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Betaine alleviates alcohol-induced osteonecrosis of the femoral head via mTOR signaling pathway regulation - 13/11/19

Doi : 10.1016/j.biopha.2019.109486 
Qianhao Yang a, Wenjing Yin a, Yixuan Chen a, Daoyu Zhu a, Junhui Yin a, b, Changqing Zhang a, b, , Youshui Gao a,
a Department of Orthopaedic Surgery, Shanghai Jiao Tong University Affiliated Sixth People’s Hospital, Shanghai, 200233, China 
b Institute of Microsurgery on Extremities, Shanghai, 200233, China 

Corresponding author.⁎⁎Corresponding author at: Department of Orthopaedic Surgery, Shanghai Jiao Tong University Affiliated Sixth People’s Hospital, Shanghai 200233, China.Department of Orthopaedic SurgeryShanghai Jiao Tong University Affiliated Sixth People’s HospitalShanghai200233China

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Abstract

Osteonecrosis of the femoral head (ONFH) is usually caused by chronic and excessive alcohol dependency, and this condition largely suppresses the osteogenic differentiation of bone mesenchymal stem cells (BMSCs). As a trimethyl derivative of glycine, betaine is an important human nutrient that regulates a series of vital biological processes, including oxidative stress, inflammatory responses, osteoblast differentiation and cellular apoptosis. However, no study has investigated the role of betaine in alcohol-induced ONFH. In this study, we hypothesized that betaine might have protective effects on ethanol-treated BMSCs and decrease the morbidity of alcohol-induced ONFH in a rat model. In vitro, we found that ethanol significantly downregulated the expression of osteocalcin (OCN), collagen 1 (COL1) and RUNX2 via activating the mammalian target of rapamycin (mTOR) signaling cascade. However, the inhibitory effects were rescued by betaine co-treatment at concentrations of 1 mM and 10 mM. In vivo, the typical ONFH pathological changes in a rat model of alcohol-induced ONFH were investigated by using multiple methods, including hematoxylin-eosin staining, micro-CT scans, TdT-mediated dUTP nick end labeling (TUNEL) assays and immunohistochemical staining for OCN and COL1. Osteonecrotic lesions of the femoral head could be alleviated by betaine as evidenced by significant histological and radiological improvements. Collectively, betaine plays a protective role against ethanol-induced suppression of osteogenesis and mineralization of hBMSCs and is thus a potential pharmacotherapy for alcohol-induced ONFH in vivo.

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Abbreviations : ALP, ARS, BMD, BMP, BMSCs, EDTA, mTOR, OCN, ONFH, TUNEL

Keywords : osteonecrosis of the femoral head, alcohol, betaine, mTOR pathway


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Vol 120

Article 109486- décembre 2019 Retour au numéro
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