Investigation of the role of strontium on bone physiology: from a molecular biology perspective to applicability (2023)
- Authors:
- Autor USP: SILVA, LARWSK HAYANN GONÇALVES DA - FFCLRP
- Unidade: FFCLRP
- Sigla do Departamento: 593
- DOI: 10.11606/T.59.2023.tde-16012024-085612
- Subjects: BIOMATERIAIS; BIOMINERALIZAÇÃO; OSSO E OSSOS
- Keywords: Biomateriais; Biomaterials; Biomineralização; Biomineralization; Bone; Matrix vesicles and strontium; Osso; Vesículas de matrix e estrôncio
- Agências de fomento:
- Language: Inglês
- Abstract: O desenvolvimento de materiais biocompatíveis capazes de desencadear respostas celulares específicas em nível molecular é o foco da engenharia de tecidos. Esta tarefa desafiadora envolve a ativação de vias moleculares específicas por compostos bioativos adicionados à composição dos biomateriais para potencializar a resposta biológica. No caso especial do tecido ósseo, as nanopartículas compostas por hidroxiapatita (HA) têm se mostrado uma excelente alternativa para ativar os osteoblastos, células responsáveis pela formação da matriz extracelular óssea, e inibir os osteoclastos, células envolvidas com a reabsorção óssea. Este efeito é atribuído às semelhanças entre a porção mineral do osso e a composição do AH. Em adição, os íons cálcio pode ser substituídos por outros cátions divalentes na estrutura da HA. Dentre eles, a substituição por estrôncio tem sido estudada devido à capacidade desses íons em regular a atividade dos osteoblastos e osteoclastos. Por exemplo, o ranelato de estrôncio foi usado no passado para tratar osteoporose. Porém, a necessidade do uso de altas doses do composto para obter respostas farmacológicas desejáveis também foi causa de mineralização patológica, e com isto o uso do medicamento foi descontinuado. Desde então, outros compostos capazes de controlar a atividade de osteoblastos e osteoclastos utilizando baixas concentrações de estrôncio têm sido foco de atenção. No entanto, a ação do estrôncio na mineralização de células competentes em nível molecular ainda não é totalmente compreendida. Nesta tese, sintetizamos uma classe especial de nanopartículas enriquecidas com estrôncio. As nanopartículas mimetizam a composição e estrutura da apatita biológica, constituinte que compõe a porção mineral do osso. Dividimos o texto em duas partes fundamentais. Primeiramente, buscamos entender se as nanopartículas(NPs) contendo estrôncio seriam capazes de modular células osteocompetentes (osteoclastos e osteoblastos) in vitro. Portanto, investigamos seu papel na promoção da biomineralização. Sintetizamos apatita contendo diferentes percentuais de substituição de cálcio por estrôncio: (1) nanopartículas à base de hidroxiapatita na ausência de estrôncio, foram denominadas NanoSr 0%, (2) NanoSr 10%, onde 10% do cálcio foi substituído por estrôncio, e (3) NanoSr 90%, onde 90% do cálcio foi substituído por estrôncio. Observamos que a nanopartícula, NanoSr 90, foi mais eficiente na indução da deposição mineral na matriz extracelular pelos osteoblastos. Além disso, o NanoSr 90% regulou positivamente os marcadores de diferenciação e maturação dos osteoblastos, bem como foi ligado à alta atividade da fosfatase alcalina. Depois disso, estudamos o efeito das NPs na sobrevivência e diferenciação dos osteoclastos. Observamos que todos os NPs tiveram a capacidade de inibir a diferenciação dos osteoclastos sem afetar sua viabilidade. Em seguida, analisamos se o NanoSr 90% associado a um cimento poroso de polimetilmetacrilato (pPMMA) traria efetivamente benefícios ao biomaterial como agente de entrega de estrôncio in vivo, para isto foi utilizado coelhos como modelo animal deste estudo. Observamos que NanoSr 90% modularam os níveis de expressão dos genes Ocn e Bmp2, que são marcadores de diferenciação e ativação de osteoblastos. Além disso, observamos migração de osteoblastos em direção à área do cimento pPMMA, bem como deposição de colágeno tipo I, indicando a formação de matrix óssea. Estes resultados defendem que o NanoSr 90% é um forte candidato para ser testado como um biomaterial ativo. Na segunda parte da tese, buscámos compreender como o estrôncio regula a biomineralização de células osteocompetentes a nível molecular. Aqui, optamos por utilizar oranelato de estrôncio como principal fonte de estrôncio ao invés das nanopartículas pelo seguinte motivo, a linhagem celular escolhida para esta caracterização (odontoblasto, 17IIA11) já apresenta um fenótipo mineralizante, portanto não necessita de uma etapa de diferenciação. Por este motivo, a mineralização completa da matriz extracelular (MEC) ocorre em aproximadamente 6 dias. As NPs necessitam de pelo menos 14 dias para terem sua entrega máxima de estrôncio no meio, o torna inviável o seu uso nesta linhagem celular. Além disso, como comparação, também estudamos o efeito do Ca2+ na forma de CaCl2 e fosfato inorgânico (Pi), que são os dois íons mais conhecidos envolvidos na fisiologia óssea. Aqui, levantamos a hipótese de que o estrôncio afeta a mineralização em dois níveis diferentes, (1) regulando marcadores osteogênicos e atua no comprometimento celular, e (2) regulando a secreção e função das vesículas da matriz (VMs). Os resultados aqui observados revelaram que Sr2+ regulou as vias de sinalização Erk1/2 e CREB, bem como modulou genes relacionados à osteogênese. Em adição, foi observado que o efeito do Sr2+ nas células osteocompetentes é dependente da dose, o que significa que altas doses de Sr2+ inibiram a mineralização, enquanto doses baixas a promoveram. Além disso, tratamos as células com os íons e isolamos as vesículas da matriz presas na matriz extracelular (MEC). Observamos um comportamento curioso, mas ainda não totalmente compreendido. Aqui, foi mostrado que o estrôncio diminuiu a liberação das VMs, mas aumentou sua capacidade de mineralizar a MEC. Em seguida, estudamos a morfologia das vesículas por microscopia de força atômica (MFA) e eletrônica de transmissão (MET). Os resultados revelaram alterações nas propriedades viscoelásticas das VMs derivadas de células tratadas com Pi, CaCl2 e estrôncio. Por fim, determinamoso conteúdo lipídico das VMs por meio de análise lipidômica, que mostrou que a composição lipídica sofre alteração a depender do estímulo fornecido para as células. Por exemplo, as VMs derivadas de células estimuladas com estrôncio foram enriquecidas em lipídeos ceramida (Cer) e esfingomielina (SM), dois lipídios ligados ao desenvolvimento ósseo. Em conclusão, os resultados apresentados nesta tese atestam o potencial uso de nanopartículas à base de estrôncio para reparo ósseo. Além disso, esta tese acrescentou mais um tijolo ao conhecimento geral e cada vez maior sobre os mecanismos básicos de ação do estrôncio nas células osteocompetentes. Finalmente, pela primeira vez na literatura demonstramos que o estrôncio afeta o conteúdo lipídico dos VMs, o que por sua vez foi associada com alta atividade das VMs
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- Publisher place: Ribeirão Preto
- Date published: 2023
- Data da defesa: 15.12.2023
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ABNT
SILVA, Larwsk Hayann Gonçalves da. Investigation of the role of strontium on bone physiology: from a molecular biology perspective to applicability. 2023. Tese (Doutorado) – Universidade de São Paulo, Ribeirão Preto, 2023. Disponível em: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/59/59138/tde-16012024-085612/. Acesso em: 01 jun. 2024. -
APA
Silva, L. H. G. da. (2023). Investigation of the role of strontium on bone physiology: from a molecular biology perspective to applicability (Tese (Doutorado). Universidade de São Paulo, Ribeirão Preto. Recuperado de https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/59/59138/tde-16012024-085612/ -
NLM
Silva LHG da. Investigation of the role of strontium on bone physiology: from a molecular biology perspective to applicability [Internet]. 2023 ;[citado 2024 jun. 01 ] Available from: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/59/59138/tde-16012024-085612/ -
Vancouver
Silva LHG da. Investigation of the role of strontium on bone physiology: from a molecular biology perspective to applicability [Internet]. 2023 ;[citado 2024 jun. 01 ] Available from: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/59/59138/tde-16012024-085612/
Informações sobre o DOI: 10.11606/T.59.2023.tde-16012024-085612 (Fonte: oaDOI API)
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