Pinna caudale del pesce zebra come modello per studiare il ruolo dei probiotici nella rigenerazione ossea

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 8057 (2022) Citare questo articolo

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I probiotici sono microrganismi vivi che conferiscono numerosi effetti benefici all’ospite, compreso il miglioramento della mineralizzazione ossea. Tuttavia, l’azione dei probiotici sulla rigenerazione ossea non è ben studiata e pertanto abbiamo analizzato vari effetti del trattamento probiotico sulla rigenerazione della pinna caudale del pesce zebra. L'analisi morfologica ha rivelato un'area rigenerata aumentata con segmenti di lepidotrichia più corti e più spessi dopo il trattamento con probiotici. L'analisi delle immagini con spettroscopia a infrarossi in trasformata di Fourier ha evidenziato la distribuzione dei gruppi fosfato nelle alette rigenerate e il gruppo probiotico ha mostrato quantità più elevate di idrossiapatite ben cristallizzata. A metà della rigenerazione (5 giorni dopo l’amputazione), i probiotici sono stati in grado di modulare vari stadi della differenziazione degli osteoblasti, come confermato dalla sovraregolazione di alcuni geni marcatori chiave come runx2b, sp7, col10a1a, spp1 e bglap, oltre a sopprimere l’attività degli osteoclasti, come evidenziato. dalla downregulation del ctsk. I probiotici hanno anche causato un potenziamento del ciclo cellulare regolando l’espressione dei geni coinvolti nelle vie di segnalazione dell’acido retinoico (rarga, cyp26b1) e Wnt/β-catenina (ctnnb1, ccnd1, axin2, sost) e hanno anche modulato l’omeostasi del fosfato aumentando i livelli di entpd5a. . Questi risultati forniscono nuove prospettive per l’uso dei probiotici come trattamento profilattico per accelerare la rigenerazione ossea e migliorare la salute dello scheletro sia in acquacoltura che in campo biomedico.

I probiotici sono microbi benefici che possono esercitare numerosi benefici sulla salute dell'ospite, compresi effetti sul metabolismo osseo, come riportato in vari modelli animali come pollame e roditori1,2,3. Inoltre, nel modello del pesce zebra, pochi studi hanno fornito prove chiare del ruolo dei probiotici nell’accelerare la scheletricogenesi e la mineralizzazione4,5. La somministrazione di probiotici modula fondamentalmente il microbioma ospite6 che, come è stato dimostrato, influenza il metabolismo osseo in molti modi possibili, tra cui la produzione di metaboliti7, percorsi interattivi ormonali, risposte osteoimmunologiche8 o tramite la sintesi di vitamine9. Molte specie probiotiche come Bacillus subtilis sono note per produrre vitamine con proprietà osteogeniche come la vitamina K210.

La pinna caudale del pesce zebra è emersa come un sistema modello di grande successo per lo studio dei meccanismi di base della rigenerazione dei tessuti. In condizioni di laboratorio, presenta numerosi vantaggi di studio, come la facile tracciabilità dal vivo, l'accessibilità alle pinne e l'assenza di gravi effetti dannosi sui pesci che causano amputazioni11. Il pesce zebra, come modello genetico per la rigenerazione ossea, offre il valore aggiuntivo per tradurre i risultati in una prospettiva biomedicinale nelle medicine rigenerative umane12,13. Nella pinna rigenerante è stata rilevata l'espressione di ortologhi per importanti attori molecolari osteogenici dei mammiferi come la β-catenina oltre agli ortologhi per i suoi bersagli a valle14,15,16. Il pesce zebra rigenera le pinne caudali amputate creando cellule blastemali limitate dal lignaggio17,18. Dopo l'amputazione parziale, la pinna con raggi ossei e tessuto molle inter-raggio si rigenera in modo molto robusto attraverso la formazione del blastema, che sono popolazioni di cellule progenitrici mesenchimali limitate al lignaggio formate tramite de-differenziazione di cellule moncone mature19,20. Il pool di osteoblasti dedifferenziati nel blastema prolifera, si ri-differenzia esclusivamente in osteoblasti non proliferanti e deposita matrice ossea durante la progressione della rigenerazione19. Queste fasi di differenziazione sono caratterizzate da vari marcatori di stadio degli osteoblasti come il fattore di trascrizione 2b della famiglia RUNX (runx2b) per i progenitori degli osteoblasti verso la parte distale del blastema prossimale, seguito dagli osteoblasti positivi al fattore di trascrizione sp7 (sp7 o osterix) e infine dal gamma-carbossiglutammato osseo ( osteoblasti maturi positivi alla proteina gla (bglap o osteocalcina) all'estremità prossimale21. La riespressione di sp7 e la diminuzione di bglap risultano essere indicatori di de-differenziazione delle cellule nel blastema durante la rigenerazione22. Numerose altre vie di segnalazione, tra cui RA (acido retinoico)23 e Wnt/β-catenina24,25, sono state identificate come essenziali per la rigenerazione delle pinne.