Published June 28, 2021 | Version v1
Publication Open

Facile distribution of an alkaline microenvironment improves human bone marrow mesenchymal stem cell osteogenesis on a titanium surface through the ITG/FAK/ALP pathway

Creators

  • 1. Peking University

Description

Abstract Purpose Osseointegration at the titanium surface-bone interface is one of the key factors affecting the success rate of dental implants. However, the titanium surface always forms a passive oxide layer and impacts bone marrow–derived mesenchymal stem cell (BMSC) osteogenic differentiation after exposure to the atmosphere, which further leads to poor osseointegration. Given that wet storage helps prevent titanium aging and that weakly alkaline conditions stimulate BMSC osteogenic differentiation, the aim of the present study was to explore whether sodium bicarbonate, a well-known hydrogen ion (pH) buffer, forms an alkaline microenvironment on titanium surfaces to promote BMSC osteogenic differentiation. Material and methods In this work, sand-blasted and acid-etched (SLA) titanium discs were soaked in 20 mM, 50 mM, 100 mM, and 200 mM sodium bicarbonate at room temperature for 5 min without rinsing. The influence of this surface modification on BMSC adhesion, proliferation, and osteogenic differentiation was measured. Additionally, cellular osteogenic differentiation–associated signaling pathways were evaluated. Results We showed that titanium discs treated with sodium bicarbonate created an extracellular environment with a higher pH for BMSCs than the normal physiological value for 5 days, strongly promoting BMSC osteogenic differentiation via the activation of integrin-focal adhesion kinase-alkaline phosphatase (Itg-FAK-ALP). In addition, the proliferation and adhesion of BMSCs were increased after alkaline treatment. These cellular effects were most significant with 100 mM sodium bicarbonate. Conclusion The results indicated that the titanium surface treated with sodium bicarbonate improved BMSC osteogenic differentiation mainly by creating an alkaline microenvironment, which further activated the Itg-FAK-ALP signaling pathway. Clinical relevance Surfaces modified with 100 mM sodium bicarbonate had the highest initial pH value and thus showed the greatest potential to improve BMSC performance on titanium surfaces, identifying a novel conservation method for dental implants.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

يعد التكامل العظمي في السطح العظمي للتيتانيوم أحد العوامل الرئيسية التي تؤثر على معدل نجاح زراعة الأسنان. ومع ذلك، يشكل سطح التيتانيوم دائمًا طبقة أكسيد سلبية ويؤثر على التمايز العظمي المنشأ للخلايا الجذعية الوسيطة المشتقة من نخاع العظم (BMSC) بعد التعرض للغلاف الجوي، مما يؤدي أيضًا إلى ضعف التكامل العظمي. بالنظر إلى أن التخزين الرطب يساعد على منع شيخوخة التيتانيوم وأن الظروف القلوية الضعيفة تحفز التمايز العظمي لـ BMSC، كان الهدف من هذه الدراسة هو استكشاف ما إذا كانت بيكربونات الصوديوم، وهي عازلة أيونات الهيدروجين المعروفة (PH)، تشكل بيئة دقيقة قلوية على أسطح التيتانيوم لتعزيز التمايز العظمي لـ BMSC. المواد والأساليب في هذا العمل، تم نقع أقراص التيتانيوم المنقوشة بالرمل والحمض في 20 مللي متر و 50 مللي متر و 100 مللي متر و 200 مللي متر من بيكربونات الصوديوم في درجة حرارة الغرفة لمدة 5 دقائق دون شطف. تم قياس تأثير هذا التعديل السطحي على التصاق BMSC وانتشارها وتمايزها العظمي. بالإضافة إلى ذلك، تم تقييم مسارات الإشارات المرتبطة بالتمايز العظمي الخلوي. النتائج أظهرنا أن أقراص التيتانيوم المعالجة ببيكربونات الصوديوم خلقت بيئة خارج الخلية ذات درجة حموضة أعلى لـ BMSCs من القيمة الفسيولوجية العادية لمدة 5 أيام، مما يعزز بقوة التمايز العظمي لـ BMSC من خلال تنشيط إنزيم كيناز - فوسفاتيز القلوية للالتصاق البؤري التكاملي (Itg - FAK - ALP). بالإضافة إلى ذلك، تم زيادة تكاثر والتلاصق من BMSCs بعد العلاج القلوي. كانت هذه التأثيرات الخلوية أكثر أهمية مع بيكربونات الصوديوم 100 مللي متر. استنتاج أشارت النتائج إلى أن سطح التيتانيوم المعالج ببيكربونات الصوديوم أدى إلى تحسين التمايز العظمي لـ BMSC بشكل أساسي من خلال إنشاء بيئة دقيقة قلوية، مما أدى إلى تنشيط مسار إشارات Itg - FAK - ALP. الأهمية السريرية كان للأسطح المعدلة ببيكربونات الصوديوم 100 مللي مولار أعلى قيمة أولية لدرجة الحموضة، وبالتالي أظهرت أكبر إمكانات لتحسين أداء BMSC على أسطح التيتانيوم، وتحديد طريقة جديدة للحفاظ على زراعة الأسنان.

Translated Description (French)

Résumé Objectif L'ostéointégration à l'interface surface-os de titane est l'un des facteurs clés affectant le taux de réussite des implants dentaires. Cependant, la surface en titane forme toujours une couche d'oxyde passive et a un impact sur la différenciation ostéogénique des cellules souches mésenchymateuses (BMSC) dérivées de la moelle osseuse après exposition à l'atmosphère, ce qui entraîne une mauvaise ostéointégration. Étant donné que le stockage humide aide à prévenir le vieillissement du titane et que les conditions faiblement alcalines stimulent la différenciation ostéogénique des CSM, l'objectif de la présente étude était d'explorer si le bicarbonate de sodium, un tampon d'ions hydrogène (pH) bien connu, forme un microenvironnement alcalin sur les surfaces en titane pour favoriser la différenciation ostéogénique des CSM. Matériel ET méthodes Dans ce travail, des disques de titane sablés et gravés à l'acide (SLA) ont été trempés dans du bicarbonate de sodium 20 mM, 50 mM, 100 mM et 200 mM à température ambiante pendant 5 min sans rinçage. L'influence de cette modification de surface sur l'adhésion, la prolifération et la différenciation ostéogénique des CSM a été mesurée. De plus, les voies de signalisation associées à la différenciation ostéogénique cellulaire ont été évaluées. Résultats Nous avons montré que les disques de titane traités au bicarbonate de sodium créaient un environnement extracellulaire avec un pH des BMSC supérieur à la valeur physiologique normale pendant 5 jours, favorisant fortement la différenciation ostéogénique des BMSC via l'activation de l'intégrine-focale adhérence kinase-phosphatase alcaline (Itg-FAK-ALP). De plus, la prolifération et l'adhésion des CSMM ont été augmentées après un traitement alcalin. Ces effets cellulaires étaient les plus significatifs avec le bicarbonate de sodium 100 mM. Conclusion Les résultats ont indiqué que la surface de titane traitée avec du bicarbonate de sodium améliorait la différenciation ostéogénique BMSC principalement en créant un microenvironnement alcalin, qui activait davantage la voie de signalisation Itg-FAK-ALP. Importance clinique Les surfaces modifiées avec du bicarbonate de sodium 100 mM présentaient le pH initial le plus élevé et présentaient donc le plus grand potentiel d'amélioration des performances BMSC sur les surfaces en titane, identifiant une nouvelle méthode de conservation pour les implants dentaires.

Translated Description (Spanish)

Resumen Propósito La osteointegración en la interfaz superficie-hueso de titanio es uno de los factores clave que afectan la tasa de éxito de los implantes dentales. Sin embargo, la superficie de titanio siempre forma una capa de óxido pasivo e impacta la diferenciación osteogénica de las células madre mesenquimales derivadas de la médula ósea (BMSC) después de la exposición a la atmósfera, lo que conduce aún más a una mala osteointegración. Dado que el almacenamiento húmedo ayuda a prevenir el envejecimiento del titanio y que las condiciones débilmente alcalinas estimulan la diferenciación osteogénica de las BMSC, el objetivo del presente estudio fue explorar si el bicarbonato de sodio, un tampón de iones de hidrógeno (pH) bien conocido, forma un microambiente alcalino en las superficies de titanio para promover la diferenciación osteogénica de las BMSC. Material y métodos En este trabajo, los discos de titanio chorreados con arena y grabados con ácido (SLA) se empaparon en bicarbonato de sodio 20 mM, 50 mM, 100 mM y 200 mM a temperatura ambiente durante 5 minutos sin enjuagar. Se midió la influencia de esta modificación de la superficie en la adhesión, proliferación y diferenciación osteogénica de BMSC. Además, se evaluaron las vías de señalización asociadas a la diferenciación osteogénica celular. Resultados Mostramos que los discos de titanio tratados con bicarbonato de sodio crearon un ambiente extracelular con un pH más alto para las BMSC que el valor fisiológico normal durante 5 días, promoviendo fuertemente la diferenciación osteogénica de las BMSC a través de la activación de la quinasa de adhesión focal de integrina-fosfatasa alcalina (Itg-FAK-ALP). Además, la proliferación y la adhesión de las BMSC aumentaron después del tratamiento alcalino. Estos efectos celulares fueron más significativos con bicarbonato de sodio 100 mM. Conclusión Los resultados indicaron que la superficie de titanio tratada con bicarbonato de sodio mejoró la diferenciación osteogénica de BMSC principalmente al crear un microambiente alcalino, que activó aún más la vía de señalización Itg-FAK-ALP. Relevancia clínica Las superficies modificadas con bicarbonato de sodio 100 mM tuvieron el valor de pH inicial más alto y, por lo tanto, mostraron el mayor potencial para mejorar el rendimiento de BMSC en superficies de titanio, identificando un nuevo método de conservación para implantes dentales.

Files

s40729-021-00341-y.pdf

Files (5.1 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:9a1a164209b2d758347bfd64c4a09d2f
5.1 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
التوزيع السطحي للبيئة الدقيقة القلوية يحسن تكوين العظم للخلايا الجذعية الوسيطة لنخاع العظم البشري على سطح التيتانيوم من خلال مسار ITG/FAK/ALP
Translated title (French)
La distribution faciale d'un microenvironnement alcalin améliore l'ostéogenèse des cellules souches mésenchymateuses de la moelle osseuse humaine sur une surface en titane par la voie ITG/FAK/ALP
Translated title (Spanish)
La fácil distribución de un microambiente alcalino mejora la osteogénesis de las células madre mesenquimales de la médula ósea humana en una superficie de titanio a través de la vía ITG/FAK/ALP

Identifiers

Other
https://openalex.org/W3177440420
DOI
10.1186/s40729-021-00341-y

Is supplement to
https://openalex.org/W4283748545 (Other)
https://openalex.org/W4235115450 (Other)
https://openalex.org/W3200575813 (Other)
https://openalex.org/W2588017484 (Other)
https://openalex.org/W24241231 (Other)
https://openalex.org/W2353286404 (Other)
https://openalex.org/W2184059842 (Other)
https://openalex.org/W2039448824 (Other)
https://openalex.org/W2036363717 (Other)
https://openalex.org/W2001764992 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
China

References

  • https://openalex.org/W1951117771
  • https://openalex.org/W1966382221
  • https://openalex.org/W1991053758
  • https://openalex.org/W1991098848
  • https://openalex.org/W1997778906
  • https://openalex.org/W1999388244
  • https://openalex.org/W2007534518
  • https://openalex.org/W2011093880
  • https://openalex.org/W2011265421
  • https://openalex.org/W2017309738
  • https://openalex.org/W2028713594
  • https://openalex.org/W2047989797
  • https://openalex.org/W2050466561
  • https://openalex.org/W2059511621
  • https://openalex.org/W2067787274
  • https://openalex.org/W2091501085
  • https://openalex.org/W2122229606
  • https://openalex.org/W2147112206
  • https://openalex.org/W2150070711
  • https://openalex.org/W2167071495
  • https://openalex.org/W2168830263
  • https://openalex.org/W2170687885
  • https://openalex.org/W2211104509
  • https://openalex.org/W2342699305
  • https://openalex.org/W2516695587
  • https://openalex.org/W2519031070
  • https://openalex.org/W2625466217
  • https://openalex.org/W2761574076
  • https://openalex.org/W2763427433
  • https://openalex.org/W2789465595
  • https://openalex.org/W2891230277
  • https://openalex.org/W2990526317
  • https://openalex.org/W771496350