應(yīng)力刺激是調(diào)節(jié)骨代謝、維持骨量和骨功能結(jié)構(gòu)的重要因素之一。應(yīng)力狀態(tài)下的牙周組織改建是口腔正畸臨床矯治的生物學(xué)基礎(chǔ)，在機(jī)械應(yīng)力刺激下，通過對(duì)牙周膜細(xì)胞以及成骨細(xì)胞生物學(xué)功能的調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)正畸牙齒的移動(dòng)，同時(shí)維持牙槽骨組織應(yīng)力改建的平衡。目前盡管人們對(duì)成骨細(xì)胞及牙周膜細(xì)胞的力學(xué)生物反應(yīng)進(jìn)行了大量的研究，包括其增殖、分化，功能狀態(tài)、成骨或破骨相關(guān)細(xì)胞因子的表達(dá)，胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路等，但成骨細(xì)胞或牙周膜細(xì)胞對(duì)應(yīng)力刺激的識(shí)別機(jī)制、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制、生物響應(yīng)機(jī)制等還并不十分清楚，尤其是對(duì)其生物力學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路調(diào)節(jié)機(jī)制以及不同信號(hào)通路之間相互作用及相互關(guān)系知之甚少。細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(extracellular signal regulated kinase1/2，ERK1/2)信號(hào)通路和核因子κB(Nuclear factor kappa B,NF-κB)信號(hào)通路是細(xì)胞內(nèi)應(yīng)力信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中兩條重要的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，在成骨前體細(xì)胞及牙周膜細(xì)胞成骨分化過程中發(fā)揮著重要作用。因此本研究通過MC3T3-E1成骨樣細(xì)胞以及人牙周膜細(xì)胞的體外培養(yǎng)，通過建立細(xì)胞體外牽張應(yīng)力加載模型，觀察牽張應(yīng)力對(duì)MC3T3-E1成骨樣細(xì)胞或人牙周膜細(xì)胞成骨分化及相關(guān)基因表達(dá)的影響，了解牽張應(yīng)力對(duì)ERK1/2與NF-kB信號(hào)通路的影響及兩條通路之間的相互作用關(guān)系。 實(shí)驗(yàn)一：牽張應(yīng)力對(duì)MC3T3-E1細(xì)胞成骨分化及相關(guān)基因表達(dá)的影響 本研究通過MC3T3-E1成骨樣細(xì)胞體外培養(yǎng)，觀察不同大小牽張應(yīng)力刺激后，堿性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP)、I型膠原（COLⅠ）、骨保護(hù)素(osteocalcin,OCN)、白細(xì)胞介素-6等基因表達(dá)的變化，研究發(fā)現(xiàn)，在8%及12%細(xì)胞形變率的周期性牽張應(yīng)力作用下，MC3T3-E1細(xì)胞堿性磷酸酶(alkaline phosphatase,ALP)活性及骨保護(hù)素(osteocalcin,OCN)基因的表達(dá)明顯降低，而ALP是成骨細(xì)胞早期分化的標(biāo)志， OCN是成骨細(xì)胞成熟的標(biāo)志。結(jié)果表明，MC3T3-E1細(xì)胞在8%及12%細(xì)胞形變率的周期性牽張應(yīng)力作用24小時(shí)后抑制了其向成熟的成骨細(xì)胞分化的能力。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)，牽張應(yīng)力作用24小時(shí)后，I型膠原（COLⅠ）、白細(xì)胞介素-6（IL-6）基因表達(dá)顯著增加。而COLⅠ是構(gòu)成骨組織細(xì)胞外基質(zhì)主要成分之一，說明早期的應(yīng)力刺激可以促進(jìn)骨組織細(xì)胞外基質(zhì)的合成，是骨組織應(yīng)力改建的物質(zhì)基礎(chǔ)。IL-6作為一種多功能細(xì)胞因子，參與了正畸牙齒移動(dòng)過程中牙周組織的改建，并作為一種有效的破骨細(xì)胞活化因子，刺激破骨細(xì)胞的生成和骨吸收活動(dòng)。 實(shí)驗(yàn)二：牽張應(yīng)力介導(dǎo)ERK1/2與NF-kB信號(hào)通路對(duì)MC3T3-E1細(xì)胞成骨分化及相關(guān)基因表達(dá)的影響 通過分別給予ERK1/2信號(hào)通路和NF-kB信號(hào)通路的特異性抑制劑，在基因水平上了解牽張應(yīng)力作用下ERK1/2信號(hào)通路和NF-kB信號(hào)通路對(duì)MC3T3-E1細(xì)胞成骨分化及相關(guān)基因表達(dá)的調(diào)控。本研究結(jié)果顯示，在12%牽張應(yīng)力作用下，MC3T3-E1細(xì)胞ALP、COLⅠ、IL-6的表達(dá)受ERK1/2信號(hào)通路的調(diào)控，而OCN基因表達(dá)的變化不受ERK1/2通路的影響。NF-kB信號(hào)通路抑制劑PDTH可顯著抑制機(jī)械牽應(yīng)張力作用下MC3T3-E1細(xì)胞ALP活性的降低，同時(shí)抑制IL-6基因的表達(dá)，而COLⅠ、OCN基因表達(dá)的變化不受NF-kB信號(hào)通路的影響。 實(shí)驗(yàn)三：牽張應(yīng)力對(duì)MC3T3-E1細(xì)胞ERK1/2與NF-kB信號(hào)通路影響的研究 通過觀察牽張應(yīng)力對(duì)MC3T3-E1成骨樣細(xì)胞應(yīng)力信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路ERK1/2與NF-kB通路本身信號(hào)分子的反應(yīng)，研究牽張應(yīng)力對(duì)MC3T3-E1細(xì)胞ERK1/2與NF-kB信號(hào)通路的影響及其相互作用關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)MC3T3-E1細(xì)胞受到12%細(xì)胞形變率的周期性牽張應(yīng)力作用時(shí)，ERK1/2信號(hào)通路及NF-κB信號(hào)通路同時(shí)被激活，ERK1/2、IKK磷酸化水平顯著提高，NF-kB（p65）表達(dá)明顯增加，但阻斷NF-κB信號(hào)通路并不會(huì)影響ERK1/2信號(hào)通路的激活。相反當(dāng)阻斷ERK1/2信號(hào)通路時(shí)NF-kB信號(hào)通路激活受抑制，說明ERK1/2位于IKK的上游，ERK1/2可能對(duì)IKK的磷酸化起作用。 實(shí)驗(yàn)四：牽張應(yīng)力對(duì)人牙周膜細(xì)胞成骨相關(guān)基因表達(dá)的影響 通過利用人骨再生基因表達(dá)譜芯片及Realtime RT-PCR觀察12％形變率牽張應(yīng)力對(duì)人牙周膜細(xì)胞成骨相關(guān)基因表達(dá)的影響，探討牽張應(yīng)力對(duì)人牙周膜細(xì)胞成骨分化的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)12%細(xì)胞形變率的周期性牽張應(yīng)力抑制了其成骨分化能力，有21種相關(guān)基因表達(dá)明顯升高，主要包括細(xì)胞外基質(zhì)相關(guān)基因及與炎癥活動(dòng)相關(guān)細(xì)胞因子基因等。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，牽張應(yīng)力對(duì)牙周膜細(xì)胞生物學(xué)特性起著重要調(diào)控作用。在牽張應(yīng)力作用下通過對(duì)牙周膜細(xì)胞分化、細(xì)胞因子、細(xì)胞外基質(zhì)代謝的調(diào)節(jié)以適應(yīng)牙周組織應(yīng)力改建的平衡。
【學(xué)位單位】：第四軍醫(yī)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2012
【中圖分類】：R783.5
【部分圖文】：

征以及這些信號(hào)是如何轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)胞內(nèi)信號(hào)從而影響細(xì)胞的生物學(xué)了大量的研究。成骨細(xì)胞作為應(yīng)力敏感細(xì)胞，在骨組織應(yīng)力改建揮著重要作用，既是生物物理信號(hào)傳遞的傳感器，又是應(yīng)力刺激胞。但是，成骨細(xì)胞是如何識(shí)別應(yīng)力刺激，并將機(jī)械應(yīng)力信號(hào)轉(zhuǎn)化學(xué)信息，啟動(dòng)細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，從而把力學(xué)信號(hào)從胞膜核通過影響骨組織應(yīng)力改建相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)，最終發(fā)揮成定的生物學(xué)功能的，目前還并不完全清楚。成骨細(xì)胞應(yīng)力環(huán)境下的機(jī)械因素產(chǎn)生于骨功能活動(dòng)的載荷會(huì)導(dǎo)致骨骼的形變，骨皮質(zhì)及髓腔內(nèi)壓和細(xì)胞間質(zhì)液的流動(dòng)，從而對(duì)成骨細(xì)胞產(chǎn)生牽張應(yīng)力、壓應(yīng)力、及局部微環(huán)境電場(chǎng)的改變（如圖 1 所示）。骨組織應(yīng)力狀態(tài)下的改類型、大小、應(yīng)力頻率、應(yīng)力分布密切相關(guān)[1,2,3]。

高于這一數(shù)值發(fā)生骨重建，低于 50με 則發(fā)生骨με 的外力才能有效刺激骨形成。但是由于體內(nèi)外應(yīng)力環(huán)境織的生理性應(yīng)力不足以引發(fā)體外培養(yǎng)的成骨細(xì)胞作出反應(yīng)力的大小常以彈性膜的拉伸變形率表示。Kaspar 等[6]通過了 500με、1000με、3000με 力值范圍內(nèi)牽張力對(duì)成骨細(xì)胞三種應(yīng)變狀態(tài)下，細(xì)胞的數(shù)目均明顯增加，骨鈣蛋白的合aspar 等隨后以 1000με 對(duì)成骨細(xì)胞連續(xù)加載 2d 發(fā)現(xiàn)，除 10％～48％外，I 型膠原的合成增加了 7％～49％，轉(zhuǎn)ormins growth factor β，TGF-β)亦明顯增加，而 ALP 的活性，骨鈣蛋白的合成也減少了 5％～32％。因此認(rèn)為適宜的骨細(xì)胞的生長分化，較大的力促進(jìn)成骨細(xì)胞增殖的作用較張力對(duì)細(xì)胞的增殖和分化均有抑制作用。

博 士 學(xué) 位 論 文16圖3. 成骨細(xì)胞機(jī)械應(yīng)力感受器l細(xì)胞結(jié)構(gòu)的張力完整性[15]細(xì)胞外基質(zhì)、整合素、局部粘附蛋白和細(xì)胞骨架網(wǎng)絡(luò)相互聯(lián)系，彼此之間構(gòu)成了一個(gè)完善的張力整合系統(tǒng)。細(xì)胞骨架的張力完整性影響細(xì)胞的形狀及功能，是信息傳遞的重要環(huán)節(jié)。在應(yīng)力的作用下細(xì)胞骨架的所有構(gòu)件為了分散張力和壓力而發(fā)生整體重排，從而導(dǎo)致細(xì)胞發(fā)生形變，細(xì)胞形狀調(diào)節(jié)發(fā)出的調(diào)節(jié)信息以力的形式傳遞。因此，應(yīng)力的變化可以通過細(xì)胞及其骨架內(nèi)的力平衡而對(duì)細(xì)胞的生長和生化性質(zhì)產(chǎn)生影響。當(dāng)細(xì)胞受到來自體外的直接力學(xué)刺激時(shí)，它的形態(tài)和功能都會(huì)發(fā)生改變，由于張力完整性結(jié)構(gòu)中存在預(yù)應(yīng)力，若對(duì)該結(jié)構(gòu)中的某一構(gòu)件施加應(yīng)力，所有相互連接的構(gòu)件包括距離很遠(yuǎn)的構(gòu)件就會(huì)整體重排。而細(xì)胞骨架重排可引起細(xì)胞形態(tài)的改變，通過與細(xì)胞膜上分子的直接聯(lián)系，將力學(xué)刺激轉(zhuǎn)化為生物化學(xué)信號(hào)在細(xì)胞內(nèi)傳遞
【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前4條

1 李永明,林珠,唐林,張曉東;白介素-6與1,25(OH)_2維生素D_3聯(lián)合作用下大鼠骨髓破骨細(xì)胞的體外誘導(dǎo)培養(yǎng)[J];口腔醫(yī)學(xué);2005年05期

2 唐麗靈,王遠(yuǎn)亮,潘君,盧曉,蔡紹皙;細(xì)胞結(jié)構(gòu)的張力完整性[J];生物化學(xué)與生物物理進(jìn)展;2001年02期

3 孫曉江;戴尅戎;湯亭亭;;流體剪切應(yīng)力對(duì)骨細(xì)胞分子活動(dòng)的影響[J];醫(yī)用生物力學(xué);2007年01期

4 黎潤光;邵景范;魏明發(fā);;機(jī)械牽張應(yīng)力對(duì)成骨細(xì)胞的影響研究進(jìn)展[J];中國矯形外科雜志;2006年06期

本文編號(hào)：2875974