БИОХИМИЯ, 2021, том 86, вып. 10, с. 1423–1432

УДК 577.21

Влияние омепразола на остеобласты и остеокласты in vivo и в модели in vitro с использованием чешуи рыбы

© 2021 M.I. Zanaty 1, A. Abdel-Moneim 2*adel_men2020@yahoo.com, Y. Kitani 3, T. Sekiguchi 3, N. Suzuki 3

1 Biotechnology and Life Sciences Department, Faculty of Postgraduate Studies for Advanced Sciences, Beni-Suef University, 62511 Beni-Suef, Egypt

2 Molecular Physiology Division, Faculty of Science, Beni-Suef University, 62511 Beni-Suef, Egypt

3 Noto Marine Laboratory, Division of Marine Environmental Studies, Institute of Nature and Environmental Technology, Kanazawa University, Noto-Cho, 927-0553 Ishikawa, Japan

Поступила в редакцию 10.02.2021
После доработки 27.05.2021
Принята к публикации 06.08.2021

DOI: 10.31857/S032097252110002X

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: омепразол, чешуя рыбы, гены транскрипционных факторов, гены остеокластов.

Аннотация

Омепразол подавляет чрезмерную секрецию кислоты желудочного сока за счет необратимого ингибирования H+/K+-ATPазы в париетальных клетках желудка. Проведенный недавно метаанализ данных выявил связь между применением ингибиторов протонной помпы и повышенным риском переломов костей, однако молекулярный механизм, лежащий в основе такого действия ингибиторов, остается неизвестен. В настоящем исследовании мы продемонстрировали прямое влияние омепразола на метаболизм костей, используя уникальную in vitro модель с применением чешуи костистой рыбы, а также путем in vivo исследований на рыбках Carassius auratus. Исследование in vitro показало, что 6-часовая инкубация с омепразолом приводит к значительному усилению активности щелочной фосфатазы и тартрат-резистентной кислой фосфатазы. Экспрессия мРНК нескольких маркеров остеокластов повышалась после 3-часовой инкубации рыбьей чешуи с омепразолом в концентрации 10-7 М. В экспериментах in vivo было продемонстрировано значительное повышение уровня кальция в плазме Carassius auratus под действием омепразола. Результаты исследований in vitro и in vivo позволяют предположить, что омепразол влияет на костные клетки, усиливая резорбцию костной ткани путем регуляции экспрессии генов остеокластов, а также способствуя высвобождению кальция в кровоток. Предлагаемый анализ in vitro с использованием рыбьей чешуи представляет собой практическую модель, которая может быть применена для исследования воздействия лекарственных препаратов на метаболизм костей.

Текст статьи

Пожалуйста, введите код, чтобы получить PDF файл с полным текстом статьи:

captcha

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

Благодарности

Мы благодарны всем сотрудникам Морской лаборатории Ното Отдела экологических исследований морской среды Института природы и экологических технологий университета Канадзавы (Ното-Чо, Исикава, Япония) за их неоценимую поддержку в продолжение всего нашего исследования.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Эксперимент проводился в соответствии с инструкциями по уходу и работе с лабораторными животными университета Канадзавы (протокол № 93255).

Дополнительные материалы

Приложение к статье на английском языке опубликовано на сайте журнала «Biochemistry» (Moscow) (http://protein.bio.msu.ru/biokhimiya/) и на сайте издательства Springer (www.springer.com/journal/10541), том 86, вып. 10, 2021.

Список литературы

1. Kinoshita, Y., Ishimura, N., and Ishihara, S. (2018) Advantages and disadvantages of long-term proton pump inhibitor use, J. Neurogastroenterol. Motil., 24, 182-196.

2. Tian, H., Xu, Y., Wang, J., Tian, W., Sun, J., et al. (2018) Effects of plasma albumin on the pharmacokinetics of esomeprazole in ICU patients, Biomed. Res. Int., 2018, 6374374, doi: 10.1155/2018/6374374.

3. Yanagihara, G. R., de Paiva, A. G., Neto, M. P., Torres, L. H., Shimano, A. C., et al. (2015) Effects of long-term administration of omeprazole on bone mineral density and the mechanical properties of the bone, Rev. Bras. Ortop., 50, 232-238.

4. Thaler, H. W., Sterke, C. S., and Van Der Cammen, T. J. M. (2016) Association of proton pump inhibitor use with recurrent falls and risk of fractures in older women: a study of medication use in older fallers, J. Nutr. Health Aging, 20, 77-81.

5. Thong, B. K. S., Ima-Nirwana, S., and Chin, K. Y. (2019) Proton pump inhibitors and fracture risk: A review of current evidence and mechanisms involved, Int. J. Environ. Res. Public Health, 16, 1571.

6. FDA Drug Safety Communication (2011) Possible increased risk of fractures of the hip, wrist, and spine with the use of proton pump inhibitors, Update: 3/23/2011. Avilable at: https://www.fda.gov/drugs/postmarket-drug-safety-information-patients-and-providers/fda-drug-safety-communication-possible-increased-risk-fractures-hip-wrist-and-spine-use-proton-pump.

7. Andersen, T. L., Sondergaard, T. E., Skorzynska, K. E., Dagnaes-Hansen, F., Plesner, T. L., et al. (2009) A physical mechanism for coupling bone resorption and formation in adult human bone, Am. J. Pathol., 174, 239-247.

8. Florencio-Silva, R., Sasso, G. R., Sasso-Cerri, E., Simões, M. J., and Cerri, P. S. (2015) Biology of bone tissue: structure, function, and factors that influence bone cells, Biomed Res. Int., 2015, 421746, doi: 10.1155/2015/421746.

9. Zohar, R. (2012) Signals between cells and matrix mediate bone regeneration, in: Bone Regeneration, Haim Tal, IntechOpen, doi: 10.5772/38292.

10. Manolagas, S. C. (2000) Birth and death of bone cells: basic regulatory mechanisms and implications for the pathogenesis and treatment of osteoporosis, Endocr. Rev., 21, 115-137.

11. Suzuki, N., Suzuki, T., and Kurokawa, T. (2000) Suppression of osteoclastic activities by calcitonin in the scales of goldfish (freshwater teleost) and nibbler fish (seawater teleost), Peptides, 21, 115-124.

12. Thamamongood, T. A., Furuya, R., Fukuba, S., Nakamura, M., Suzuki, N., and Hattori, A. (2012) Expression of osteoblastic and osteoclastic genes during spontaneous regeneration and autotransplantation of goldfish scale: a new tool to study intramembranous bone regeneration, Bone, 50, 1240-1249.

13. Briganti, S. I., Naciu, A. M., Tabacco, G., Cesareo, R., Napoli, N., et al. (2021) Proton pump inhibitors and fractures in adults: a critical appraisal and review of the literature, Int. J. Endocrinol., doi: 10.1155/2021/8902367.

14. Suzuki, N., Kitamura, K., Nemoto, T., Shimizu, N., Wada, S., et al. (2007) Effect of vibration on osteoblastic and osteoclastic activities: Analysis of bone metabolism using goldfish scale as a model for bone, Adv. Sp. Res., 40, 1711-1721.

15. Al Subaie, A., Emami, E., Tamimi, I., Laurenti, M., Eimar, H., et al. (2016) Systemic administration of omeprazole interferes with bone healing and implant osseointegration: an in vivo study on rat tibiae, J. Clin. Periodontol., 43, 193-203.

16. Wang, L., Li, M., Cao, Y., Han, Z., Wang, X., et al. (2017) Proton pump inhibitors and the risk for fracture at specific sites: data mining of the FDA adverse event reporting system, Sci. Rep., 7, 5527.

17. Prause, M., Seeliger, C., Unger, M., van Griensven, M., and Haug, A. T. (2014) Pantoprazole increases cell viability and function of primary human osteoblasts in vitro, Injury, 45, 1156-1164.

18. Prause, M., Seeliger, C., Unger, M., Rosado Balmayor, E., van Griensven, M., and Haug, A. T. (2015) Pantoprazole decreases cell viability and function of human osteoclasts in vitro, Mediators Inflamm., 2015, 413097, doi: 10.1155/2015/413097.

19. Shetty, S., Kapoor, N., Bondu, J. D., Thomas, N., and Paul, T. V. (2016) Bone turnover markers: Emerging tool in the management of osteoporosis, Ind. J. Endocrinol. Metab., 20, 846-852.

20. Costa-Rodrigues, J., Reis, S., Teixeira, S., Lopes, S., and Fernandes, M. H. (2013) Dose-dependent inhibitory effects of proton pump inhibitors on human osteoclastic and osteoblastic cell activity, FEBS J., 280, 5052-5064.

21. Hyun, J. J., Chun, H. J., Keum, B., Seo, Y. S., Kim, Y. S., et al. (2010) Effect of omeprazole on the expression of transcription factors in osteoclasts and osteoblasts, Int. J. Mol. Med., 26, 877-883.

22. Robling, A. G., Castillo, A. B., and Turner, C. H. (2006) Biomechanical and molecular regulation of bone remodeling, Annu. Rev. Biomed. Eng., 8, 455-498.

23. Price, C. T., Langford, J. R., and Liporace, F. A. (2012) Essential nutrients for bone health and a review of their availability in the average North American Diet, Open Orthop. J., 6, 143-149.

24. Minisola, S., Pepe, J., Piemonte, S., and Cipriani, C. (2015) The diagnosis and management of hypercalcaemia, BMJ, 350, h2723, doi: 10.1136/bmj.h2723.

25. Ye, X., Liu, H., Wu, C., Qin, Y., Zang, J., et al. (2011) Proton pump inhibitors therapy and risk of hip fracture: a systematic review and meta-analysis, Eur. J. Gastroenterol. Hepatol., 23, 794-800.

26. O’Connell, M. B., Madden, D. M., Murray, A. M., Heaney, R. P., and Kerzner, L. J. (2005) Effects of proton pump inhibitors on calcium carbonate absorption in women: a randomized crossover trial, Am. J. Med., 118, 778-781.

27. Wu, X., Al-Abedalla, K., Abi-Nader, S., Daniel, N. G., Nicolau, B., and Tamimi, F. (2017) Proton pump inhibitors and the risk of osseointegrated dental implant failure: a cohort study, Clin. Implant. Dent. Relat. Res., 19, 222-232.

28. Goltzman, D., Mannstadt, M., and Marcocci, C. (2018) Physiology of the calcium-parathyroid hormone-vitamin D axis, Front. Horm. Res., 50, 1-13.

29. Moe, S. M. (2008) Disorders involving calcium, phosphorus, and magnesium, Primary Care, 35, 215-237.

30. Suzuki, N., Kitamura, K., and Hattori, A. (2016) Fish scale is a suitable model for analyzing determinants of skeletal fragility in type 2 diabetes, Endocrine, 54, 575-577.

31. Suzuki, N., Danks, J. A., Maruyama, Y., Ikegame, M., Sasayama, Y., et al. (2011) Parathyroid hormone 1 (1-34) acts on the scales and involves calcium metabolism in goldfish, Bone, 48, 1186-1193.

32. Romdhane, H., Ayadi, S., Elleuch, N., and Abdelghani, K. (2018) Effect of long-term proton pump inhibitors on bone mineral density, Tunis Med., 96, 193-197.

33. Corley, D. A., Kubo, A., Zhao, W., and Quesenberry, C. (2010) Proton pump inhibitors and histamine-2 receptor antagonists are associated with hip fractures among at-risk patients, Gastroenterology, 139, 93-101.

34. Nassar, Y., and Richter, S. (2018) Proton-pump inhibitor use and fracture risk: an updated systematic review and meta-analysis, J. Bone Metab., 25, 141-151.

35. Sims, N. A., and Martin, T. J. (2014) Coupling the activities of bone formation and resorption: a multitude of signals within the basic multicellular unit, Bonekey Rep., 3, 481.

36. Park, J. H., Lee, N. K., and Lee, S. Y. (2017) Current understanding of RANK signaling in osteoclast differentiation and maturation, Mol. Cells, 40, 706-713.

37. Lacey, D. L., Boyle, W. J., Simonet, W. S., Kostenuik, P. J., Dougall, W. C., et al. (2012) Bench to bedside: elucidation of the OPG-RANK-RANKL pathway and the development of denosumab, Nat. Rev. Drug Discov., 11, 401-419.

38. Liu, W., and Zhang, X. (2015) Receptor activator of nuclear factor-κB ligand (RANKL)/RANK/osteoprotegerin system in bone and other tissues (review), Mol. Med. Rep., 11, 3212-3218.

39. Walsh, M. C., Lee, J., and Choi, Y. (2015) Tumor necrosis factor receptor-associated factor 6 (TRAF6) regulation of development, function, and homeostasis of the immune system, Immunol. Rev., 266, 72-92.

40. Kobayashi, Y., Udagawa, N., and Takahashi, N. (2009) Action of RANKL and OPG for osteoclastogenesis, Crit. Rev. Eukaryot. Gene Expr., 19, 61-72.

41. Asagiri, M., and Takayanagi, H. (2007) The molecular understanding of osteoclast differentiation, Bone, 40, 251-264.

42. Takayanagi, H., Kim, S., Koga, T., Nishina, H., Isshiki, M., et al. (2002) Induction and activation of the transcription factor NFATc1 (NFAT2) integrate RANKL signaling in terminal differentiation of osteoclasts, Dev. Cell, 3, 889-901.

43. Lee, J. U., Kim, L. K., and Choi, J. M. (2018) Revisiting the concept of targeting NFAT to control T cell immunity and autoimmune diseases, Front. Immunol., 9, 2747.

44. Hutchings, G., Moncrieff, L., Dompe, C., Janowicz, K., Sibiak, R., et al. (2020) Bone regeneration, reconstruction and use of osteogenic cells; from basic knowledge, animal models to clinical trials, J. Clin. Med., 9, 139, doi: 10.3390/jcm9010139.

45. Podgorski, I., Linebaugh, B. E., Koblinski, J. E., Rudy, D. L., Herroon, M. K., et al. (2009) Bone marrow-derived cathepsin K cleaves SPARC in bone metastasis, Am. J. Pathol., 175, 1255-1269.

46. Chiu, Y. H., and Ritchlin, C. T. (2016) DC-STAMP: a key regulator in osteoclast differentiation, J. Cell Physiol., 231, 2402-2407.

47. Herroon, M. K., Rajagurubandara, E., Rudy, D. L., Chalasani, A., Hardaway, A. L., and Podgorski, I. (2013) Macrophage cathepsin K promotes prostate tumor progression in bone, Oncogene, 32, 1580-1593.