Genetic regulation of osteoblastic cells in reaction to a magnesium corrosion environment

Abstract

Magnesium-based implants exhibit several advantages, such as biodegradability and the enhancement of in vivo bone formation. Nonetheless, the degradation of magnesium may induce cell type-specific modifications of metabolism, which still remain unclear. To examine the mechanisms of osteoinduction, the reaction of bone-derived cells (U2OS, MG63, and SaoS2 cells and primary human osteoblasts (OB)) to magnesium (Mg) was analysed. Magnesium salt (MgCl2) was used as the simplest model system. Additionally, magnesium-based extracts were then applied to create more realistic magnesium degradation conditions. In a third approach, the cells were incubated directly on magnesium metal to investigate the influence of direct contact on metabolism. The relations between cell count, viability, and cell size and the presence of magnesium were investigated to analyse the effects on proliferation and differentiation. Additionally, the cells were seeded directly on top of pre-incubated magnesium samples, and the number of focal adhesions was analysed. Furthermore, the expression of genes involved in bone metabolism was determined by qPCR. The analysed conditions were verified with a proteomics approach analysing primary human osteoblasts. As an in vitro model system, MgCl2 yielded very heterogeneous results. Magnesium-based extracts indicated no particular stimulus, depending on the selected cell line. In contrast to these results, the experiments performed using primary human osteoblasts were remarkably different. Some osteoinductive reactions were detected for primary human osteoblasts:

I. Increased cell counts after extract addition; II. Increased cell sizes in combination with augmented adhesion behaviour after MgCl2 and extract exposure; and III. Bone remodelling gene expression patterns were observed for nearly all analysed conditions.

Thus, it can be concluded that magnesium induces enhanced in vivo bone formation in combination with other degradation factors. Proteomics revealed distinct differences in the patterns obtained under the various conditions. Osteoinductive features were confirmed at the protein level. Most striking was the frequent occurrence of calcium (Ca) binding proteins and proteins involved in cell metabolism or cell structure. In conclusion, the results obtained using the cell lines were heterogeneous and showed no specific stimulation after magnesium exposure, whereas a distinct osteoinductive effect could be demonstrated with primary human osteoblasts.

Magnesium-basierte Implantate weisen eine Reihe von Vorteilen, wie z. B. die biologische Abbaubarkeit und die Verbesserung der Knochenbildung in vivo, auf. Nichtsdestotrotz kann der Magnesiumabbau im Körper zelltypspezifische Änderungen des Stoffwechsels induzieren, welche nach jetzigem Stand der Forschung noch ungeklärt sind. Um die Mechanismen der Osteoinduktion zu untersuchen, wurde die Reaktion von Knochenzellen (U2OS, MG63, SaoS2, primäre humane Osteoblasten (OB)) nach Magnesiumexposition (Mg) analysiert. Magnesiumchlorid (MgCl2) wurde als das einfachste Modellsystem verwendet. Um Abbaubedingungen in vivo möglichst realistisch darzustellen, wurden zusätzlich magnesiumbasierte Extrakte verwendet. In einem dritten Schritt wurden die Zellen direkt auf dem Magnesium inkubiert, um den Einfluss des direkten Kontaktes auf den Stoffwechsel zu bestimmen. Der Einfluss von Magnesium auf Zellzahl, Viabilität und Zellgröße wurde analysiert, um dessen Effekt auf die Proliferation und Differenzierung zu ermitteln. Die Zellen wurden direkt auf den vorinkubierten Magnesiumproben ausgesät und zusätzlich die Anzahl der fokalen Adhäsionen ermittelt. Zusätzlich wurde mittels qPCR die Expression von Genen bestimmt, die am Knochenstoffwechsel beteiligt sind. Die zuvor untersuchten Bedingungen wurden mit einem Proteomansatz und primären humanen Osteoblasten verifiziert. MgCl2 als in vitro Modellsystem wies sehr heterogene Ergebnisse auf. Magnesium-basierte Extrakte zeigten keinen besonderen Stimulus auf die verwendeten Osteosarkomzelllinien. Im Vergleich konnte bei Verwendung von primären humanen Osteoblasten ein gegenläufiges Bild gezeigt werden. Die Ergebnisse zeigen folgende Hinweise auf Osteoinduktion bei Verwendung von primären humanen Osterblasten:

I. Eine erhöhte Zellzahl nach Extrakt-Exposition; II. Erhöhte Zellgrößen in Kombination mit einem verstärkten Haftverhalten nach MgCl2 und Extrakt-Exposition; III. Genexpressionsmuster, die den Knochenumbau unter fast allen analysierten Bedingungen begünstigen.

Diese Ergebnisse lassen den Schluss zu, dass Magnesium, in Kombination mit anderen Abbaufaktoren, die Knochenbildung in vivo induziert. Die Ergebnisse aus der Proteom-analyse zeigten deutliche Unterschiede in den Expressionsmustern unter den verschiedenen Bedingungen. Die osteoinduktiven Eigenschaften konnten auf Proteinebene bestätigt werden. Am Häufigsten zeigte sich ein erhöhtes Auftreten von Calcium (Ca)-bindenden Proteinen sowie von Proteinen, die am Zellstoffwechsel oder der Zellstruktur beteiligt sind. Zusammenfassend sind die Ergebnisse, die mit den Zelllinien erzielt wurden heterogen und zeigten keine spezifischen Stimuli nach Magnesiumexposition, während bei primären Osteoblasten ein eindeutiger osterinduktiver Effekt zu sehen ist.