アモルファスカーボンコーティング上での骨髄間葉系幹細胞の骨形成分化促進におけるILK/p38経路の役割

Role of ILK/p38 pathway in mediating the enhanced osteogenic differentiation of bone marrow mesenchymal stem cells on amorphous carbon coating.

• Guangna Yue
• Wen Song
• Shuyu Xu
• Yao Sun
• Zuolin Wang

抄録

アモルファスカーボン（a-C）膜は、生体内での耐食性と骨形成を向上させるための金属インプラント表面コーティングの有望な候補である。しかし、バイオイナートカーボンがどのようにして骨形成を誘導するのか、その分子機構はまだ解明されていない。本研究では、純チタン(Ti)インプラント表面(C-Ti)に、真空蒸着法によりa-C膜を成膜した。走査型電子顕微鏡(SEM)観察の結果、C-Ti表面には顆粒が分散した均一な膜が形成されていることがわかった。ラマン分光法では、標準的なa-Cシフトバンドが観測された。ラット骨髄間葉系幹細胞（MSC）を異なるインプラント表面で培養した。他の論文と同様に、C-Ti表面は細胞の接着、増殖、骨形成分化を促進した。さらに、マイトジェン活性化プロテインキナーゼ（MAPK）シグナル伝達経路のウエスタンブロット解析を行ったところ、C-Ti表面ではp38リン酸化レベルのみが有意に増加していることが明らかになった。SB203580によるp38の阻害は、C-Ti表面の強化された骨形成分化能を消滅させた。さらに、インテグリン-linked kinase (ILK)は、初期の3日間、C-Ti表面上で有意に上昇していた。ILK を siRNA で特異的にノックダウンすると、p38 リン酸化が急激に減少し、C-Ti 表面の骨形成分化能が低下した。以上のことから、a-CコーティングはILK/p38シグナル伝達経路を介してMSCの骨形成分化を促進することが可能であることが示唆された。

Amorphous carbon (a-C) film is a promising candidate for metallic implant surface coatings to improve corrosion resistance and osteogenesis in vivo. However, the molecular mechanism of how the bioinert carbon can induce osteogenesis has not been elucidated yet. In the present study, an a-C film was deposited on a smooth pure titanium (Ti) implant surface (C-Ti) by a vacuum evaporator. The scanning electron microscopy (SEM) observation showed a homogeneous coating with dispersed granules on the C-Ti surface. Raman spectroscopy revealed the standard a-C shift bands. Rat bone marrow mesenchymal stem cells (MSCs) were cultured on different implant surfaces. In agreement with other publications, the C-Ti surface exhibited enhanced cell adhesion, proliferation and osteogenic differentiation. In addition, a western blot analysis of the mitogen-activated protein kinase (MAPK) signaling pathways revealed that only the p38 phosphorylation level was increased significantly on the C-Ti surface. Inhibition of p38 by SB203580 obliterated the enhanced osteogenic differentiation ability of the C-Ti surface. Furthermore, integrin-linked kinase (ILK) was significantly upregulated on the C-Ti surface during the initial three days. Specific knockdown of ILK by siRNA sharply decreased p38 phosphorylation and also resulted in reduced osteogenic differentiation on the C-Ti surface. Above all, our study indicates that the a-C coating is able to promote osteogenic differentiation of MSCs through the ILK/p38 signaling pathway.