膠原蛋白肽含藥血清促進成骨細胞增殖和分化

劉俊麗 宋淑軍 司少艷 盧偉鵬 郭燕川*

1. 中國科學院理化技術研究所，光化學轉換與功能材料重點實驗室，北京 100190 2. 解放軍第306醫院特種醫學實驗研究中心，北京 100101

骨質疏松癥是一種代謝性疾病，其特征是骨形成不足、骨吸收過度而導致骨量減少及骨微結構的惡化，其后果增加了骨脆性和骨折易感性[1]。全世界骨質疏松的發病率在慢性疾病中已升至第5位，隨著全世界老齡人口的比例增加，骨質疏松患者也將大幅增加。由于骨質疏松性骨折而導致的慢性疼痛、關節變形、抑郁、殘疾甚至死亡，其后果嚴重影響患者的生活質量，給患者及家庭和社會帶來了沉重的負擔[2]。

膠原蛋白肽是膠原或明膠經蛋白酶降解處理后而形成的多肽混合物，富含人體需要的甘氨酸、脯氨酸、羥脯氨酸等，具有較高的消化吸收性及安全性[3]。本研究前期的實驗結果表明，去卵巢大鼠每日灌胃補充不同劑量的骨膠原蛋白肽或骨膠原蛋白肽與檸檬酸鈣混合物，3個月后雙能X線檢測結果表明股骨骨密度與卵巢切除(ovariectomy，OVX)對照相比顯著增加。Micro-CT檢測結果表明，骨膠原蛋白肽可以顯著改善股骨的微結構，并能夠增加膠原合成[4]。但膠原蛋白肽通過腸胃消化吸收入血后促骨活性的作用機理仍未闡明，目前尚未有相關的文獻報道。因此，本實驗將研究牛骨膠原蛋白肽(collagen peptides，CP)含藥血清對小鼠前成骨細胞增殖與分化的影響，初步探究牛骨CP的促骨活性機理，為骨質疏松的預防和治療提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試劑與儀器

小鼠前成骨細胞系MC3T3為美國ATCC公司產品，本室保存。DMEM培養基和優質胎牛血清購自Gibco公司；茜素紅染料(Alizarin red)、地塞米松、β-甘油磷酸鈉、抗壞血酸磷酸鹽、二甲基亞砜(Dimethylsulphoxide，DMSO)、胰蛋白酶購自美國Sigma公司；MTT購自美國Genview公司；青霉素、鏈霉素購自華北制藥公司；其他試劑均為市售分析純；牛骨膠原蛋白肽由包頭東寶生物技術股份有限公司提供。

本實驗所用儀器為HERAcell150型CO2細胞培養箱(賀力氏公司，德國)，IMT-2型倒置顯微鏡(奧林巴斯公司，日本)，550型酶聯免疫檢測儀(BIO-RAD公司，美國)；耗材為培養皿，96孔培養板(Constar公司，美國)。

1.2 方法

1.2.1牛骨膠原蛋白肽含藥血清的制備：12只3月齡雌性SD大鼠(北京大學醫學院實驗動物中心)隨機分為兩組，實驗組按每千克大鼠體重給予900 mg牛骨CP(相當于10 g/70 kg 牛骨CP化合物口服成人每日量)灌胃給藥，對照組(control，CN)大鼠灌胃給予相同體積的無菌水。一天兩次，連續7 d，間隔6 h(血清牛骨CP化合物濃度達到穩定狀態)。在標準條件下，每籠飼養4只大鼠。最后一次灌胃給藥2 h后，皮下注射水合氯醛麻醉。大鼠腹主動脈取血并分離血清，2 000 r/min離心5 min，分裝保存在-20℃中。

1.2.2細胞的常規培養：取凍存的MC3T3進行復蘇，用含100 mL/L胎牛血清和100 U/mL青霉素、100 U/mL鏈霉素的DMEM在37 ℃、5%CO2及飽和濕度條件的恒溫培養箱內培養，根據生長情況定期傳代，采用第3～5次傳代后24 h的細胞進行實驗。

1.2.3MTT法檢測膠原蛋白肽含藥血清對MC3T3成骨細胞增殖：為了明確牛骨CP含藥血清對成骨細胞增殖的適宜效應濃度，分別將實驗組牛骨CP含藥血清與CN組血清加到無血清的DMEM中配成3%、6%、10%濃度，將MC3T3成骨細胞放在上述大鼠血清中培養5 d。同時，將MC3T3成骨細胞培養在3%大鼠血清培養4 d或5 d。具體步驟如下：將第3次傳代的MC3T3成骨細胞按每孔4 000個/100 μL分別接種于3個96孔細胞培養板中，按上述分組方案分組,每組設6個復孔。24 h細胞貼壁后換液，分別加入上述相應藥物置于37 ℃、5%CO2及飽和濕度條件恒溫培養箱內培養。培養結束后，分別在所需檢測的培養孔內每孔加入20 μL濃度為5 mg/mL的 MTT溶液，37 ℃繼續孵育4 h，終止培養，小心吸取孔內培養上清液，每孔加入150 μL DMSO，振蕩 10 min。選擇 490 nm波長，在酶聯免疫檢測儀上測定各孔吸光度值。

1.2.4流式細胞術測定膠原蛋白肽含藥血清對MC3T3成骨細胞周期的影響：為了明確牛骨CP含藥血清對MC3T3成骨細胞周期的影響，將MC3T3成骨細胞傳代以3.0×104個/孔細胞密度接種于6孔板,將3%牛骨CP含藥血清與CN血清分別作用于MC3T3成骨細胞，并置于37 ℃，5% CO2細胞培養箱培養3 d。培養結束后，細胞用0.25%胰酶消化制成單細胞懸液，70%乙醇固定于-20 ℃ 24 h，PBS清洗后，1 000 r/min離心5 min，加入1 mg/mL RNaseA于37 ℃處理30 min后離心，加入10 mg/mL碘化丙啶0.15 mL染色30 min，流式細胞儀檢測細胞周期。

1.2.5茜素紅染色鑒定成骨細胞的礦化：為測量細胞外基質鈣沉積形成骨結節，細胞基質用能夠結合Ca2+的茜素紅染料染色，茜素紅染色形成的紅色是礦化的指示。成骨細胞在6孔板中接種密度為8×104/孔，細胞用成骨誘導劑(50 μg/mL抗壞血酸磷酸鹽，10 mmol/L β-甘油磷酸鈉，10 nmol/L地塞米松)誘導，每3 d換液1次，21 d天后吸去培養液，PBS洗兩次，然后用4%多聚甲醛4 ℃固定30 min，用去離子水沖洗。細胞用40 mmol/L茜素紅溶液(pH=4.4)染色40 min，在室溫下用去離子水沖洗兩次，染色細胞的圖像被數碼相機(IM50，Leica，Germany)捕獲，用Pro Plus 6圖像軟件定量分析茜素紅染色的含量。

1.3 統計分析處理

2 結果

2.1 CP血清對MC3T3-E1細胞增殖的影響

3%、6%、10%的牛骨CP血清及相應的CN血清處理MC3T3成骨細胞，5 d后MTT結果表明，3%，6%及10%的CP化合物含藥血清與相應的CN血清比較，能夠顯著促進MC3T3-E1細胞增殖(P<0.05，圖1 A)。同時，將3%的CP血清與3%的CN血清分別處理MC3T3成骨細胞4 d或5 d，MTT結果表明，CP血清與對照相比有很好的增殖潛能(P<0.01，圖1B)，進一步提示CP血清對成骨細胞的增殖起重要作用。

圖1 CP血清對MC3T3成骨細胞增殖的影響(*P<0.05，**P<0.01)。A：不同濃度；B：不同培養時間Fig.1 The effect of CP serum on the proliferation of MC3T3 cells(*P<0.05，**P<0.01). A: Different concentration; B: Different culture time

2.2 流式細胞術檢測CP化合物含藥血清對MC3T3成骨細胞細胞周期的效應

MTT結果表明，不同濃度的CP血清對MC3T3成骨細胞的增殖具有顯著促進作用。因此，在檢測細胞周期時，將3% CP血清、CN血清分別作用于MC3T3成骨細胞，然后培養 3 d，流式細胞術測定細胞周期。統計分析結果表明，與CN血清相比，3%的CP血清組G1期比例顯著減少，G2/S期比例顯著增加(P<0.01，圖2)，進一步說明3%的CP血清對MC3T3成骨細胞具有顯著促進作用，表明牛骨CP血清通過促進G2/S期的百分含量而促進細胞的增殖。

圖2 CP血清改變MC3T3成骨細胞細胞周期時相分布(**P<0.01)Fig.2 Alteration of cell cycle distribution of MC3T3 cells by collagen peptides in serum treatment(**P<0.01)

2.3 CP血清促進成骨細胞的礦化

礦化對骨的形成非常重要。將成骨細胞分別用3%的CP血清及3%的CN血清處理后，培養21 d，3%的CP血清處理組的茜素紅染色顯著高于3%的CN血清，3%的CP血清處理組約為0.65±0.03，而CN血清組約為0.61±0.01(P<0.05，圖3)，表明CP血清能促進成骨細胞的礦化。

3 討論

目前骨質疏松癥主要依靠西醫化學合成藥物的治療，但均存在一定的副作用[5]。如雙膦酸鹽增加上下消化道出血、下頜骨潰爛等風險，同時由于通過抑制吸收過程缺乏替代老舊的，損傷的骨組織而削弱了骨的質量[6]。重組人甲狀旁腺激素特立帕肽屬于激素類藥物，其副作用具有增加高鈣血的風險[7]。由于目前可用藥物治療療效有限性，鼓勵對疾病進行廣泛深入研究，以尋找預防和治療骨質疏松癥新的藥物靶點。

圖3 CP血清促進成骨細胞的礦化(*P<0.05)Fig.3 CP Serum promotes mineralization in osteoblasts(*P<0.05)

Nomura等[8]的研究表明，每天服用150 mg/kg及500 mg/kg CP的去卵巢大鼠長達3個月后，與對照組相比，CP阻止去卵巢引起的骨損失，改善去卵巢大鼠椎骨組成特點和生物力學強度，顯著增加腰椎的骨小梁數目及骨體積比，顯示骨保護效果。水解豬皮膠原蛋白(<3 kDa)可以阻止大鼠因去卵巢導致的骨質流失，能夠改善腰椎的微觀結構[9]。

由于CP是由膠原或明膠經蛋白酶降解處理后制成的相對分子質量不同的肽混合物，成分復雜，經過胃腸消化吸收后，肽混合物有可能會被分解，直接用于體外藥理實驗時，它的雜質成分以及本身的酸堿度都影響體外細胞的生存環境，造成一些假陰性或假陽性結果出現。本實驗所用的口服圓素牌膠原肽是中科院理化研究所研發，包頭東寶生物技術公司生產的相對分子質量為600～2500 D的不同混合物, 平均相對分子質量為1000道爾頓優質膠原蛋白肽，這個分子量范圍的膠原蛋白活性最強，使用后吸收效果也是最好，單獨服用CP能顯著抑制治療組OVX大鼠股骨BMD的降低[10]。在本實驗中，將膠原肽灌胃給大鼠取其血清進行體外實驗，比較接近藥物體內環境中產生藥理效應的真實過程，其原有成分或在體內轉化為活性成分或代謝后失活，或本身無作用但經代謝后產生作用，或通過第二信使而間接起作用都可通過血清藥理學反映出來，理論上更具備科學性、真實性，比較接近大鼠灌胃CP化合物作用在體內產生藥理環境的實際過程。因此，本研究進行實驗闡明CP化合物含藥血清對成骨細胞增殖的影響。

成骨細胞和破骨細胞是骨代謝的兩種主要細胞，其中成骨細胞在骨代謝過程中起著非常重要的作用，成骨細胞不僅負責骨的形成，而且負責調節破骨細胞的生成和活性。人體口服試驗表明，每天攝入10 g藥物級別的水解膠原減少膝關節或髖關節等骨關節炎患者的疼痛，血液中的羥脯氨酸含量增加[11]。對于骨質疏松癥患者而言，降鈣素加藥物級別的水解膠原比單獨使用降鈣素更能抑制骨膠原蛋白的分解，尿吡啶交聯的下降，表明水解膠原蛋白在治療骨關節炎和骨質疏松癥的潛在效用[12]。因此本實驗以此劑量為基礎制備了CP血清，本研究選擇了一系列不同的牛骨CP血清濃度，發現隨著培養時間的延長，CP血清對MC3T3成骨細胞的增殖具有顯著地促進作用。本研究進一步用流式細胞術檢測CP血清對MC3T3成骨細胞細胞周期的效應，表明CP血清通過促進G2/S期的百分含量而促進細胞的增殖。因為MC3T3具有成骨能力，茜素紅礦化染色后能夠形成紅色。研究數據表明，牛骨CP血清不僅增加成骨細胞的增殖，而且能夠促進成骨細胞的分化和礦化基質的形成。這些研究結果表明膠原蛋白肽阻止去卵巢引起的骨損失至少部分是由于其促成骨細胞或前成骨細胞的增殖與分化功能所致。在后續的研究中，將進一步從蛋白水平及RNA水平明確牛骨膠原蛋白肽促進MC3T3成骨細胞增殖的分子機理，這為牛骨CP作為骨健康基本補充劑，用于骨質疏松的預防和治療提供了理論依據。

綜上所述，不同濃度的牛骨CP血清不僅能顯著促進細胞的增殖，增加G2S期的百分含量，而且能夠促進成骨細胞的礦化基質的形成，從而為骨質疏松的預防和治療提供了理論依據。