The effect of betulinic acid on human mesenchymal stem cell proliferation, osteogenic and adipogenic differentiation

Abstract

The effects of betulinic acid (BetA) on the proliferation, osteogenic differentiation, and adipogenic differentiation of human mesenchymal stem cells (hMSCs) were examined in this work. The results indicated that BetA 0-50 µM had no effect on the viability of UE7T-13 cells after 24 hours. During osteogenesis, BetA increased alkaline phosphatase (ALP) activity, calcium deposition, and osteogenic marker genes. BetA 5-20 µM inhibited the development of human mesenchymal stem cells into adipocytes. It inhibited glycerol 3-phosphate dehydrogenase (GPDH) activity, total lipid content, and lipid droplet formation. Additionally, BetA stimulated the development of brown adipocytes. Brown adipocytes regulate metabolic processes and have smaller lipid droplets than white adipocytes. BetA concentrations of 15 and 20 µM increased the ratio of small lipid droplets (<1 µm2) while decreasing the ratio of large lipid droplets (≥2 µm2). The qRT-PCR results indicated that BetA significantly suppressed the expression of C/EBP-α, a white adipocyte marker, and elevated brown adipocyte markers PGC-1α and UCP-1. BetA also suppressed adiponectin and leptin secretion by more than 24%. Notably, BetA boosted hMSC glucose absorption and metabolic activity during adipogenesis. This result indicated that BetA inhibited white adipocyte differentiation in hMSCs while inducing brown adipocyte differentiation. BetA had an effect on the expression of mRNA, enzyme activity, lipid accumulation, lipid droplet size, and glucose uptake. Additionally, BetA promoted osteogenic development of human mesenchymal stem cells (hMSCs) by increasing mRNA expression, enzyme activity, and calcium deposition. BetA demonstrated potential for the prevention and treatment of illnesses caused by an imbalance between osteogenesis and adipogenesis.

งานวิจัยนี้ศึกษาผลของกรดเบทูลินิกต่อการเจริญและเปลี่ยนแปลงสภาพไปเป็นเซลล์สร้างกระดูกและเซลล์ไขมันของเซลล์ต้นกำเนิดชนิดมีเซนไคม์ของมนุษย์ พบว่าที่เวลา 24 ชั่วโมง กรดเบทูลินิกความเข้มข้น 5-50 µM ไม่มีความเป็นพิษต่อเซลล์ไลน์ UE7T-13 กรดเบทูลินิกชักนำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงสภาพไปเป็นเซลล์สร้างกระดูกเพิ่มขึ้น โดยเพิ่มการทำงานของเอนไซม์ Alkaline phosphatase, การสะสมแคลเซียม, และการแสดงออกของยีนกระดูก ในขณะที่กรดเบทูลินิก 5- 20 µM ยับยั้งการเปลี่ยนแปลงสภาพไปเป็นเซลล์ไขมัน โดยยับยั้งการทำงานของเอนไซม์ glycerol 3-phosphate dehydrogenase, การสะสมไขมัน, และจำนวนของหยดไขมัน นอกจากนี้กรดเบทูลินิกยังส่งเสริมการเปลี่ยนแปลงสภาพไปเป็นไขมันสีน้ำตาลซึ่งทำหน้าที่เกี่ยวกับการเผาผลาญพลังงาน โดยเซลล์ไขมันสีน้ำตาลจะมีหยดไขมันขนาดเล็กกว่าเซลล์ไขมันสีขาวซึ่งทำหน้าที่ในการสะสมไขมัน จากผลการศึกษาพบว่ากรดเบทูลินิก 15 และ 20 µM เพิ่มสัดส่วนของหยดไขมันขนาดเล็ก (<1 µm2) ในขณะที่ลดสัดส่วนของหยดไขมันขนาดใหญ่ (≥2 µm2) จากผลการศึกษาด้วยเทคนิค qRT-PCR พบว่ากรดเบทูลินิกยับยั้งการแสดงออกของยีน C/EBP-α ซึ่งมีบทบาทสำคัญต่อการเปลี่ยนแปลงสภาพไปเป็นเซลล์ไขมันสีขาว ในขณะที่ส่งเสริมการแสดงออกของยีน PGC-1α และ UCP-1 ซึ่งมีบทบาทเกี่ยวกับการเปลี่ยนแปลงไปเป็นเซลล์ไขมันสีน้ำตาล กรดเบทูลินิกยังยับยั้งการหลั่ง Adiponectin และ Leptin โดยปริมาณการหลั่งลดลงมากกว่าร้อยละ 24 และที่น่าสนใจ กรดเบทูลินิกเพิ่มการดูดซึมกลูโคสและกิจกรรมการเผาผลาญของเซลล์ ในระหว่างที่เซลล์ถูกชักนำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงสภาพไปเป็นเซลล์ไขมัน จึงสรุปได้ว่ากรดเบทูลินิกยับยั้งการเปลี่ยนแปลงสภาพไปเป็นเซลล์ไขมันสีขาว ในขณะที่เพิ่มการแสดงออกของเซลล์ไขมันสีน้ำตาล โดยส่งผลในระดับการแสดงออกของยีน, เอนไซม์ที่เกี่ยวข้องกับการสะสมไขมัน, การสะสมไขมัน, ขนาดของหยดไขมัน, และการดูดซึมกลูโคส นอกจากนี้กรดเบทูลินิกยังส่งเสริมการเปลี่ยนไปเป็นเซลล์สร้างกระดูก โดยเพิ่มการแสดงออกของยีน, การทำงานของเอนไซม์, และการสะสมแคลเซียม จึงเป็นไปได้ที่จะนำเอากรดเบทูลินิกมาประยุกต์ใช้ในการป้องกันและรักษาโรคที่มีสาเหตุมาจากความผิดปกติของสมดุลในการเปลี่ยนแปลงไปเป็นเซลล์กระดูกและเซลล์ไขมันของเซลล์ต้นกำเนิดชนิดมีเซนไคม์