本文關(guān)鍵詞：多種強(qiáng)度靜磁場下骨組織的生物學(xué)效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究

  更多相關(guān)文章： 靜磁場 成骨細(xì)胞 破骨細(xì)胞 骨重建平衡 一氧化氮 礦物質(zhì)元素

【摘要】：靜磁場是磁場強(qiáng)度恒定的一種磁場。地磁場是自然界中最常見的靜磁場,它伴隨著地球生命的產(chǎn)生、進(jìn)化與生存,在生命活動中具有重要作用。隨著月球與火星等深空探測計(jì)劃的開展,航天員將長期暴露于亞磁空間(5μT)中。這可能對宇航員的身心健康帶來潛在的危害。亞磁場生物學(xué)效應(yīng)及其機(jī)制的研究,將為相關(guān)載人航天的空間防護(hù)提供理論基礎(chǔ),已成為空間生物科學(xué)以及航天醫(yī)學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的新熱點(diǎn)。隨著現(xiàn)代超導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用,使得強(qiáng)磁場(1 T)在醫(yī)學(xué)檢測、科學(xué)研究中得到越來越多的應(yīng)用,如核磁共振成像、抗磁懸浮等。其中抗磁懸浮由超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的大梯度強(qiáng)磁場實(shí)現(xiàn),是地基模擬失重研究中的重要平臺。另外,在人類的日常生活中,由于電的廣泛使用,使得人類更多地暴露于中等強(qiáng)度范圍的磁場(1 mT-1 T)。總之,人類暴露于各種磁場環(huán)境的機(jī)會大大增加,這也使得靜磁場下的生物學(xué)效應(yīng)和機(jī)制研究成為重要的公共環(huán)境健康問題。隨著磁生物學(xué)研究的深入,發(fā)現(xiàn)一定強(qiáng)度的靜磁場在骨折愈合、骨損傷愈合、關(guān)節(jié)炎所致骨質(zhì)流失、去勢大鼠模型中骨質(zhì)流失、缺血性骨質(zhì)流失等模型中具有正向的促進(jìn)效應(yīng)。這些研究表明,靜磁場可以作為一種輔助預(yù)防和治療多種骨骼相關(guān)疾病的物理療法�？傊�,磁場生物學(xué)效應(yīng)的研究可以幫助我們進(jìn)行趨利避害。骨是一種不斷更新的組織,骨形成和骨吸收的動態(tài)平衡維持著正常的骨代謝。在骨重建過程中,由成骨細(xì)胞引起的骨形成與破骨細(xì)胞引起的骨吸收之間的偶聯(lián),是維持骨結(jié)構(gòu)完整性及合適骨強(qiáng)度的關(guān)鍵。他人以及本課題組前期研究發(fā)現(xiàn),靜磁場可調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞以及破骨細(xì)胞的增殖和分化能力。但是隨著細(xì)胞種類、磁場強(qiáng)度、曝磁方式等的不同,其產(chǎn)生的生物學(xué)效應(yīng)也不盡相同。作為一種物理刺激,靜磁場的曝磁作用涉及到多方面的參數(shù):磁場強(qiáng)度、曝磁時間、磁場梯度、生物樣品的種類(動物、細(xì)胞或分子)等。此外,目前大多數(shù)研究所采用的磁場強(qiáng)度也都集中在由永磁體產(chǎn)生的中強(qiáng)磁場范圍,很少有亞磁場、強(qiáng)磁場環(huán)境的相關(guān)報道。因此,由于目前文獻(xiàn)報道中所使用的磁場強(qiáng)度不一樣、細(xì)胞種類的不同、曝磁方式的不同等原因,很難從已有發(fā)表文獻(xiàn)中得出確切的結(jié)論:靜磁場是如何影響參與骨重建平衡的關(guān)鍵細(xì)胞成骨細(xì)胞與破骨細(xì)胞的分化作用?與靜磁場強(qiáng)度的關(guān)系如何?其可能的機(jī)制如何?為了進(jìn)一步系統(tǒng)揭示靜磁場對骨組織代謝的作用以及機(jī)制,本研究利用500 nT亞磁場、0.2 T中強(qiáng)磁場及16 T強(qiáng)磁場系統(tǒng)研究靜磁場對成骨細(xì)胞MC3T3-E1以及前破骨細(xì)胞RAW264.7細(xì)胞增殖和分化的影響和機(jī)制,并在整體水平上研究靜磁場對小鼠股骨微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,地磁場屏蔽乃至強(qiáng)磁場并沒有對成骨細(xì)胞MC3T3-E1以及前破骨細(xì)胞RAW264.7的生長產(chǎn)生毒性作用。骨組織細(xì)胞的分化受到靜磁場強(qiáng)度的調(diào)節(jié)。對于成骨細(xì)胞,16 T抑制成骨細(xì)胞的分化初期,然而卻加速了基質(zhì)礦化過程,最終表現(xiàn)為成骨分化能力的增強(qiáng);500 nT以及0.2 T則減弱這一過程。與之相反,16 T顯著抑制破骨細(xì)胞的分化,同時500 nT以及0.2 T顯著增強(qiáng)這一過程。這些結(jié)果表明,同一強(qiáng)度靜磁場可同時相反地調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞以及破骨細(xì)胞的分化行為。然而整體水平的結(jié)果表明,500nT以及0.2 T靜磁場處理30 d并沒有對小鼠股骨的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能產(chǎn)生影響。論文初步研究了一氧化氮(nitric oxide,NO)對靜磁場調(diào)節(jié)破骨細(xì)胞形成的參與作用。結(jié)果顯示,16 T強(qiáng)磁場下,破骨細(xì)胞的形成能力受到顯著抑制,同時激活一氧化氮合酶(nitric oxide synthase,NOS)釋放大量NO。當(dāng)用NOS抑制劑硝基左旋精氨酸甲酯(NG-Nitro-L-arginine methyl ester,L-NAME)處理后,可降低細(xì)胞培養(yǎng)基中NO的含量,并同時濃度依賴性地促進(jìn)破骨細(xì)胞的形成使之恢復(fù)到正常地磁對照組水平。500 nT與0.2 T磁場顯著促進(jìn)破骨細(xì)胞的形成,并伴隨著NO生成量的降低以及NOS活性的降低。當(dāng)加入NOS底物左旋精氨酸(L-Arginine,L-Arg)或NO供體硝普鈉(sodium nitroprusside,SNP)時,顯著增加細(xì)胞培養(yǎng)基中NO濃度,同時濃度依賴性抑制前破骨細(xì)胞RAW264.7向破骨細(xì)胞的分化。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,NO可能參與了靜磁場對破骨細(xì)胞形成的調(diào)節(jié)作用。最后,論文檢測了礦物質(zhì)元素與骨組織代謝的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn),成骨細(xì)胞在礦化過程中會積累更多的銅、鐵、鎂、錳、鋅等元素,這些礦物質(zhì)元素可能參與到調(diào)節(jié)成骨細(xì)胞分化的過程中。同時,靜磁場在細(xì)胞水平上影響成骨細(xì)胞礦化過程,并伴隨著礦物質(zhì)元素含量的變化;在整體水平,也改變了脛骨中的礦物質(zhì)元素含量。靜磁場效應(yīng)可能與這些礦物質(zhì)元素的調(diào)節(jié)作用相關(guān)。綜合以上的研究表明,與地磁場相比,16 T強(qiáng)磁場、0.2 T中強(qiáng)磁場以及500nT亞磁場可在細(xì)胞水平上影響骨組織細(xì)胞的增殖、分化功能。在動物水平研究方面,三種強(qiáng)度靜磁場處理30 d沒有對骨骼產(chǎn)生有害的負(fù)面影響。NO以及礦物質(zhì)元素可能參與了靜磁場對骨組織的調(diào)節(jié)作用。失重性骨質(zhì)流失是航天員在空間飛行中面臨的主要問題之一。然而在亞磁場環(huán)境下,本研究表明成骨細(xì)胞的成骨功能受到抑制,破骨細(xì)胞的活性增強(qiáng),暗示長期深空探測過程中亞磁場會加速空間失重性骨質(zhì)流失的過程。本研究將為生物電磁學(xué)效應(yīng)的機(jī)制研究補(bǔ)充新的內(nèi)容,并為闡明靜磁場調(diào)節(jié)骨重建平衡的作用及分子機(jī)制提供理論支持,為科學(xué)利用磁場療法進(jìn)行骨骼健康防護(hù)提供理論支撐。同時,亞磁場的生物學(xué)效應(yīng)以及機(jī)制的研究,將為載人航天的空間防護(hù)提供理論基礎(chǔ)。
【關(guān)鍵詞】：靜磁場 成骨細(xì)胞 破骨細(xì)胞 骨重建平衡 一氧化氮 礦物質(zhì)元素
【學(xué)位授予單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：R85;V419
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 縮略語表12-14
• 1 緒論14-38
• 1.1 靜磁場的來源以及分類14-17
• 1.1.1 亞磁場14-15
• 1.1.2 地磁場15
• 1.1.3 中強(qiáng)磁場15
• 1.1.4 強(qiáng)磁場15-17
• 1.2 靜磁場下骨骼系統(tǒng)的生物學(xué)效應(yīng)17-22
• 1.2.1 靜磁場對骨骼系統(tǒng)的影響17-19
• 1.2.2 靜磁場對骨組織細(xì)胞的影響19-22
• 1.3 靜磁場下骨骼系統(tǒng)的響應(yīng)機(jī)制22-27
• 1.3.1 電動相互作用：霍爾效應(yīng)23-24
• 1.3.2 磁力相互作用24-25
• 1.3.3 自由基對作用25
• 1.3.4 細(xì)胞水平上的靜磁場響應(yīng)25-27
• 1.4 一氧化氮信號通路在骨骼系統(tǒng)中的作用27-31
• 1.4.1 內(nèi)源性NO對骨組織代謝的調(diào)控作用27-28
• 1.4.2 外源性NO對骨組織細(xì)胞的影響28-31
• 1.5 礦物質(zhì)元素與骨骼健康的關(guān)系31-35
• 1.5.1 鈣與骨骼健康31-32
• 1.5.2 鐵與骨骼健康32-33
• 1.5.3 鎂與骨骼健康33
• 1.5.4 鋅與骨骼健康33-34
• 1.5.5 銅與骨骼健康34
• 1.5.6 錳與骨骼健康34-35
• 1.6 本論文的科學(xué)問題和研究意義35-37
• 1.6.1 研究進(jìn)展分析及問題的提出35-36
• 1.6.2 本論文研究意義36-37
• 1.7 本論文研究內(nèi)容37-38
• 2 靜磁場對成骨細(xì)胞生長和分化的影響38-54
• 2.1 材料與儀器38-43
• 2.1.1 實(shí)驗(yàn)材料和試劑38-39
• 2.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器39-40
• 2.1.3 曝磁裝置40-43
• 2.2 實(shí)驗(yàn)方法43-46
• 2.2.1 細(xì)胞培養(yǎng)43
• 2.2.2 細(xì)胞形態(tài)觀察43
• 2.2.3 細(xì)胞增殖測定43-44
• 2.2.4 細(xì)胞周期分布檢測44
• 2.2.5 細(xì)胞堿性磷酸酶活性檢測44
• 2.2.6 茜素紅染色44
• 2.2.7 成骨細(xì)胞分化相關(guān)基因檢測44-45
• 2.2.8 細(xì)胞培養(yǎng)物金屬元素含量測定45-46
• 2.2.9 數(shù)據(jù)分析46
• 2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果46-50
• 2.3.1 靜磁場對成骨細(xì)胞生長的影響46
• 2.3.2 靜磁場對成骨細(xì)胞堿性磷酸酶活性的影響46-48
• 2.3.3 靜磁場對成骨細(xì)胞礦化過程的影響48
• 2.3.4 靜磁場對成骨細(xì)胞分化相關(guān)基因表達(dá)的影響48
• 2.3.5 靜磁場對礦化的成骨細(xì)胞中礦物質(zhì)元素含量的影響48-50
• 2.4 討論50-52
• 2.5 小結(jié)52-54
• 3 靜磁場對前破骨細(xì)胞生長和分化的影響54-68
• 3.1 材料與儀器54-56
• 3.1.1 實(shí)驗(yàn)材料和試劑54-55
• 3.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器和裝置55-56
• 3.2 實(shí)驗(yàn)方法56-59
• 3.2.1 細(xì)胞培養(yǎng)56
• 3.2.2 細(xì)胞觀察56
• 3.2.3 細(xì)胞增殖測定56
• 3.2.4 細(xì)胞周期分布檢測56
• 3.2.5 破骨細(xì)胞形成檢測56-57
• 3.2.6 TRAP活性檢測57
• 3.2.7 骨吸收能力檢測57
• 3.2.8 細(xì)胞免疫熒光染色57-58
• 3.2.9 破骨細(xì)胞分化基因表達(dá)檢測58-59
• 3.2.10 數(shù)據(jù)分析59
• 3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果59-64
• 3.3.1 靜磁場對前破骨細(xì)胞生長的影響59-60
• 3.3.2 靜磁場對破骨細(xì)胞形成的影響60-61
• 3.3.3 靜磁場對破骨細(xì)胞融合的影響61-62
• 3.3.4 靜磁場對破骨細(xì)胞分化標(biāo)志基因的影響62-63
• 3.3.5 靜磁場對骨吸收能力的影響63-64
• 3.3.6 靜磁場對破骨細(xì)胞actin環(huán)形成的影響64
• 3.4 討論64-66
• 3.5 小結(jié)66-68
• 4 一氧化氮信號通路在靜磁場介導(dǎo)破骨細(xì)胞分化中的調(diào)控作用68-84
• 4.1 材料與儀器68-69
• 4.1.1 實(shí)驗(yàn)材料和試劑68-69
• 4.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器和裝置69
• 4.2 實(shí)驗(yàn)方法69-72
• 4.2.1 細(xì)胞培養(yǎng)69-70
• 4.2.2 細(xì)胞培養(yǎng)液上清一氧化氮檢測70
• 4.2.3 一氧化氮合成酶活性檢測70
• 4.2.4 一氧化氮合成酶表達(dá)檢測70-71
• 4.2.5 細(xì)胞毒性檢測71
• 4.2.6 破骨細(xì)胞形成檢測71-72
• 4.2.7 數(shù)據(jù)分析72
• 4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果72-81
• 4.3.1 靜磁場對破骨細(xì)胞分化過程中一氧化氮生成量的影響72-73
• 4.3.2 靜磁場對破骨細(xì)胞分化過程中一氧化氮合酶活性的影響73
• 4.3.3 靜磁場對破骨細(xì)胞分化過程中一氧化氮合酶基因表達(dá)的影響73-74
• 4.3.4 16T強(qiáng)磁場下L-NAME對破骨細(xì)胞分化的影響74-76
• 4.3.5 0.2 T中強(qiáng)磁場下L-Arg以及SNP對破骨細(xì)胞形成的影響76-79
• 4.3.6 500 nT亞磁場下L-Arg以及SNP對破骨細(xì)胞形成的影響79-81
• 4.4 討論81-83
• 4.5 小結(jié)83-84
• 5 靜磁場對小鼠骨骼微觀結(jié)構(gòu)以及力學(xué)性能的影響84-98
• 5.1 材料和儀器85-88
• 5.1.1 實(shí)驗(yàn)材料和試劑85
• 5.1.2 實(shí)驗(yàn)儀器和裝置85-86
• 5.1.3 曝磁裝置86-88
• 5.2 實(shí)驗(yàn)方法88-91
• 5.2.1 動物飼養(yǎng)88
• 5.2.2 骨微觀結(jié)構(gòu)測定88-89
• 5.2.3 力學(xué)性能測試89-90
• 5.2.4 骨質(zhì)微量元素測定90-91
• 5.2.5 數(shù)據(jù)分析91
• 5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果91-95
• 5.3.1 靜磁場對小鼠體重的影響91
• 5.3.2 靜磁場對小鼠股骨微觀結(jié)構(gòu)的影響91-93
• 5.3.3 靜磁場對小鼠股骨力學(xué)性能的影響93-95
• 5.3.4 靜磁場對小鼠骨礦物質(zhì)元素含量的影響95
• 5.4 討論95-96
• 5.5 小結(jié)96-98
• 6 結(jié)論與展望98-102
• 6.1 結(jié)論98-99
• 6.2 展望99-102
• 參考文獻(xiàn)102-110
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文和參加科研情況110-114
• 致謝114-116

【相似文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 侯維發(fā);靜磁場的計(jì)算機(jī)作圖[J];機(jī)械與電子;1994年03期

2 杜建明;靜磁場方程，

本文編號：852387