11β-HSD1在镉致骨髓间充质干细胞（MSCs）成骨能力异常中的作用研究

Cadmium (Cd) is an important toxic heavy metal and osteoporosis is associated with Cd pollution. But the mechanism of bone toxicity induced by Cd is not fully elucidated. Our previous study investigated the changes of urine metabolism in a popoulation exposed to environmental Cd pollution, and found that corticosterone and tetrahydrocortisone were upregulated. 11β-HSD1, the key enzyme in glucocorticoid metabolism, might play a critical role. We will study the effect of Cd on mesenchymal stem cells (MSCs), which are the main source of osteoblast. We will analyze protein and gene expression of 11β-HSD1 by Western blot and real-time PCR at different stages along osteogenic and adipogenesis differentiation of MSCs. We will repress or induce 11β-HSD1 expression by specific inhibitor or plasmid transfection, then analyze the marker gene and key molecule expression of osteogenesis pathways, and analyze the hormone and precusor substance levels. We are intend to elucidate the relationship between 11β-HSD1 and osteoporosis induced by Cd, which may finally provide brand new theoretical basis for Cd toxicity.

镉污染引发健康风险备受关注。镉暴露与骨质疏松密切相关，但镉的骨骼毒性机制一直未明确。我们前期研究发现，长期镉暴露的人群尿中活性糖皮质激素皮质酮和四氢可的松含量增高，其代谢关键酶11β-HSD1表达异常可能是重要原因，且11β-HSD1已证实与骨质疏松相关。本研究拟采用体外与体内试验相结合的方法，以成骨细胞的主要来源——骨髓间充质干细胞（MSCs）为研究对象，探讨11β-HSD1在镉致MSCs成骨能力受损中的作用和机制，包括11β-HSD1在MSCs成骨和成脂不同分化阶段的表达；在11β-HSD1沉默和过表达情况下，MSCs成骨和成脂标志基因、成骨过程关键通路分子的激活情况，和活性糖皮质激素及其前体物质的变化水平。本研究结果将为镉的骨骼毒性机制提供新的科学依据。

镉的健康效应一直是公共卫生的研究热点。本项目在课题组人群流行病学研究基础上，采用体外、体内染毒方法，探讨镉对骨髓间充质干细胞（MSCs）的影响，以及11B-HSD1的表达改变。同时，分析肾脏在此剂量条件下的变化，进一步论证前期人群观察结果，探讨镉暴露的有害结局路径。.本研究体外分离大鼠MSCs，进行成骨诱导并以0.057、0.498 μmol/L CdCl2染毒，探讨CdCl2体外染毒对MSCs成骨能力的影响。同时观察11β-HSD1基因、蛋白表达的变化，抑制其表达，分析成骨能力的变化。再分别通过45天（对照、2.5、3.5和4.5 mg/kg bw，11只/组）和38周（对照、1和2 mg/kg bw，8只/组）体内染毒，用基因芯片、骨代谢蛋白芯片方法研究镉的骨骼毒性机制，并探讨其与肾脏毒性的关系。.本研究提纯的细胞经形态学、流式细胞及成骨分化三方面鉴定，为MSCs，增殖至第5代时仍具有稳定的持续增殖能力。CdCl2体外染毒抑制MSCs成骨能力，包括降低ALP活性、减少矿化结节形成、抑制成骨相关基因、蛋白的表达，以及抑制成骨通路关键分子蛋白的表达。与此同时，与对照组比较，剂量组MSCs成骨诱导过程中11β-HSD1基因、蛋白表达无改变。CdCl2体内染毒结果显示，大鼠MSCs表达上调基因712个，下调1764个，与成骨密切相关的有Wnt信号通路、PDGF信号通路、FGF信号通路和TGF-β信号通路。镉参与细胞因子相互作用，影响破骨途径。蛋白芯片与基因芯片结果均表明TGF-β信号通路改变。最后，38周慢性染毒大鼠对MSCs及肾脏早期毒性研究结果表明，在肾脏仅出现适应性反应的情况下，CdCl2直接改变MSCs的破骨和成骨之间的平衡。一方面激活RANKL/RANK/OPG的破骨途径。细胞因子与骨骼稳态调节有关。体内染毒MSCs表达IL-1、IL-17和TGFβ增加，结合课题组前期人群研究结果和文献报道，镉可能通过激活IL-1、IL-11、IL-17和TGFβ等炎症细胞因子来改变RANKL和OPG的表达。另一方面，直接抑制成骨关键基因的表达。镉存在直接骨骼毒性，骨骼毒性与肾毒性平行。