Dalam beberapa tahun terakhir, kerusakan tulang akibat patah tulang yang disebabkan oleh osteoporosis, trauma, atau penyakit inflamasi kronis seperti penyakit periodontal telah menjadi ancaman yang serius pada masyarakat lanjut usia. Tiga komponen rekayasa jaringan yang efektif untuk terapi regenerasi tulang yaitu sel, growth factors, dan scaffold materials sudah dikenal luas, dan diantaranya, terapi regenerasi tulang berbasis sitokin telah diteliti secara aktif sebagai pendekatan klinis yang menjanjikan untuk berbagai gangguan kerusakan tulang kronis.
Protein morfogenetik tulang (BMP) adalah sitokin osteogenik keluarga superfamili TGF yang memainkan peran penting dalam diferensiasi sel induk mesenkim (MSC), perkembangan kerangka, dan pembentukan tulang. Penelitian sebelumnya telah menunjukkan bahwa BMP9 adalah BMP yang paling osteogenik dan mendorong diferensiasi osteoblastik MSC secara in vitro dan in vivo.
Di antara BMP, BMP2 merupakan faktor pertumbuhan osteoinduktif yang digunakan sebagai pengganti cangkok tulang. Namun, efek samping seperti pembentukan tulang yang tidak memadai dan induksi adipogenesis sering terjadi pada penggunaan klinis BMP2. Penelitian sebelumnya menemukan bahwa rhBMP9 mendorong diferensiasi osteogenik hingga 10 kali lebih besar bila dibandingkan dengan rhBMP2 dan kepadatan sambungan tulang yang beregenerasi dua kali lipat lebih tinggi pada kelompok yang diobati dengan BMP9 dibandingkan dengan BMP2. Selain itu, penelitian lain menunjukkan bahwa BMP9 memberikan pembentukan tulang baru yang sebanding dengan BMP2 dengan jaringan adiposa yang lebih sedikit setelah masa penyembuhan tulang dengan critical defect pada calvaria tikus. Namun, mekanisme molekuler di balik diferensiasi MSC yang diatur oleh BMP9 belum sepenuhnya dapat dijelaskan.
Protein keluarga Hes (Hes17) adalah regulator transkripsi dengan domain helix-loop-helix (bHLH) dasar. Di antara gen Hes, Hes1 penting untuk menekan diferensiasi saraf dan mempertahankan keadaan tidak berdiferensiasi selama tahap awal embriogenesis. Menariknya, penelitian terbaru menunjukkan bahwa Hes1 merupakan faktor intraseluler yang menentukan massa tulang dan struktur tulang. Sebelumnya kami menemukan bahwa pada osteoblast, Hes1 secara langsung dimediasi oleh jalur yang bergantung pada SMAD dan diregulasi pada tahap awal diferensiasi osteogenik yang diinduksi BMP9.
Kami menggunakan ST2, garis sel stroma tikus yang berasal dari sumsum tulang untuk penelitian ini. Diferensiasi osteogenik diinduksi dengan penambahan 10 ng/mL BMP9 dan 5 mM 尾-gliserofosfat. Kami melakukan analisis Western-blot dan PCR Real Time untuk ekspresi gen. Analisis lebih lanjut menggunakan sistem ekspresi terinduksi Tet-on dan pewarnaan Alizarin red S.
Dengan menggunakan ST2, kami menunjukkan bahwa stimulasi BMP9 menginduksi pola ekspresi periodik mRNA Hes1 yang awalnya mencapai puncaknya pada 1 jam dan berosilasi dengan siklus 2 jam hingga 6 jam setelah stimulasi BMP9. Dalam makalah ini, kami menemukan bahwa BMP9 secara langsung menginduksi ekspresi Hes1 melalui jalur SMAD, dan bahwa induksi awal Hes1 dapat secara signifikan menghambat diferensiasi osteogenik sel ST2 yang diinduksi BMP9 dengan menekan ekspresi Alk1.
Meskipun BMP9 dikenal sebagai salah satu BMP yang paling osteogenik, mekanisme molekuler dari diferensiasi MSC yang diatur oleh BMP9 belum sepenuhnya dapat diklarifikasi. Kami baru-baru ini menganalisis ekspresi Hes1, sebuah molekul efektor penting dari pensinyalan Notch, pada osteoblas primer tikus yang diinduksi oleh BMP2/4/9 dan menemukan bahwa BMP9 meningkatkan regulasi mRNA dan ekspresi protein Hes1 secara lebih signifikan dibandingkan dengan BMP osteogenik lainnya. Hasil ini menunjukkan bahwa Hes1 yang diinduksi BMP9 mungkin merupakan mekanisme umum pada tipe sel berbeda yang dapat berdiferensiasi menjadi osteoblas. Lebih lanjut, kami juga menemukan bahwa ekspresi Hes1 dalam osteoblas yang diinduksi oleh BMP9 berosilasi melalui mekanisme umpan balik negatif transkripsional autokrin yang mungkin melibatkan degradasi proteasomal yang cepat pada protein Hes1.
Peran fisiologis penting Hes1, yang secara cepat diinduksi secara sementara, dalam pensinyalan BMP9 dapat dianggap menyeimbangkan diferensiasi seluler dengan menerapkan regulasi negatif untuk menekan diferensiasi osteogenik yang berlebihan. Mempertahankan keseimbangan massa tulang tubuh bergantung pada kondisi jaringan tulang yang stabil, sehingga penyesuaian pluripotensi MSC sangat penting. Penelitian kami saat ini dapat memberikan wawasan baru mengenai regenerasi tulang berbasis BMP9 dan menyarankan penurunan regulasi Hes1 yang ditargetkan dapat dianggap sebagai strategi untuk meningkatkan potensi osteogenik. Sebuah penelitian sebelumnya melaporkan bahwa penggunaan BMP konsentrasi tinggi dapat menimbulkan efek buruk seperti peradangan pasca operasi, resorpsi tulang yang dimediasi oleh osteoklas, dan adipogenesis yang tidak tepat. Kami menemukan bahwa penghentian induksi awal Hes1 secara signifikan meningkatkan marker osteogenik yang diinduksi BMP9.
Temuan kami menunjukkan bahwa pemanfaatan BMP9 dengan penurunan regulasi Hes1 yang ditargetkan akan membuka jalan untuk mengatasi efek buruk pengobatan BMP dengan meningkatkan efek BMP9 dan menggunakan konsentrasi BMP yang memadai di klinik.
Kami telah menunjukkan bahwa BMP9 secara langsung menginduksi ekspresi Hes1 melalui jalur SMAD, dan induksi awal Hes1 secara signifikan menekan diferensiasi osteogenik MSC yang diinduksi BMP9, mungkin melalui penekanan ekspresi Alk1. Dengan demikian, hasil kami menunjukkan bahwa Hes1 memainkan peran penting dalam regulasi diferensiasi MSC yang diinduksi BMP9.
Penulis: Muhammad Subhan Amir
Jurnal: Early induction of Hes1 by bone morphogenetic protein 9 plays a regulatory role in osteoblastic differentiation of a mesenchymal stem cell line
