稳态磁场对骨质疏松症发生发展的作用及其机制研究

发布时间：2020-04-18 09:20

【摘要】：研究目的骨髓间充质干细胞(Bone marrow-derived mesenchymal stem cells,BMSC)具有分化成许多种组织细胞的潜在能力,如可以分化为成骨细胞(osteoblast)、破骨细胞(osteoclast)、软骨细胞(chondrocyte)和脂肪细胞(adipocyte)等多种细胞。在正常条件下,BMSC分化成各种细胞的倾向和能力是相同的,即保持着动态平衡。在年龄、激素、药物和遗传等因素作用下,这个平衡被打破,BMSC分化为成骨细胞的能力降低,而分化为脂肪细胞的的能力增强,就容易导致包括骨质疏松在内的多种骨代谢疾病。骨质疏松症的特点骨形成减少和骨髓脂肪堆积增加。然而,目前对BMSC分化成骨细胞和脂肪细胞的分子调控机制仍不清楚,对骨质疏松症的预防和治疗仍有待深入研究。生物磁性材料在医学方面有比较广泛应用,如磁性纳米载体、医用造影剂、示踪剂和牙科盖髓剂等,这些磁性材料通常能产生稳态磁场,并通量泄漏扩散到邻近组织发挥生物学效应。据报道稳态磁场可以驱动纳米铁修饰的干细胞的定向迁移,也可以增加牙髓干细胞的存活和增值、促进向牙骨细胞分化等。然而,稳态磁场对BMSC的分化及骨质疏松症发生发展的作用及相关分子机制仍不明确。细胞或生物体对磁场的感应现象普遍存在,其中一个焦点是细胞或生物体内接受磁场感应的分子是否存在。在生物系统里面有三类磁感应材料或分子,它们是亚铁矿物质、铁结合蛋白和铁硫簇蛋白,根据铁硫簇蛋白在生命活动中所起的重要作用,科学家们推测它们可能会是感受或接受磁场信号的靶分子。然而,目前有关磁蛋白的研究还存在很大局限,需要我们作进一步的探索和证实。该研究拟以探索稳态磁场对BMSC的分化和骨质疏松症发生发展的作用为研究目的,致力于深入阐明稳态磁场影响BMSC分化和骨质疏松症的机制,尤其是找到磁感应蛋白分子,为临床预防和治疗骨质疏松提供可能的新的思路和策略。研究方法我们首先分离并鉴定了小鼠的BMSC,然后分别进行脂肪诱导分化和成骨诱导分化,在这个过程不给于磁场或分别给予梯度强度的稳态磁场处理,诱导完成后利用油红O染色、ALP活性检测或茜素红染色、转录组测序、RT-PCR和蛋白印迹等实验分析检测稳态磁场对BMSC成脂分化和成骨分化的影响;在动物水平上,我们采用反式维甲酸(ATRA)和地塞米松(Dex)两种药物诱导的小鼠骨质疏松症模型,通过稳态磁场进行干预,然后检测分析稳态磁场对小鼠骨质疏松症的作用。进一步,我们通过基因表达谱分析、药物干预和遗传学手段去探究稳态磁场影响BMSC分化和小鼠骨质疏松症的分子机制。研究结果1.稳态磁场对BMSC的成脂分化具有抑制作用。利用油红O染色、转录组测序、RT-PCR和蛋白印迹等实验分析检测了稳态磁场处理条件下BMSC成脂分化情况,发现稳态磁场抑制BMSC成脂分化相关基因的转录表达从而抑制BMSC向脂肪分化,并且具有一定的磁场强度剂量依赖性;2.磁场对BMSC的成骨分化具有促进作用。利用ALP活性检测、茜素红染色、转录组测序、RT-PCR和蛋白印迹等实验检测分析了稳态磁场刺激条件下BMSC的成骨分化情况,结果表明稳态磁场能促进BMSC成骨分化相关基因的转录和表达从而增强BMSC向成骨细胞分化,高剂量磁场的效果更为明显;3.稳态磁场可以改善骨质疏松症。稳态磁场可以明显改善ATRA和Dex诱导的小鼠骨质疏松的恶化情况,同时骨组织的脂肪堆积减少,而成骨细胞的活性增加,这说明稳态磁场可以通过抑制脂肪累积促进成骨分化而阻遏骨质疏松症的发展;4.Abce1在BMSC的分化过程中发挥作用,并且稳态磁场通过抑制RNase L inhibitor的功能抑制BMSC的成脂分化,Abce1的缺失使稳态磁场对骨质疏松症的作用被抵消。说明Abce1可能是一个磁感应蛋白分子,并介导稳态磁场在BMSC分化和骨质疏松症过程中的作用。研究结论在这里我们报道了稳态磁场能够影响BMSC的分化从而影响骨质疏松症的发生发展。我们通过大量的实验证明了稳态磁场能有效抑制BMSC的成脂分化,而促进BMSC的成骨分化。另外,我们通过两个骨质疏松症动物模型证实了稳态磁场减少骨质疏松模型小鼠的骨组织流失,并且减少脂肪堆积,促进成骨细胞的活性。此外,我们还发现Fe-S簇蛋白Abce1在BMSC的分化过程中发挥作用,并且稳态磁场通过抑制RNase L inhibitor的功能抑制BMSC的成脂分化,Abce1的缺失使稳态磁场对骨质疏松症的作用被抵消,这说明Abce1可能就是一个磁感应蛋白,在稳态磁场影响BMSC分化和骨质疏松症发展过程中发挥重要介导作用。根据这些研究结果和证据,我们揭示了稳态磁场对骨质疏松症的作用效果和机制,稳态磁场可能作为一种有效的预防和治疗骨质疏松的辅助手段,而Abce1可能作为其中一个分子靶标。
【图文】：

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天津医科大学博士学位论文分化为成熟脂肪细胞就会累积形成脂滴，累积的脂滴可被油红着色。在诱导 7-14天后，我们对对照组和实验组的分化细胞分别做了油红 O 染色，结果显示 SMF处理组油红 O 染色较浅（图 1.1 C），其洗涤液的 OD 值也降低（图 1.1 D）。综上，，我们可以看到稳态磁场（SMF）对 BMSC 的成脂分化具有抑制作用，并且这种抑制作用具有定的剂量依赖性。

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天津医科大学博士学位论文1.2.2 稳态磁场影响间充质干细胞成脂分化的转录组分析在上述的定性实验中，我们看到了稳态磁场似乎对 BMSC 成脂分化具有抑制效应，并且在某种程度上呈定的剂量依赖性。鉴于干细胞的分化主要涉及相关基因的开启、转录和表达，我们对 SMF 处理和不处理的 BMSC 成脂诱导分化后进行了转录组的表达分析（RNA-sequence）（在这里我们选用的是最高 0.6T的磁场进行处理）以进步确定 SMF 对 BMSC 成脂分化的作用。经过分析，我们发现与对照组相比，成脂分化相关基因在 SMF 的干预下表达呈降低趋势（如图 1.2A）。此外，聚类分析发现，成脂分化和能量转化相关生物过程被抑制（如图1.2 B）。以上结果进步肯定了我们的观点，即SMF对间充质干细胞（BMSC）成脂肪分化过程呈阻遏效应。
【学位授予单位】：天津医科大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：R580

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