丙酮酸脱氢酶激酶 4:糖皮质激素性骨质疏松治疗的新希望

【字体: 时间:2025年02月26日 来源:Stem Cell Research & Therapy 7.1

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  为探索丙酮酸脱氢酶激酶 4(PDK4)在糖皮质激素性骨质疏松(GIOP)中的作用及机制,重庆医科大学研究人员开展相关研究,发现 PDK4 可改善 GIOP,为其治疗提供新靶点。

  糖皮质激素(GCs)在医学领域应用广泛,像地塞米松(DEX)这类药物,自上世纪 40 年代起就被用于治疗多种疾病,如自身免疫性疾病、哮喘和慢性炎症性疾病等。然而,长期使用 GCs 却带来了严重的副作用,其中糖皮质激素性骨质疏松(GIOP)尤为突出,约 40% 使用 GCs 的患者会出现骨折等骨骼并发症。

GIOP 的主要病理特征是骨形成持续减少、骨吸收增加,最终导致骨量丢失。目前,虽然知道高浓度的 DEX 会抑制成骨细胞增殖,干扰间充质干细胞(MSCs)向成骨细胞分化,但具体的分子机制仍不明确。同时,在寻找 GIOP 的关键治疗靶点和有效治疗方法方面,也一直面临挑战。

为了解开这些谜团,重庆医科大学的研究人员展开了深入研究。他们将目光聚焦在丙酮酸脱氢酶激酶 4(PDK4)上,旨在探究 PDK4 在 GIOP 发病和发展过程中的潜在作用及机制,为 GIOP 的治疗寻找新的潜在靶点。

经过一系列研究,研究人员发现,PDK4 在改善 GIOP 方面具有重要作用。它不仅能增强 MSCs 的成骨分化能力,还能增加 GIOP 大鼠的骨量。这一发现为 GIOP 的治疗带来了新的希望,有望为开发新的治疗方法提供关键靶点。目前该研究成果暂未提及发表期刊。

在研究过程中,研究人员采用了多种关键技术方法。细胞实验方面,对多种细胞进行培养并处理,运用实时定量聚合酶链反应(RT-qPCR)、蛋白质免疫印迹法(western blot)检测基因和蛋白表达,通过碱性磷酸酶(ALP)染色、茜素红 S(ARS)染色评估成骨分化情况。动物实验上,构建 GIOP 大鼠模型,进行 Micro-CT 扫描和 Masson 染色观察骨结构变化。此外,还利用分子对接技术分析 DEX 与 PDK4 的结合情况,通过转录组测序筛选相关差异基因。

下面详细介绍具体的研究结果:

  1. DEX 对 MSCs 成骨分化的影响:研究人员配置不同浓度的 DEX 诱导 MSCs 成骨分化,结果显示,低浓度 DEX(10??M、10??M、10??M)可增加 ALP 活性,而高浓度 DEX(10??M、10??M)则显著抑制成骨诱导培养基(OIM)诱导的 ALP 活性和基质矿化水平,同时降低 RUNX2 和骨桥蛋白(OPN)的 mRNA 和蛋白水平。由此确定后续实验使用 10??M DEX。
  2. GIOP 和 / 或成骨诱导对 PDK4 表达的影响:以骨形态发生蛋白 9(BMP9)为成骨诱导模型,用 10??M DEX 处理 MSCs 后进行转录组测序,发现 PDK4 显著上调。RT-qPCR 检测显示 PDK4 在不同组织和干细胞中均有表达,且在 OIM 诱导下,PDK 家族成员 mRNA 水平均上调,其中 PDK4 变化最明显。免疫组化染色表明,GIOP 大鼠骨组织中 PDK4 表达下调。这些结果提示 PDK4 可能参与 MSCs 成骨分化过程和 GIOP 的病理过程。
  3. PDK4 对 DEX 抑制的成骨分化的影响:通过 RT-qPCR、western blot、ALP 染色和 ARS 染色等实验发现,PDK4 能部分逆转 DEX 降低的 RUNX2 和 OPN 的 mRNA 和蛋白水平,恢复 DEX 抑制的 ALP 活性和细胞基质矿化水平,说明 PDK4 可减轻 DEX 对 MSCs 成骨分化的抑制作用。
  4. DEX 的成骨抑制作用与 MSCs 铁死亡的关系:研究发现,DEX 处理会降低 C3H10T1/2 细胞活力,诱导线粒体皱缩、膜密度增加等铁死亡形态变化,同时增加细胞内活性氧(ROS)、丙二醛(MDA)和总铁离子水平,下调铁死亡负调节因子 GPX4、FTH1 和 SLC7A11 的 mRNA 和蛋白水平,上调 ACSL4 的 mRNA 和蛋白水平。使用铁死亡抑制剂 Fer-1 可部分逆转 DEX 对成骨分化的抑制作用,表明 DEX 抑制 MSCs 成骨分化可能与促进铁死亡有关。
  5. PDK4 对 DEX 诱导的 MSCs 铁死亡的影响:透射电镜、铁离子和 MDA 水平检测、DHE 染色及 western blot 等实验结果表明,PDK4 能部分减轻 DEX 诱导的线粒体形态改变,降低 MDA 和总铁离子水平,减少 ROS 生成,抑制 ACSL4 蛋白水平增加,逆转 GPX4 和 SLC7A11 蛋白水平的降低,说明 PDK4 可抑制 DEX 诱导的 MSCs 铁死亡。
  6. PDK4 对 GIOP 大鼠骨形成和铁死亡的影响:构建 GIOP 大鼠模型并给予 AAV-PDK4 处理,Masson 染色和 Micro-CT 扫描结果显示,PDK4 过表达可增加骨小梁密度和胶原纤维生成。ELISA、O13 探针检测和 western blot 分析表明,PDK4 过表达能部分逆转 GIOP 模型组中谷胱甘肽含量降低、MDA 含量增加和 ROS 含量升高的情况,调节铁死亡关键因子的蛋白水平,提示 PDK4 可通过减少铁死亡改善 GIOP。
  7. 铁死亡对 PDK4 减轻 DEX 抑制 MSCs 成骨分化的影响:使用铁死亡诱导剂 RSL3 进行实验,RT-qPCR、western blot、ALP 染色和 ARS 染色结果显示,RSL3 可部分抵消 PDK4 对 DEX 抑制 MSCs 成骨分化的逆转作用,表明 PDK4 对 DEX 抑制 MSCs 成骨分化的逆转作用部分通过干扰铁死亡介导。
  8. DEX 对 Pdk4 mRNA 表达和蛋白降解的影响:研究发现,DEX 可上调 PDK4 mRNA 水平,但高浓度 DEX(10??M、10??M)会降低其蛋白水平。进一步研究表明,DEX 通过溶酶体途径加速 PDK4 降解,分子对接分析显示 DEX 与 PDK4 稳定结合,提示高浓度 DEX 可能通过促进 PDK4 降解导致 MSCs 铁死亡,进而抑制成骨。

综上所述,该研究揭示了 DEX 可通过下调 PDK4 诱导 MSCs 铁死亡,导致成骨损伤。DEX 对 PDK4 的调节可能与其非基因组效应有关,即结合 PDK4 并通过溶酶体途径促进其降解。PDK4 在抑制 GCs 的骨损伤效应中发挥重要作用,这为 GIOP 的临床治疗提供了新的思路,为开发治疗 GIOP 的药物提供了潜在靶点,对推动 GIOP 的治疗发展具有重要意义。
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