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Science子刊:成骨细胞溶酶体在骨矿化过程中起着重要作用

来源:本站原创 2019-07-17 21:49

2019年7月17日讯/生物谷BIOON/---矿化(mineralization)由成骨细胞(osteoblast)介导。作为脊椎动物的一种基本过程,成骨细胞通过基质囊泡(matrix vesicle, MV)分泌矿物质前体。基质囊泡富含钙和磷酸盐,含有酸性蛋白等有机物质。

如今,在一项新的研究中,Tomoaki Iwayama及其在牙周病学、生物医学研究、口腔科学、生物材料和口腔解剖学发展部门的同事们利用扫描电子辅助介电显微镜(scanning electron-assisted dielectric microscopy, SE-ADM)和超分辨率显微镜(super-resolution microscopy, SRM)在纳米级分辨率下评估了矿化条件下的活的成骨细胞。根据他们的观察结果,基质囊泡能够与溶酶体一起运输并通过胞吐作用加以分泌。Iwayama等人提供了溶酶体能够在矿化的成骨细胞中运输无定形磷酸钙的证据。相关研究结果发表在2019年7月3日的Science Advances期刊上,论文标题为“Osteoblastic lysosome plays a central role in mineralization”。
图片来自Science Advances, 2019, doi: 10.1126/sciadv.aax0672。

在骨矿化的生理过程中,磷酸钙晶体的沉积在胞外基质中发生,这是所有脊椎动物的一种基本过程。1967年,生物学家Clarke Anderson和Ermanno Bonucci利用电子显微镜分别在细胞外空间中可视化观察了矿物相关颗粒。科学家们后来将这些颗粒识别为矿化纳米囊泡或基质囊泡。在过去50年的基质囊泡研究中,生物学家们一直在努力了解基质囊泡形成和分泌的机制,这种机制在很大程度上仍然未知。

利用电子显微镜阐明活细胞的矿化过程是具有挑战性的,这是因为用于电子显微镜观察的样品制备需要化学固定和酒精脱水这两个步骤。这些步骤能够诱导人工赝品,甚至溶解或除去不稳定的矿物质前体,并留下称为“晶体幻影(crystal ghost)”的有机支架。尽管科学家们已成功地对固定和脱水组织进行电子显微镜成像来观察骨中矿化胶原纤维的结构,但是为了研究矿物质前体,他们必须采用低温电镜过程来避免脱水,并且促进较小的标本极快地冷却,此外,这种冷却过程成本高昂。

为了克服当前研究工作中的这些局限性,Iwayama等人使用了一种称为SE-ADM的新型显微镜系统。这种方法之前已实现了在无染色的水介质中对哺乳动物细胞进行纳米级分辨率的高对比度的成像。

这些研究人员使用这种相同的技术(高分辨率SE-ADM)探究了在完整的成骨细胞中观察基质囊泡的可能性,以了解基质囊泡运输的生物发生机制。对于成骨细胞系,他们使用了在体外和体内具有较高成骨能力的小鼠成骨细胞系KUSA-A1。在适当条件下进行细胞培养后,他们利用SE-ADM观察这些细胞以鉴定正常的细胞内结构。他们观察到在成骨培养基中细胞生长4~10天后,基质囊泡与胶原原纤维排列一致,并且由于融合或颗粒生长,分泌的颗粒大小增加了,它们的大小与之前的报道的相一致,这就表明它们确实是基质囊泡。

在利用SE-ADM开展进一步研究后,这些研究人员注意到溶酶体途径参与转运和分泌腔内基质囊泡的过程与外泌体中的相类似。有趣的是,外泌体和基质囊泡都被归类为具有相似大小的胞外囊泡;它们都可由成骨细胞分泌,并且在细胞间通信中具有共同的功能。

在下一步中,Iwayama等人探究了这些颗粒是否是含有钙和/或磷酸盐的基质囊泡。为此,他们将这些细胞在成骨培养基中培养了7天,并利用SE-ADM观察它们,记录到没有小晶界面(crystal facet)的非常平滑的结构。这表明基质囊泡没有结晶,仍然是无定形的,这也与之前研究中记录的相一致。当在一氮化硅(silicon mononitride, SiN)膜上检测基质囊泡时,这些研究人员观察到对应于磷、钙、碳和氧元素的尖峰。他们使用拉曼光谱证实了这一发现:基质囊泡中存在磷酸钙。

这些研究人员还研究了低磷酸酯脢症(hypophosphatasia)的影响。低磷酸酯脢症是一种由Alpl基因(表达链碱性磷酸酶)编码的疾病,在这种疾病中,成骨细胞在体外不会发生矿化。为此,他们使用CRISPR-Cas9基因组编辑技术对成骨细胞的基因组进行编辑,从而产生敲除Alp1 的成骨细胞克隆。当他们利用高分辨率SE-ADM检测这些成骨细胞克隆时,他们并没有观察到基质囊泡,而且鉴于没有对应于磷和钙的尖峰,他们通过光谱分析进一步证实了这一点。

当Iwayama等人利用高分辨率SE-ADM直接观察基质囊泡的产生和分泌之后,他们进一步研究了溶酶体参与基质囊泡的细胞内运输以便观察活的成骨细胞的矿化。他们在含钙的成骨培养基中培养了这些细胞,并用LysoTracker对它们进行染色,以便检测感兴趣的细胞内组分。他们找到了与溶酶体相匹配的含有钙黄绿素(calcein)的囊泡,这就表明溶酶体内的基质囊泡的生物发生是在它们与含有钙黄绿素的囊泡融合在一起后进行的。他们随后开展功能丧失和功能抑制实验,以便进一步破解这些途径,并在体外的活细胞矿化期间探究细胞内的作用机制。

科学家们之前已报道过,由于成骨细胞线粒体中存在电子致密的富含钙和磷的颗粒,线粒体参与这种矿化过程。这一点可通过使用改进的冷冻技术观察到。此外,还有报道指出溶酶体和线粒体之间的直接接触具有功能意义。当Iwayama等人利用LysoTracker和MitoTracker对细胞进行染色,并在N-SIM结构化照明(N-SIM structured illumination)超分辨率显微镜(SRM)下观察这些细胞内组分。他们观察到大多数含有钙黄绿素的囊泡位于线粒体附近,并且与溶酶体相匹配。在SRM时间推移成像(SRM-time lapse imaging)过程中,他们进一步获得了含有LysoTracker的囊泡与位于线粒体附近的静态的含有钙黄绿素的液泡融合在一起时的图像,这就证实了他们的假设。

通过这种方式,再结合对其他SRM系统和其他细胞系的观察,Iwayama等人提出了一种矿化机制。在这种机制中,溶酶体在成骨细胞内的基质囊泡生物发生和运输中起着重要作用。当成骨细胞在细胞质内运输无定形磷酸钙时,溶酶体参与运输而不结晶是合理的。这些研究人员的目标是开展进一步的研究,以便了解基质囊泡的调控分子,并研究基质囊泡和外泌体是否具有相似的组成以及在它们的产生和分泌和功能上是否具有相似的机制。这项研究中使用的SE-ADM能够以较低的成本安装到现有的扫描电子显微镜设备中。这项研究中开发的工具将在纳米水平上提供适用于所有科学领域的非侵入性的高分辨率成像。(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

1.Osteoblastic lysosome plays a central role in mineralization
https://phys.org/news/2019-07-osteoblastic-lysosome-central-role-mineralization.html


2.Tomoaki Iwayama et al. Osteoblastic lysosome plays a central role in mineralization, Science Advances (2019). DOI: 10.1126/sciadv.aax0672.

3.N. Reznikov et al. A materials science vision of extracellular matrix mineralization, Nature Reviews Materials (2016). DOI: 10.1038/natrevmats.2016.41.

4.Natalie Reznikov et al. Fractal-like hierarchical organization of bone begins at the nanoscale, Science (2018). DOI: 10.1126/science.aao2189.


5.Irving M. Shapiro et al. Matrix vesicles: Are they anchored exosomes?, Bone (2015). DOI: 10.1016/j.bone.2015.05.013.


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