DOI: https://doi.org/10.1038/s41420-025-02863-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41513615
تاريخ النشر: 2026-01-09
المؤلف: Fiorenza Sella وآخرون
الموضوع الرئيسي: أبحاث المواد الكيميائية من عائلة البيرفلوروالكيل
نظرة عامة
تدرس هذه الدراسة آثار حمض البيرفلوروأوكتانويك (PFOA) على الخلايا العظمية، وهي الخلايا المسؤولة عن إفراز مصفوفة العظام، في سياق ارتباطه بانخفاض كثافة كتلة العظام وهشاشة العظام. تركز الأبحاث على كيفية تأثير PFOA على تكاثر الخلايا العظمية وتمايزها من خلال استخدام كل من الثقافات ثنائية الأبعاد وثلاثية الأبعاد لخلايا الخلايا العظمية الجنينية البشرية (hFOB1.19). في الثقافات ثنائية الأبعاد، أدى التعرض لـ PFOA لمدة ستة أيام إلى إضعاف الدفاعات المضادة للأكسدة دون التأثير بشكل كبير على تكوين العظام أو ترسيب الكالسيوم. بالمقابل، أظهرت الكريات ثلاثية الأبعاد أن التعرض لـ PFOA أدى إلى تعطيل شكل الكريات وترسيب المصفوفة خارج الخلوية (ECM) بطريقة تعتمد على الزمن.
بالإضافة إلى ذلك، فحصت الدراسة دور مستقبل القنب 1 (CB1) في هذا السياق، كاشفة أن 10 ميكرومتر من PFOA قللت من مستويات بروتين CB1 والكولاجين في الثقافات ثنائية الأبعاد. وعلى العكس، في الكريات ثلاثية الأبعاد، زادت تركيزات أعلى من 100 ميكرومتر من PFOA لمدة يومين من مستويات CB1 بينما قللت من مستويات الكولاجين المتحلل. تسلط هذه النتائج الضوء على التأثيرات المعقدة وغير الخطية والاعتمادية على المرحلة لـ PFOA على وظيفة الخلايا العظمية وترسيب ECM، مما يشير إلى الحاجة الملحة لمزيد من الأبحاث حول الآثار طويلة الأمد للتعرض لـ PFOA على صحة العظام والتوازن.
مقدمة
تستعرض المقدمة الهيكل والوظيفة المعقدة للعظام، التي تتكون من أنواع مختلفة من الخلايا (الخلايا العظمية، الخلايا العظمية البالغة، والخلايا العظمية المدمرة) ومصفوفة خارج الخلية للعظام (ECM) تتكون من مكونات عضوية (40%) وغير عضوية (60%). توفر المصفوفة العضوية، التي تتكون أساسًا من الكولاجين من النوع الأول (COL1)، المرونة، بينما تمنح المكونات غير العضوية، التي تتكون أساسًا من هيدروكسيباتيت، القوة. يتم الحفاظ على توازن صحة العظام من خلال توازن بين تكوين العظام بواسطة الخلايا العظمية (OBs) وإعادة الامتصاص بواسطة الخلايا العظمية المدمرة (OCs). يمكن أن يؤدي تعطيل هذا التوازن إلى حالات مثل هشاشة العظام، مما يؤثر بشكل خاص على كبار السن، مع آثار كبيرة على الصحة العامة.
تسلط المقدمة أيضًا الضوء على القلق المتزايد بشأن المواد الكيميائية البيرفلورية والمتعددة (PFAS)، وهي مواد كيميائية صناعية مرتبطة بتأثيرات سلبية على صحة العظام. تم ربط التعرض لـ PFAS باضطرابات في تكوين وتمايز الخلايا العظمية، والتي قد تكون متوسطة من خلال التغيرات في نظام الإندوكانابينويد (ECS). تركز الدراسة على حمض البيرفلوروأوكتانويك (PFOA)، وهو PFAS شائع، وتأثيره على توازن الخلايا العظمية خلال مراحل مختلفة من تطوير الخلايا. من خلال استخدام كل من الثقافات ثنائية الأبعاد وثلاثية الأبعاد للخلايا العظمية، تهدف الأبحاث إلى توضيح كيفية تأثير PFOA على ترسيب ECM والدفاع ضد الإجهاد التأكسدي، مما يساهم في فهمنا لسمية PFAS في صحة العظام.
طرق البحث
في هذه الدراسة، تم استخدام خط خلايا الخلايا العظمية البشرية hFOB1.19 (ATCC CRL-11372)، المستمدة من مجموعة الثقافة الأمريكية في مارس 2021. تم تطوير هذا الخط الخلوي من خلال إدخال الجينات في نسيج الأطراف من إجهاض تلقائي باستخدام المتجه الحساس للحرارة pUCSVtsA58 ومتجه مقاومة النيومايسين pSV2neo، مع اختيار النسخ في وجود 0.6 ملغ/مل من G418. تم التحقق من هوية خط الخلايا من خلال تحليل تكرار تسلسلي قصير، وتم التأكد من خلوه من تلوث الميكوبلازما.
لثقافة الخلايا، تم الحفاظ على hFOB1.19 في خليط 1:1 من وسط هام F12 ووسط دلبوكو المعدل (DMEM)، مع إضافة 2.5 مللي مول من L-glutamine، و0.3 ملغ/مل من G418، و10% من مصل الجنين البقري (FBS). تم حضانة الخلايا عند 34 درجة مئوية في بيئة رطبة مع 5% من ثاني أكسيد الكربون، وفقًا للبروتوكولات المعتمدة. حدثت عملية الزراعة الفرعية عند 80% من التقاء الخلايا، وتم استخدام الخلايا فقط بين الممرات 10 و15 للتجارب اللاحقة.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” في ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب أو التحليلات التي تم إجراؤها. يوضح بشكل منهجي النتائج، مع تسليط الضوء على نقاط البيانات والاتجاهات المهمة التي لوحظت خلال الدراسة. غالبًا ما تكون النتائج مصحوبة بتحليلات إحصائية ذات صلة، والتي قد تشمل قيم p، وفترات الثقة، أو أحجام التأثير، لدعم النتائج.
بالإضافة إلى ذلك، قد يتم استخدام تمثيلات بصرية مثل الرسوم البيانية أو الجداول لتوضيح البيانات بشكل أكثر فعالية، مما يسمح بفهم أوضح للعلاقات والأنماط المحددة. ينتهي القسم بمناقشة تداعيات هذه النتائج، وربطها بأسئلة البحث أو الفرضيات المطروحة سابقًا في الدراسة. بشكل عام، يخدم هذا القسم لتقديم نظرة شاملة على الأدلة التجريبية التي تم جمعها، مما يمهد الطريق لمزيد من التفسير والمناقشة في الأقسام اللاحقة.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم التحقيق في آثار حمض البيرفلوروأوكتانويك (PFOA) على الخلايا العظمية الجنينية البشرية (hFOB1.19) من خلال نماذج الثقافة ثنائية وثلاثية الأبعاد، مع التركيز على حيوية الخلايا، والشكل، والإجهاد التأكسدي، وتركيب المصفوفة خارج الخلوية (ECM) خلال مراحل التكاثر والتمايز. كشفت تجربة MTT أن PFOA قلل بشكل كبير من حيوية الخلايا بطريقة تعتمد على الجرعة، حيث كانت معدلات الحيوية 61.53% و30.25% لتركيزات 50 ميكرومتر و100 ميكرومتر، على التوالي (p < 0.01 وp < 0.001). في نموذج الكريات ثلاثية الأبعاد، أدى التعرض لتركيزات أقل (0.1 و1 ميكرومتر) لمدة يومين إلى انخفاض طفيف في الحيوية (~80%، p < 0.05)، بينما تسببت التركيزات الأعلى (10 ميكرومتر وما فوق) في تقليل كبير في الحيوية وتغيرات شكلية، مما يشير إلى إضعاف بنية الكريات. أظهر التحليل الإضافي أن التعرض لـ PFOA لم يؤثر بشكل كبير على مستويات الفوسفاتاز القلوية (ALP) أو عامل النسخ RUNX2 خلال مرحلة التكاثر، مما يشير إلى تأثير ضئيل على علامات تمايز العظام. ومع ذلك، كان الإجهاد التأكسدي واضحًا، حيث انخفضت مستويات الكاتالاز (CAT) بشكل كبير عبر جميع جرعات PFOA، بينما تم تغيير مستويات NRF2 بطريقة تعتمد على الزمن والتركيز. من الجدير بالذكر أن التعرض المطول لجرعات منخفضة من PFOA (0.1 ميكرومتر) خلال التمايز أدى إلى انخفاض في تكلس العقد الكالسيومية، مما يبرز احتمال وجود إعاقة في عمليات تكلس ECM. بشكل عام، تؤكد النتائج على التأثيرات المعقدة والمعتمدة على الجرعة لـ PFOA على وظيفة الخلايا العظمية وتنظيم ECM، مما يبرز الحاجة إلى مزيد من التحقيق في الآليات الكامنة وراء هذه التغيرات.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41420-025-02863-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41513615
Publication Date: 2026-01-09
Author(s): Fiorenza Sella et al.
Primary Topic: Per- and polyfluoroalkyl substances research
Overview
This study investigates the effects of perfluorooctanoic acid (PFOA) on osteoblasts, the cells responsible for bone matrix secretion, in the context of its association with reduced bone mass density and osteoporosis. The research focuses on how PFOA influences osteoblast proliferation and differentiation by utilizing both 2D and 3D cultures of human fetal osteoblast (hFOB1.19) cells. In 2D cultures, exposure to PFOA for six days impaired antioxidant defenses without significantly affecting osteogenesis or calcium deposition. In contrast, 3D spheroids demonstrated that PFOA exposure disrupted spheroid morphology and extracellular matrix (ECM) deposition in a time-dependent manner.
Additionally, the study examined the role of cannabinoid receptor 1 (CB1) in this context, revealing that 10 µM PFOA reduced CB1 protein levels and collagen in 2D cultures. Conversely, in 3D spheroids, a higher concentration of 100 µM PFOA for two days increased CB1 levels while decreasing degraded collagen levels. These findings highlight the complex, nonmonotonic, and phase-dependent effects of PFOA on osteoblast function and ECM deposition, indicating a critical need for further research into the long-term implications of PFOA exposure on bone health and homeostasis.
Introduction
The introduction outlines the complex structure and function of bone, which consists of various cell types (osteoblasts, osteocytes, and osteoclasts) and a bone extracellular matrix (ECM) composed of organic (40%) and inorganic (60%) components. The organic matrix, primarily collagen type I (COL1), provides elasticity, while the inorganic component, mainly hydroxyapatite, imparts strength. Bone homeostasis is maintained through a balance between bone formation by osteoblasts (OBs) and resorption by osteoclasts (OCs). Disruption of this balance can lead to conditions such as osteoporosis, particularly affecting older adults, with significant implications for public health.
The introduction also highlights the emerging concern regarding per-and polyfluoroalkyl substances (PFAS), which are synthetic chemicals linked to adverse effects on bone health. PFAS exposure has been associated with disruptions in osteoblast formation and differentiation, potentially mediated by alterations in the endocannabinoid system (ECS). The study focuses on perfluorooctanoic acid (PFOA), a prevalent PFAS, and its impact on osteoblast homeostasis during different phases of cell development. Utilizing both 2D and 3D osteoblast cultures, the research aims to elucidate how PFOA affects ECM deposition and oxidative stress defense, thereby contributing to our understanding of PFAS toxicity in bone health.
Methods
In this study, the human osteoblast cell line hFOB1.19 (ATCC CRL-11372) was utilized, sourced from the American Type Culture Collection in March 2021. This cell line was developed through the transfection of limb tissue from a spontaneous miscarriage using the temperature-sensitive vector pUCSVtsA58 and the neomycin resistance vector pSV2neo, with clones selected in the presence of 0.6 mg/mL G418. The identity of the cell line was verified via short tandem repeat profiling, and it was confirmed to be free of mycoplasma contamination.
For cell culture, hFOB1.19 was maintained in a 1:1 mixture of Ham’s F12 Medium and Dulbecco’s Modified Eagle’s Medium (DMEM), supplemented with 2.5 mM L-glutamine, 0.3 mg/mL G418, and 10% Fetal Bovine Serum (FBS). The cells were incubated at 34 °C in a humidified environment with 5% CO₂, following established protocols. Subculturing occurred at 80% confluence, and only cells between passages 10 and 15 were employed for subsequent experiments.
Results
The “Results” section of the research paper presents the key findings derived from the conducted experiments or analyses. It systematically outlines the outcomes, highlighting significant data points and trends observed during the study. The results are often accompanied by relevant statistical analyses, which may include p-values, confidence intervals, or effect sizes, to substantiate the findings.
Additionally, visual representations such as graphs or tables may be utilized to illustrate the data more effectively, allowing for a clearer understanding of the relationships and patterns identified. The section concludes with a discussion of the implications of these results, linking them back to the research questions or hypotheses posed earlier in the study. Overall, this section serves to provide a comprehensive overview of the empirical evidence gathered, setting the stage for further interpretation and discussion in subsequent sections.
Discussion
In this study, the effects of perfluorooctanoic acid (PFOA) on human fetal osteoblasts (hFOB1.19) were investigated through both 2D and 3D culture models, focusing on cell viability, morphology, oxidative stress, and extracellular matrix (ECM) composition during proliferation and differentiation phases. The MTT assay revealed that PFOA significantly reduced cell viability in a dose-dependent manner, with 50 μM and 100 μM concentrations yielding viability rates of 61.53% and 30.25%, respectively (p < 0.01 and p < 0.001). In the 3D spheroid model, exposure to lower concentrations (0.1 and 1 μM) for 2 days resulted in a modest decrease in viability (~80%, p < 0.05), while higher concentrations (10 μM and above) caused significant reductions in viability and morphological alterations, indicating impaired spheroid architecture. Further analysis showed that PFOA exposure did not significantly affect alkaline phosphatase (ALP) levels or the transcription factor RUNX2 during the proliferation phase, suggesting minimal impact on osteogenic differentiation markers. However, oxidative stress was evident, as catalase (CAT) levels decreased significantly across all PFOA doses, while NRF2 levels were altered in a time- and concentration-dependent manner. Notably, prolonged exposure to low doses of PFOA (0.1 μM) during differentiation led to a decrease in calcium nodule mineralization, highlighting a potential impairment in ECM mineralization processes. Overall, the findings underscore the complex, dose-dependent effects of PFOA on osteoblast function and ECM organization, emphasizing the need for further investigation into the mechanisms underlying these alterations.