2023-05-30 15:30:53, 欧易生物 上海欧易生物医学科技有限公司
2023年4月13日,上海市交通第九人民医院张陈平课题组在ACS Applied Materials & Interfaces杂志(IF:10.383)发表题为“Carbon Dots from Lycium barbarum Attenuate Radiation-Induced Bone Injury by Inhibiting Senescence via METTL3/Clip3 in an m6A-Dependent Manner”的研究论文,发现枸杞CDs通过调节Clip3的m6A修饰来抑制衰老,从而减轻辐射诱导的骨损伤。放射性骨损伤的治疗在临床实践中仍然是一个挑战,并且没有有效的药物。近年来,生物质衍生碳点(CDs)因其杂原子丰富、毒性低、无需载药等优点,在生物医学工程领域备受关注。本研究为放射性骨损伤的治疗开辟了一条新的途径!
发表期刊:ACS Applied Materials & Interfaces
影响因子:10.383
涉及的欧易生物服务产品:m6A测序、转录组测序
放射治疗是头颈部恶性肿瘤的标准治疗方法。骨放射性坏死(ORN)是放射治疗后最严重的不良事件之一,对于难治性晚期ORN需进行颌骨根治性切除及微血管骨肌皮游离皮瓣重建,目前尚无治疗放射性骨损伤的有效药物。
枸杞是中国著名的传统中草药。一些研究报道,枸杞及其提取物具有抗衰老作用,并可抵抗辐射引起的骨损伤。中草药中最有效的成分是生物大分子,而生物大分子的细胞摄取效果较差。纳米技术是克服这些缺陷的有效方法。中药碳点(CDs)具有良好的生物相容性、高表面积体积比和纳米级尺寸等特点,可促进细胞内摄取和药物渗入病变组织。因此,利用枸杞合成的CDs可能对辐射性骨损伤有治疗作用。
本文报道了以枸杞为原料,经水热合成的CDs能有效减轻辐射所致的骨损伤。研究人员首先通过体外功能实验表明CDs可介导辐射诱导的骨髓间充质干细胞(BMSCs)损伤和衰老,其次通过体内动物实验证明CDs可预防大鼠放射性骨坏死的发生,促进辐照骨内钛植入体的骨整合。机制研究表明,CDs通过增加甲基转移酶3 (METTL3)来增加辐照BMSCs的m6 A水平,进而导致Clip3降解。由此说明,CDs通过影响METTL3/Clip3轴介导的m6A修饰抑制辐射诱导的骨损伤。
Result1 枸杞CDs的合成与表征
本研究采用水热法从枸杞中制备CDs(图1a)。高分辨率透射电镜(HRTEM)图像显示,CDs分散良好,形状均匀,无明显聚集(图1b),直径3.5 nm,晶格间距0.32 nm。CDs水溶液在日光下呈棕色,在紫外光下呈蓝色(图1c)。
图1. CDs的合成与表征
Result2 CDs可减弱辐射损伤,延缓细胞衰老
研究人员将骨髓间充质干细胞(BMSCs)分为四个组:对照组(BMSCs)、8 Gy辐射组(BMSCs+radiation)、预防组(BMSCs+CDs)和治疗组(BMSCs+radiation+CDs)。
首先,作者做了一系列体外功能实验,其中CCK-8、凋亡分析和细胞周期分析证明CDs可减弱由辐射诱导的BMSCs的损伤(图2c-e,h,i);Transwell实验及CFU测定表明CDs能显著促进辐照细胞的迁移和繁殖(图2f-k,j)。
细胞衰老在许多辐射引起的损伤和骨病中起着关键作用,研究人员探讨了CDs是否可以抑制辐射诱导的BMSCs的衰老。β-半乳糖苷酶染色结果显示CDs显著降低了辐射诱导的衰老、CDKN1A和CDKN2A是典型的衰老标记,通过qPCR和WB结果均能证明其表达水平降低,由此证明CDs可以抑制辐射诱导BMSCs的衰老。
图2. CDs可减弱辐射诱导的BMSCs损伤和衰老
Result3 CDs促进辐照后BMSCs成骨分化,抑制成脂分化
研究表明,辐射促进成脂分化和抑制成骨分化。因此研究人员评估了CDs对体外辐照BMSCs成骨和成脂分化平衡的影响,发现CDs增加了辐照BMSCs碱性磷酸酶(ALP)活性(图3a,b)。茜素红染色结果显示,与对照组相比,辐射降低了BMSCs的矿化,而CDs可以逆转这种抑制作用(图3c)。qPCR和WB同时表明CDs促进照射后BMSCs成骨(图3f,d)。同时,油红O染色检测和qPCR结果分别显示CDs减少了BMSCs的成脂分化,减少了成脂标记基因Lpl、Pparg和Fab-4的表达(图3e、g)。综上,CDs促进辐照后BMSCs的成骨分化,抑制其成脂分化。
图3. CDs在照射后调节成骨和脂肪生成平衡
Result4 CDs预防ORN发生并促进体内骨整合
作者用动物实验来验证CDs的治疗效果,放疗后拔下颌第一磨牙建立ORN大鼠模型,对大鼠实施安乐死,并收集下颌骨进行后续分析(图4a)。显微ct和组织学检查显示,CDs可预防大鼠放射性骨坏死的发生(图4)。同时,在胫骨中植入钛种植体,苏木精、伊红(H&E)和SA-β-gal染色显示表明CDs能促进辐照骨的骨整合,暴露于CDs的胫骨内钛植入物周围的骨形成增强(图4)。即,CDs可以抑制ORN的发生,促进种植体周围的成骨。
图4.CDs可预防大鼠骨质疏松,促进钛种植体骨整合
Result5 CDs可调控m6A介导的表观转录组学
为了探究CDs的内在调控机制,作者检测了CDs处理后不同对比组间的m6A水平。结果显示,CDs显著上调了总RNA的m6A水平。因此,作者提出CDs可能通过m6A修饰对辐射引起的损伤发挥治疗作用(图5)。对辐照的BMSCs和经CDs处理的BMSCs进行了RNA-seq和MeRIP-seq,并对两项测序结果进行GO、KEGG功能富集分析:生物信息学表明差异甲基化峰的功能注释在RNA降解中显著富集,因此在随后的实验中作者重点研究了高甲基化但下调的基因。
图5. RNA-seq联合MeRIP-seq分析
Result6 CDs通过METTL3/Clip3轴减弱辐射诱导的细胞衰老
为了进一步探索CDs介导的m6A修饰,作者检测了引起m6A修饰的相关酶的表达水平,qPCR结合WB结果显示,CDs显著增加了Mettl3在BMSCs 中的表达水平(图6b,c)。此外,m6A“writer”的结合位点RRACH在每组的m6 A位点内都高度富集,表明修饰高度活跃(图6d)。
近期研究表明,Clip3的下调可抗辐射引起的损伤。MeRIP-seq显示,具有高甲基化峰的Clip3被CDs下调(图5i)。qPCR和WB显示,CDs降低了辐照BMSCs 中Clip3的表达(图6e,f)。即,METTL3与Clip3的表达呈负相关。为了进一步研究Clip3在辐射诱导的细胞衰老中的作用,作者使用siRNA敲降了Clip3,β-半乳糖苷酶染色结果证实Clip3的下调可抑制细胞衰老。
综上所述,CDs通过促进METTL3表达,导致m6 A修饰增加,从而导致Clip3 mRNA转录物的降解(图6a),进而减弱因辐射诱导所产生的骨损伤。
图6. CDs通过METTL3/Clip3轴减弱辐射诱导的细胞衰老
本研究利用水热法从枸杞中合成了CDs。CDs具有良好的生物相容性,研究表明CDs可通过抑制细胞衰老来预防辐射所致的骨损伤,同时保护大鼠免受ORN的影响,并促进体内钛植入物周围的成骨。此外,CDs通过促进METTL3上调,导致m6 A修饰增加,从而导致Clip3 mRNA转录物的降解。
综上所述,来自宁夏枸杞的CDs通过METTL3/Clip3轴以m6A依赖的方式减弱辐射诱导的骨损伤,本研究为辐射诱导的骨损伤的治疗提供了新的见解。
【参考文献】
Guo, Zhiyong; Wang, Zilin; Liu, Yige; Wu, Hao; Zhang, Qiaoyu; Han, Jing; et al. (1753): Carbon Dots from Lycium barbarum Attenuate Radiation-Induced Bone Injury by Inhibiting Senescence via METTL3/Clip3 in an m6A‑Dependent Manner. ACS Publications. Collection. https://doi.org/10.1021/acsami.3c01322
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END
排版人:小久
原创声明:本文由欧易生物(OEBIOTECH)学术团队报道,本文著作权归文章作者所有。欢迎个人转发及分享,未经作者的允许禁止转载。
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