2碱性磷酸酶活性520
ChineseJournalofPathophysiology2012,28(8):1455-1460·1455·
[文章编号]1000-4718(2012)08-1455-06
木通皂苷D通过丝裂原活化蛋白激酶信号通路
*
促进大鼠骨髓间充质干细胞分化为成骨细胞
1222222
张云辉△,刘成成,祝爱珍,陈小宇,刘革修,何冬梅,谭广销
2
(暨南大学1附属第一医院校门诊部,医学院血液病研究所,广东广州510632)
[摘要]目的:探讨木通皂苷D(ASD)是否促进大鼠骨髓间充质干细胞(BMSCs)分化为成骨细胞及其机
制。方法:分离培养大鼠BMSCs;观察ASD对其向成骨细胞分化的影响以及p38丝裂原激活蛋白激酶(p38MAPK)抑制剂SB203580和细胞外信号调节激酶(ERK)抑制剂PD098059的干预作用;检测BMSCs分化过程中碱性磷酸酶(ALP)活性和骨钙素(OC)含量;实时荧光定量PCR检测护骨素(OPG)和核因子κB受体活化因子配体(RANKL)mRNA的表达;Westernblotting法检测p38MAPK和ERK活性水平。结果:ASD处理后第9d,成骨性分RANKLmRNA的表达量明显降低,同时显著提高BMSCs分化为成骨细胞化标志物OPGmRNA表达量明显增高,
的ALP活性和OC的表达,而且p38MAPK和ERK活性也显著增加。SB203580和PD098059则显著抑制ASD的成骨作用。结论:ASD在体外具有促进大鼠BMSCs向成骨细胞分化的作用,这一作用与MAPK途径的p38MAPK和ERK蛋白有关。
[关键词]木通皂苷D;间充质干细胞;成骨细胞;分化;信号通路[中图分类号]R332
[文献标志码]A
doi:10.3969/j.issn.1000-4718.2012.08.021
AkebiasaponinDpromotesdifferentiationofbonemarrowmesenchymal
stemcellsintoosteoblaststhroughMAPKsignalingpathways
ZHANGYun-hui1,LIUCheng-cheng2,ZHUAi-zhen2,CHENXiao-yu2,LIUGe-xiu2,HEDong-mei2,TANGuang-xiao2
2
(1CampusClinic,theFirstAffiliatedHospital,InstituteofHematology,SchoolofMedicine,JinanUniversity,Guangzhou
510632,China.E-mail:z001yh@163.com)
[ABSTRACT]AIM:ToexploretheroleofAkebiasaponinD(ASD)inthedifferentiationofratbonemarrow-derivedmesenchymalstemcells(BMSCs)intoosteoblasts.METHODS:TheratBMSCswereculturedusingroutinemethods.TheeffectsofASDonthedifferentiationofMSCsintoosteoblastswereobserved.Thep38mitogen-activatedproteinkinase(p38MAPK)inhibitorSB203580andextracellularsignal-regulatedkinase(ERK)inhibitorPD098059wereusedtoevaluatethemechanisms.Theactivityofalkalinephosphate(ALP)andcontentofosteocalcin(OC)wereas-sayedduringdifferentiation.ThemRNAexpressionofosteoprotegerin(OPG)andreceptoractivatorofnuclearfactor-κBligand(RANKL)wasdeterminedbyreal-timefluorescencequantitativePCR.Theactivityofp38MAPKandERKwasmeasuredbyWesternblotting.RESULTS:SixdaysaftertreatmentwithASD,themRNAexpressionofOPGsignificantlyincreased,whilethemRNAlevelofRANKLsignificantlydecreasedininducedcells.ASDincreasedtheactivityofALPandthecontentofOC.Moreover,ASDenhancedtheactivityofbothp38MAPKandERK,whichwasinhibitedbySB203580andPD098059.SB203580andPD098059alsoinhibitedthepositiveroleofASDinthedifferentiationofMSCsintoosteoblasts.CONCLUSION:AkebiasaponinDsignificantlyenhancesdifferentiationofratBMSCsintoosteoblastsinvitro,whichmaybemediatedbythep38MAPKandERKsignalingpathways.
[KEYWORDS]AkebiasaponinD;Mesenchymalstemcells;Osteoblast;Differentiation;Signalingpathway
骨髓间充质干细胞(bonemarrowmesenchymalstemcells,BMSCs)亦称骨髓基质干细胞(bonemar-
[收稿日期]2012-04-09[修回日期]2012-06-13
*[基金项目]国家自然科学基金资助项目(No.30670902)△通讯作者Tel:020-85225658-809;E-mail:z001yh@163.com
·1456·
rowstromalcells,BMSCs),主要存在于机体骨髓腔
[1-3]
。其向中,具有干细胞特性,具有多向分化能力液以去除未贴壁细胞和各种杂质,加入5mL新鲜完
全培养液。此后每隔2~3d换液1次,倒置相差显
骨折修复和骨质疏松微镜下观察细胞生长状况,成骨分化特性是骨组织工程、直至细胞接近80%汇合
等研究的理论基础。木通皂苷D(AkebiasaponinD,时进行传代。此后每隔3~4d传代1次。取第4代ASD)是续断、木通药材的主要活性成分,又称川续细胞进行MSCs鉴定:成骨分化采用茜素红染色、成
[4]断皂苷IV,具有明确的药理活性,主要用于制备防脂分化细胞采用油红O染色、流式细胞术检测表面治骨质疏松和/或促进骨愈合的药物。有研究表明,标记CD44和CD45。ASD可促进成骨细胞增殖、分化,提高成骨细胞的活2.2ASD对BMSCs成骨分化的影响取第4代性和数量,促进基质钙化、骨痂生长,从而防止骨质已鉴定的BMSCs为研究对象,根据不同实验需要将
疏松、促进骨折的愈合
[5]
。目前研究表明,骨髓间充
质干细胞向成骨细胞定向分化,主要通过细胞外信号调节激酶1/2(extracellularsignal-regulatedkinase1/2,ERK1/2)和p38丝裂原激活蛋白激酶(p38mi-togen-activatedproteinkinase,p38MAPK)信号通路
细胞种植于培养皿或培养板中,加入成骨诱导液(含
10%胎牛血清、1×105U/L青霉素及100mg/L链霉10-8mol/L地塞米松、10mmol/Lβ-甘油磷酸素、
50mg/L抗坏血酸的DMEM低糖培养基)培养。钠、
观察不同浓度的ASD对BMSCs成骨分化的影响:实
A组:空白对照组,调节成骨细胞特异性转录因子Runx2的转录活性,验分6组,正常培养MSCs;B组:
Runx2则调节下游成骨性标志物的表达,例如护骨素实验对照组,成骨诱导分化MSCs;C组:成骨诱导液(osteoprotegerin,OPG)、核因子κB受体活化因子配体(receptoractivatorofnuclearfactor-kappaBlig-培养+ASD(0.1μmol/L);D组:成骨诱导液培养+ASD(1.0μmol/L);E组:成骨诱导液培养+ASD(10μmol/L);F组:成骨诱导液培养+ASD(1.0μmol/L)+SB203580(20μmol/L)+PD098059(50μmol/L)。1.0μmol/LASD是根据预实验分析得出的实验适合浓度。
2.3ALP活性的测定
取已鉴定的BMSCs,以1×
108/L的密度接种于96孔板,每孔100μL,设5个复6、9和12d测定孔。各组于成骨性诱导培养第3、ALP活性,检测时将细胞洗涤后以0.2%TritonX-100裂解液及反复冻融法充分裂解,裂解液经低温离
取上清50μL,按试剂心机12000×g离心10min,
盒说明书进行操作,于酶标仪520nm波长处测定
ALP值。ALP活性以mmol·L-1·min-1·(gpro-表示。
2.4采用ELISA法检测骨钙素(osteocalcin,OC)的含量成骨诱导培养后每3d换液1次,每次换液
6、于-20℃保存,收集第3、时留取1mL旧培养液,tein)
-1
[6-9]
and,RANKL)等,。本研促进MSCs的成骨分化
究观察ASD是否促进大鼠骨髓间充质干细胞向成骨
细胞分化及其对ERK和p38MAPK活性的影响。
材
1
料和方法
材料
4周龄雄性SD大鼠购自中山大学实验动物中心;DMEM培养基、胎牛血清和胰蛋白酶购自Gibco;青霉素和链霉素购自华北制药;细胞裂解液、地塞米松、β-甘油磷酸钠和DMSO购自Sigma;SB203580
和PD098059购自Gibco;碱性磷酸酶(alkalinephos-phatase,ALP)测定试剂盒购自南京建成生物工程研究所;细胞茜素红钙染色试剂盒购自上海杰美基因
p-ERK1/2、p38和p-p38医药有限公司;ERK1/2、抗体购自SantaCruz。
2方法2.1
大鼠骨髓间充质干细胞的分离培养按照文9和12d各组的样品,采用ELISA法检测骨钙素的[9]献,取4周龄雄性SD大鼠利用颈椎脱臼法处死,分泌量,以μg/L表示,具体操作步骤按试剂盒说明然后用75%乙醇浸泡5min,在无菌条件下分离出两书进行。侧股骨及胫骨,剔除干净表面附着的肌肉、筋膜等组2.5成骨性分化基因表达收集第12d各组的细织,剪去股骨近端和胫骨远端,充分暴露骨髓腔,用胞,用Trizol试剂按照常规方法抽提总RNA,采用DMEM完全培养基(含10%胎牛血清、1×105U/L青霉素及100mg/L链霉素)反复冲洗骨髓腔,直至
A260/A280比值来确定总RNA的质量,并用2%琼脂糖
电泳检测其完整性。应用随机引物和反转录酶试剂骨髓腔发白,收集细胞转移至15mL的离心管中,盒反转录合成cDNA第1链,按常规方法进行。使1000r/min离心8min,弃上清,混成细胞悬液,约2用SYBRPremixExTaqTMReal-timePCR试剂盒配×106个细胞接种于25cm2培养瓶中,标记为原代P0,5%CO2的培养箱中培养。24h后换置于37℃、
制20μLPCR反应体系,采用实时荧光定量PCR法
RANKLmRNA表达情检测成骨性基因OPGmRNA、
·1457·
况。反应条件为:荧光定量PCR93℃3min,然后93℃1min,55℃1min,72℃1min,共40个循环。以目的基因扩增量/内参照(β-actin)基因扩增量表示所要检测基因的表达量。OPG/RANKLmRNA的
-Ct
相对表达量以公式2Δ表示,其中ΔCt=Ct(OPG/RANKL)-Ct(β-actin)。实时定量PCR引物及探针:OPG:sensestrand(5'-3')CGGCACATTGGA-
CATGCTAA;anti-sensestrand(5'-3')TCCCGGTA-AGCTTTCCATCA;probe(5'-3')FAM-TCACCTTC-GAGCAGCTTCGTAGC-TAMRA。RANKL:sensestrand(5'-3')CGATGGTGGATGGCTCATG;anti-sensestrand(5'-3')TGAGCAAAAGGCTGAGCTTCA;probe(5'-3')FAM-TTAGATCTGGCCAAGAGGAG-CAAGC-TAMRA。β-actin:sensestrand(5'-3')GCGCGGCTACAGCTTCA;anti-sensestrand(5'-3')TCTCCTTAATGTCACGCACGAT;probe(5'-3')FAM-CACCACGGCCGAGCGGGA-TAMRA。2.6
图1
Figure1.TheBMSCsisolatedfromratbonemarrow(×200).
A:theprimarycells;B:thefourthgenerationcells;C:oilredOstainingafteradipogenicinductionofdiffer-entiation;D:alizarinredstainingafterosteogenicin-ductionofdifferentiation.分离培养的大鼠骨髓间充质干细胞
Westernblotting检测ERK和p38MAPK的表2ASD对BMSCsALP活性影响
6、9和12d均常规成骨诱导分化的细胞在第3、达及活性细胞处理48h后,用预冷的PBS洗2遍,
且逐渐增加,其活性与正常MSCs相比差4℃裂解30min,12000r/min离心表达ALP,加入细胞裂解液,
10min,取上清液,用BCA蛋白质定量试剂盒进行蛋异显著(P<0.01);低剂量ASD对细胞成骨分化则转移白定量。50μg总蛋白经SDS-PAGE分离后,
50g/L脱脂牛奶常温下封闭1h,用到PVDF膜上,
p38(1∶1000)、p-ERK1/2Ⅰ抗ERK1/2(1∶1000)、
(1∶1000)、p-p38(1∶1000)、β-actin(1∶5000)分
用TBST洗3次,每次10min,加入别4℃孵育过夜,
Ⅱ抗(1∶2500)孵育1.5h,再用TBST洗3次,每次
10min。将膜用发光试剂ECL显色,暗室曝光,凝胶成像系统分析结果。3统计学处理
6、9和12dALP活性与常规成作用不明显,在第3、
骨分化相比无显著差异(P>0.05);中、高剂量ASD6、9和12dALP活则促进MSCs成骨分化,在第3、
性与常规成骨分化相比差异显著(P<0.01),中、高剂量ASD之间无显著差异(P>0.05);p38MAPK抑制剂SB203580(20μmol/L)和ERK抑制剂PD098059(50μmol/L)则抑制MSCs成骨分化,第3、6、9和12dALP活性与其它成骨分化组相比差异显著(P<0.01)。
3ASD对BMSCs诱导分化过程中OC分泌的影
A组在第3、6、9和12d仅有微量OC生成;B组
±s)表示,数据以均数±标准差(x珋采用SPSS
13.0软件处理数据,组间比较采用单因素方差分析,响以P<0.05为差异有统计学意义。
结
1
果
6、9和12dOC含量与A组相比差异显著(P在第3、
<0.01);D组在第3、6、9和12dOC含量明显增多,6、9、与B组相比差异显著(P<0.01);F组在第3、12dOC含量明显降低,D组相比差异显著(P与B、<0.01),见图1。这说明1.0μmol/LASD对MSCs成骨分化具有促进作用。
大鼠骨髓间充质干细胞的分离培养骨髓细胞接种24h后,大部分细胞仍然悬浮,少
4ASD对BMSCs诱导分化过程中OPG与分离纯化骨髓间充质干细胞,第3代细胞形态单一,
RANKL表达的影响
呈梭形,可见集落形成,细胞增生活跃。第4代细胞
正常培养的MSCs几乎不表达OPG和RANKL
进行成骨成脂分化鉴定显示可以分化为成骨细胞和
mRNA,成骨诱导分化培养的细胞在第9d表达了一
脂肪细胞,见图1;流式细胞术检测CD44表达率为
定量的OPGmRNA和RANKLmRNA,两者比值为
93.50%,CD45表达率为0.21%
。
1.52±0.45;1.0μmol/LASD则可以进一步促进其
2~3d后量细胞贴壁生长、呈梭形,细胞生长缓慢,
7d左右达融合。通过传代、常规贴壁法增殖加快,
·1458·
OPGmRNA的表达,两者比值增加为3.87±1.20,与实验对照组相比差别有统计学意义(P<0.05);而SB203580(20μmol/L)和PD098059(50μmol/L)则
表1
protein)GroupABCDEF
-1
可显著抑制OPG的表达,两者比值增加为1.13±0.32,D组相比差别有统计学意义(P<分别与B、0.05),见图2。
ASD对BMSCs成骨分化过程中碱性磷酸酶活性的影响
Table1.EffectsofAkebiasaponinD(ASD)onALPactivityofBMSCsduringdifferentiationtoosteoblasts[mmol·L-1·min-1·(g
.x±s.n=5]珋
3d0.22±0.20
*
1.99±0.21*
6d0.23±0.19
*
2.63±0.20*
9d0.23±0.22
*
3.19±0.21*
12d0.23±0.14
*
3.01±0.25*
2.02±0.112.62±0.23##2.53±0.23##1.45±0.21△△
2.69±0.233.29±0.24##3.15±0.24##1.43±0.22△△
3.20±0.263.90±0.26##3.69±0.26##1.39±0.21△△
3.08±0.153.54±0.25##3.43±0.25##1.42±0.21△△
A:normalMSCs;B:MSCsafterosteogenicinduction;C:MSCsafterosteogenicinductionandtreatedwithASD(0.1μmol/L);D:MSCsafterosteogenicinductionandtreatedwithASD(1.0μmol/L);E:MSCsafterosteogenicinductionandtreatedwithASD(10μmol/L);F:MSCsafterosteogenicinduction,andtreatedwithASD(1.0μmol/L)+SB203580(20μmol/L)+PD098059(50
*
P<0.01vsAgroup;##P<0.01vsBgroup;△△P<0.01vsDorEgroup.μmol/L).*
表2
GroupABDF
3d
ASD对BMSCs成骨分化过程中骨钙素分泌的影响
6d3.63±0.80
*
52.69±1.96*
Table2.EffectsofASDonosteocalcinsecretionofBMSCscellsduringdifferentiationtoosteoblasts(μg·L-1.x±s.n=5)珋
9d3.74±0.81
*
53.60±2.47*
12d3.61±0.80
*
53.08±2.05*
3.69±0.79
*
52.02±2.41*
56.66±2.53##5.95±1.07△△
57.35±1.75##5.13±1.06△△
60.15±2.27##5.26±1.06△△
59.63±2.19##5.17±1.06△△
A:normalMSCs;B:MSCsafterosteogenicinduction;D:MSCsafterosteogenicinductionandtreatedwithASD(1.0μmol/L);
*
F:MSCsafterosteogenicinductionandtreatedwithASD(1.0μmol/L)+SB203580(20μmol/L)+PD098059(50μmol/L).*P<
0.01vsAgroup;##P<0.01vsBgroup;△△P<0.01vsDgroup.
5
ASD对BMSCs向成骨细胞分化过程中ERK和p38MAPK的影响
成骨诱导分化过程中ASD(1.0μmol/L)处理的细胞不仅表达ERK和p38MAPK水平总量显著增
主要是由于成骨细胞形成不足和破种系统性骨病,
骨细胞吸收亢进所致的骨重建失衡。ALP是主要分布于细胞膜的钙结合转运蛋白,一种较为肯定的成骨细胞分化的早期指标,促进细胞成熟、钙化,它的
ALP活性越加,而且p-ERK1/2和p-p38MAPK也显著增加。表达和分泌会随着细胞的分化而增强,
SB203580(20μmol/L)和PD098059(50μmol/L)则强表明成骨细胞骨形成的状况越好。骨钙素是骨质可显著抑制p-ERK1/2和p-p38MAPK水平,见钙化必需的因子,维持骨组织的正常矿化。ALP和图3。骨钙素分别是成骨细胞早期和中期分化的标志物。
讨论
BMSCs用成骨诱导液加1μmol/LASD本研究发现,
培养,在细胞分化过程中碱性磷酸酶和骨钙素合成较对照组增多,说明ASD可促进BMSCs向成骨细
BMSCs在ASD作用后第胞分化。研究结果还显示,
9d,碱性磷酸酶和骨钙素合成最多,说明ASD在细
胞内起作用的时间需要9d左右。
MAPK是一系列丝氨酸/苏氨酸激酶,是介导细胞反应的重要信号系统,包括3个信号途径蛋白:ERK、c-Jun氨基末端激酶(JNK)和p38MAPK。它在细胞增们可激活多种转录因子来调控基因表达,
BMSCs具有多向分化潜能,能促进间充质组织的再生,如:骨、软骨、肌肉、韧带、肌腱、脂肪及基质
等组织。自体骨髓间充质干细胞移植不会发生免疫BMSCs占骨髓有核细胞总排斥反应,但是在骨髓中,
数的0.001%~0.1%,含量极低。因此,体外培养获取骨髓间充质干细胞并诱导分化为成骨细胞,已经成为骨组织工程等的研究热点。
骨组织由细胞和骨基质组成。骨质疏松症是一
·1459·
Figure2.EffectsofASDonexpressionofOPG/RANKLduring
BMSCsdifferentiation.A:normalcontrol;B:osteogenicdifferentiation;Dosteogenicdifferentiation+ASD(1.0μmol/L);F:osteogenicdifferentiation+ASD(1.0μmol/L)+SB203580(20μmol/L)+PD098059(50
*
±s.n=5.*P<0.01vsAgroup;##P<μmol/L).x珋
0.01vsBgroup;△△P<0.01vsDgroup.
图2BMSCs分化过程中ASD对BMSCsOPG/RANKL的
影响
殖、分化、运动及凋亡等多种生理过程中起着至关重
[10-12]
。要的作用
Suzuki等[13]研究发现,以MAPK细胞信号转导
MAPK通路主通路在成骨细胞的活化中最为重要,
要参与成骨细胞的分化,破骨细胞的形成和凋亡,并且在RANKL/RANK/OPG系统中具有主要的调控作用,是骨质疏松症发病的重要细胞信号途径。
Giner等[14]研究表明,成骨细胞能分泌OPG和RANKL,具有调节破骨细胞分化、发育的作用,其与
RANK破骨细胞上的RANK形成了一个骨调节轴,
RANK介导的信号是破骨细是RANKL的唯一受体,
活化的一道关键闸门。OPG抑制骨吸收功胞分化、
其中能通过与RANKL竞争性结合RANK来实现,
OPG扮演RANKL的诱饵性受体角色。RANKL与RANK结合后启动RANKL信号转导,OPG则与RANKL竞争性结合RANK,RANKL/OPG浓度比决
RANKL、RANK成熟及功能。因此,定破骨细胞分化、
和OPG形成了一个调节破骨细胞分化、成熟、功能的轴,这个调节轴也是影响破骨细胞分化、发育,调节其功能唯一的、最终的途径,
在多种骨质疏松中起重
Figure3.EffectsofASDonexpressionofp-ERK1/2andp-p38MAPKduringBMSCsdifferentiation.A:normalcontrol;B:osteo-genicdifferentiation;D:osteogenicdifferentiation+ASD(1.0μmol/L);F:osteogenicdifferentiation+ASD(1.0μmol/
*
L)+SB203580(20μmol/L)+PD098059(50μmol/L).x±s.n=5.*P<0.01vsAgroup;##P<0.01vsBgroup;△△P珋<0.01vsDgroup.
图3ASD对BMSCs向成骨细胞分化过程中ERK和p38MAPK的影响
·1460·
要作用。本研究发现ASD可以上调BMSCsOPGmRNA表达,下调RANKLmRNA表达,使得OPG/RANKL比值升高;另外,本研究结果发现成骨诱导分化过程中川续断皂苷VI(1.0μmol/L)处理的细胞表达ERK和p38MAPK水平总量显著增加,说明ASD可能通过上调OPG/RANKL,使得ERK和p38MAPK通路蛋白增加,进而诱导BMSCs向成骨细胞分化。
ASD可以促进大鼠骨髓间充质干本研究提示,
细胞向成骨细胞分化,并可以上调OPG/RANKL,增加ERK和p38MAPK蛋白表达,对于探讨外伤、骨折后利用ASD治疗,促进骨髓间充质干细胞向成骨细胞方向分化,促进骨愈合的机制具有重要意义。
[参
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