奈米蒙脫土的應用 ─ 調解骨骼細胞的表現
2022/01/11閱讀時間約 4 分鐘
先前，我們介紹了內分泌系統對骨骼中細胞的重要，這個議題不只在人體保健會談到，畜牧業也要關注這點，牧場動物的骨骼健康度對牧場業者來說也相當重要，例如之前提到的：「蛋雞骨骼健康程度會影響雞蛋產量」，還記得我們之前介紹過的奈米黏土嗎？在此篇文章中，我們將藉由實驗介紹，來了解奈米黏土在畜牧業如何改善骨質疏鬆問題。
在試驗中會分成體外細胞試驗 (in vitro) 與體內的大鼠試驗 (in vivo) 分開來看，本篇文章會先看體外細胞的表現，至於體內大鼠的試驗，將會留到下週再與各位討論。所用的奈米黏土是奈米蒙脫土，從韓國慶洲所開採的，成分中除了最主要的氧跟矽外，還有鋁、鎂、鐵、鈉跟鈣。
在上篇文章 (【為何女性更年期後容易有骨質疏鬆症？】) 中，我們有提到到骨骼生長的調節主要受到成骨細胞與蝕骨細胞的影響，所以在細胞試驗中以MG-63這個細胞做為成骨細胞的模型，並以RAW264.7這個巨噬細胞做蝕骨細胞的模型。實驗會在細胞培養皿中加入不同濃度的奈米蒙脫土250μg/mL、500μg/mL跟1000μg/mL，看細胞的表現。
成骨細胞活性上升，蝕骨細胞活性下降
在MG-63的表現上，當加入奈米蒙脫土後，提高了鹼性磷酸酶與鈣化程度，當細胞在建造骨骼時，它的鹼性磷酸酶活性會增加，鹼性磷酸酶的功能簡單來說，便是取得能量用在建造骨骼，除此之外，細胞還會產生堅硬的鈣化結構 (mineralization) 也就是骨頭白色堅硬的部分，因此，實驗結果支持奈米蒙脫土有助於骨骼生長。
在蝕骨細胞的部分，在細胞活性在1000μg/mL的奈米蒙脫土下降低，並且降低它的TRAP的濃度，TRAP是蝕骨細胞產生的抗酒石酸酸性磷酸酶 (Tartrate-resistant acid phosphatase)，功能是調節骨橋蛋白，以利蝕骨細胞鑽入清蝕，通常可從這個指標來推斷蝕骨的表現好壞，所以，實驗結果顯示奈米蒙脫土顯示可能抑制蝕骨的表現。
機制及細節如何？
為了確定到底是怎們來影響細胞的，所以我們從成骨細胞與蝕骨上的各項分化指標來看，成骨的分化指標項目有：
- RUNX2，它是成骨細胞分化重要的轉錄因子，從原本的間葉幹細胞 (mesenchymal stem cells) 分化成成骨細胞時RUNX2便不斷它促進它的分化，並抑制成骨細胞不要再分化為骨細胞。
- 另外還有Wnt轉錄因子，它會去抑制成骨細胞分化成軟骨細胞，所以有這兩種轉錄因子可使成骨細胞增加。
- 以及BMP-2及osteocalcin，BMP-2是細胞的生長因子，在RUNX2上游調節，也就是會控制RUNX2的表現，當BMP-2表現增加，RUNX2的表現才可能增加；而osteocalcin是骨鈣素，它是成骨細胞分泌的，用來與鈣結合。第一型膠原蛋白酶是在細胞分裂時，幫助分開兩細胞。
- 最後是P-SMAD-1/5/8它們也是細胞訊息傳遞分子，也是在RUNX2上游調節。
以上提到的RUNX2、Wnt、BMP-2、osteocalcin、P-SAMD-1/5/8在奈米蒙脫土刺激下都有顯著增加，顯示奈米蒙脫土有利於成骨細胞分化。
接者來看蝕骨細胞的指標，除了TRAP之外，還有RANK及cathepsin k，
- RANK我們在上回提到蝕骨細胞前體需要它跟RANKL結合後才能做後續的分化過程，
- 而cathepsin k是組織蛋白酶功能是分解骨蛋白和軟骨，而在試驗中，發現這指標都降低，細胞數也較對照組還少，所以顯示蝕骨的分化受到抑制。
以上結果是在in vitro得到的，那麼在動物試驗中這些指標是否都能改善呢？又或者因體內還有其他因素而改變我們的假設，就讓我們拭目以待！
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參考文獻
Kim, G. J., Kim, D., Lee, K. J., Kim, D., Chung, K. H., Choi, J. W., & An, J. H. (2020). Effect of Nano-Montmorillonite on Osteoblast Differentiation, Mineral Density, and Osteoclast Differentiation in Bone Formation. Nanomaterials (Basel, Switzerland), 10(2), 230. https://doi.org/10.3390/nano10020230
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