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The impact of sitagliptin on macrophage polarity and angiogenesis in the osteointegration of titanium implants in type 2 diabetes - 19/04/20

Doi : 10.1016/j.biopha.2020.110078 
Geng Xiang 1, Xinyi Huang 1, Tianji Wang 1, Jing Wang, Guoxuan Zhao, Han Wang, Yafei Feng, Wei Lei , Xiaofan Hu
 Department of Orthopedics, Xijing Hospital, The Fourth Military Medical University, Xi’an, 710032, China 

Corresponding authors.

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Highlights

Diabetes causes macrophage polarization imbalance, worsening endothelial injury.
Sitagliptin attenuates endothelial damage in DM by repolarizing M2 macrophage.
Sitagliptin regulated M1/M2 polarization, improving angiogenesis and osteogenesis.

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Abstract

Background

Clinical evidence indicates that sitagliptin treatment improves bone quality in diabetic patients, but the mechanisms involved remain elusive. Here, we studied the role of angiogenesis with sitagliptin treatment in diabetes-induced poor osteointegration of titanium implants and the underlying mechanisms.

Methods

In vitro, Human Umbilical Vein Endothelial Cells (HUVECs) incubated on titanium (Ti) surface were subjected to 1) normal milieu (NM); 2) diabetic milieu (DM); 3) DM + sitagliptin; 4) NM + macrophage; 5) DM + macrophage; or 6) DM + macrophage + sitagliptin. Microphage and HUVECs were cultured alone or co-cultured in a Transwell system. In vivo, DM was induced by high-fat diet and administration of streptozotocin (STZ) in rats. Titanium screws were implanted in the femurs of rats in three groups: Control, DM, Sitagliptin-treated DM.

Results

In vitro, when cells were incubated alone, DM caused M1 polarization of macrophage, evidenced by the increased iNOS and decreased CD206 expressions, and obvious dysfunctions of HUVECs. The DM-induced injury of endothelial cells were significantly worsened when the two cells were co-cultured. The addition of sitagliptin markedly reversed the changes of macrophage but not of HUVECs in DM when cells were cultured alone. When cells co-cultured, however, both the abnormal macrophage polarization and the endothelial impairment in DM was significantly alleviated by sitagliptin. In vivo, compared with normal animals, DM animals showed imbalanced M1/M2 polarization, angiogenesis inhibition and poor bone formation on the bone-implant interface (BII), which were significantly ameliorated by sitagliptin treatment.

Conclusion

Our results demonstrate macrophage polarization imbalance as a crucial mechanism underlying the impaired angiogenesis and bone healing in diabetes, and provide sitagliptin as a promising novel drug for biomaterial-engineering to improve the osteointegration of titanium implants in diabetic patients.

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Keywords : Angiogenesis, Diabetes, Macrophage polarization, Sitagliptin, Titanium implants


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Vol 126

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