝子解析と硬組織分化に及ぼす影響 |
| URI | https://www.jstage.jst.go.jp/article/perio/65/4/65_117/_article/-char/ja http://mol.medicalonline.jp/en/journal/download?GoodsID=cp9perlo/2023/006504/002&name=0117-0124j |
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