カンナビノイド受容体I(CB1)は、炎症下で損なわれたミトコンドリア代謝機能を救済することで、BMSCsの骨形成分化を促進した

The cannabinoid receptor I (CB1) enhanced the osteogenic differentiation of BMSCs by rescue impaired mitochondrial metabolism function under inflammatory condition.

抄録

背景:

歯周炎は、炎症刺激により骨吸収と歯周組織の破壊を引き起こす慢性感染症である。炎症環境下では間葉系幹細胞(MSC)の骨形成分化能が低下し、治療効果が制限される。カンナビノイド受容体I（CB1）は、内因性カンナビノイドシステム（ECS）の主要なエフェクターであり、我々の以前の研究では、CB1が歯槽骨再生のターゲットとなりうる歯科用MSCの骨・歯根の分化を促進することが検証されていた。しかし、骨に由来するMSCの骨形成分化に対するCB1の効果はまだ不明である。本研究では、炎症環境下におけるヒト骨髄間葉系幹細胞（hBMSCs）のミトコンドリア機能および骨形成分化に対するCB1の役割とメカニズムについて検討した。

BACKGROUND: Periodontitis is a chronic infectious disease leading to bone resorption and periodontal tissue disruption under inflammatory stimulation. The osteogenic differentiation ability of mesenchymal stem cells (MSCs) is impaired under the inflammatory environment, which limits the effect of treatment. The cannabinoid receptor I (CB1) is the main effector of the endogenous cannabinoid system (ECS), and our previous study verified that CB1 could enhance the osteo/dentinogenic differentiation of dental MSCs, which might be a target for alveolar bone regeneration. However, the effect of CB1 on the osteogenic differentiation of MSCs derived from bone remains unknown. In present study, we investigated the role and mechanism of CB1 on mitochondrial function and osteogenic differentiation of human bone marrow mesenchymal stem cells (hBMSCs) under inflammatory environment.

方法は以下の通りです。:

アルカリホスファターゼ（ALP）活性、アリザリンレッド染色、定量的カルシウム分析、および骨形成マーカーを用いて、BMSCsの骨形成分化能力を検出した。遺伝子発現の検出には，Real-time RT-PCRとWestern blotを用いた。酸素消費率（OCR）の測定には，シーホースセルミトストレステストを用いた。ミトコンドリア膜電位（MMP）の測定には，JC-10 アッセイを用いた。

METHODS: Alkaline phosphatase (ALP) activity, alizarin red staining, quantitative calcium analysis, and osteogenic markers were used to detect the osteogenic differentiation ability of BMSCs. Real-time RT-PCR and Western blot were used to detect the gene expression. Seahorse Cell Mito Stress Test was used to detect the oxygen consumption rate (OCR). JC-10 assay was used to determine the mitochondrial membrane potential (MMP).

結果:

CB1は，TNF-αやINF-γ刺激の有無にかかわらず，hBMSCsの骨形成分化能やOCR，MMPなどのミトコンドリアのエネルギー代謝を高め，Nrf1とNrf2の発現を増強した。また、ミトコンドリアの電子伝達系（ETC）の阻害剤であるロテノン（ROT）は、hBMSCsの骨形成分化を阻害したが、CB1は、TNF-αやINF-γ刺激の有無にかかわらず、hBMSCsのROTによる骨形成分化能の低下を救済した。コエンザイムQ10（CoQ10）によるETCの活性化は、TNF-αやINF-γの刺激の有無にかかわらず、CB1の枯渇によるhBMSCsの骨形成分化の障害を回復させることができた。そのメカニズムは、CB1がJNKシグナル伝達経路、p38 MAPKシグナル伝達経路を活性化し、Erk1/2シグナル伝達経路を阻害することにあると考えられた。

RESULTS: CB1 increased osteogenic differentiation potential and mitochondrial energy metabolism, including the OCR, MMP, and enhanced the expressions of Nrf1 and Nrf2 in hBMSCs without or with TNF-α or INF-γ stimulation. Then, the inhibitor of mitochondrial electron transport chain (ETC), rotenone (ROT), inhibited the osteogenic differentiation in hBMSCs, and CB1 could rescue ROT impaired osteogenic differentiation potentials of hBMSCs without or with TNF-α or INF-γ stimulation. Activation of ETC by Coenzyme Q10 (CoQ10) could restore the impaired osteogenic differentiation of hBMSCs by depletion of CB1 without or with TNF-α or INF-γ stimulation. Mechanismly, CB1 could activate the JNK signaling pathway, p38 MAPK signaling pathway, and inhibit the Erk1/2 signaling pathway.

おわりに:

CB1の活性化は、炎症環境下のhBMSCsのミトコンドリア代謝機能を回復させることにより、骨形成分化を促進した。このことは、CB1が炎症環境下での骨再生を促進するための潜在的なターゲットであることを示唆している。

CONCLUSIONS: The activating of CB1 enhanced the osteogenic differentiation by rescuing the mitochondrial metabolism function in hBMSCs under the inflammatory environment, suggesting that CB1 is a potential target for enhancing bone regeneration under the inflammatory environment.