课题申请报告-力学刺激对植体-骨界面骨系细胞mRNA表达的影响.doc

力学刺激对植体-骨界面骨系细胞mRNA表达的影响 Effects of the mRNA expression in implant-bone interface bone cells after mechanical stimulate 摘要 在建立力学刺激骨系细胞的动物实验模型的基础上，利用激光捕获显微分离技术（LCM）, 获取动物模型体内种植体—骨界面区域的成骨细胞和破骨细胞,用基因芯片法检测不同力值的间断力学刺激作用下基因表达谱的时序变化。明确从骨形成到骨破坏这个质的变化过程中，基因表达的差异和相关的特异性基因，探讨成骨细胞和破骨细胞的耦联机制，从系统角度研究生理负荷促进骨形成和超负荷导致骨破坏的基因调控机制的差异，尝试筛选出与骨形成和骨破坏相关基因，以为骨生物力学及骨组织工程学提供理论依据，并进一步完善负荷状态下骨组织与人工材料界面骨改建机制的理论，为临床诊断和防治提供理论先导。 （一）立项依据与研究内容 1、 项目的立项依据（附主要的参考文献目录）。 随着医学科学的发展，一些人工种植体或装置越来越多的被植入骨组织，用于治疗病变和修复缺损，如人工关节、牙种植体，以及骨内固定装置等。理想的人工种植体或装置应以与骨组织紧密结合(骨整合Osseointegration)的形式行使其生理功能, 然而，仍有部分植入体不能达到或保持长期的骨整合，导致植入体松动、脱落和并发症的产生，除了植入体材料本身的因素之外，负荷后骨组织的应力变化也是重要的影响因素之一，且已引起众多学者的关注。由于植入体与骨组织之间始终存在一个界面，负载后界面骨组织的应力应变与正常骨组织负载后的应力应变不同，这种力学环境的改变，可能会促进骨组织与人工材料的界面发生适应性改建，达到理想的骨整合；也可能会导致骨组织与人工材料的界面发生骨吸收。骨吸收会使种植体与骨组织分离，增加了植入物微粒、细菌及炎症介质等侵入的机会，引起炎症反应，加速骨吸收并造成植入体松动，进而影响种植体的生存率和生存时间。因此，了解力学刺激对骨组织与人工材料界面骨改建的影响，将有助于解释临床观察到的现象，有助于与骨生物力学相关的诸学科的发展，如骨折固定、人工关节置换、牵张成骨、口腔种植修复、口腔正畸、骨质疏松症的防治及骨组织工程研究等等。 机械刺激产生的耦合力传递到骨组织，使骨系细胞发生应力应变作用，这些变化通过多个信号转导通路的转导，导致骨系细胞产生多种生物学效应并完成骨的改建。成骨细胞(OB)和破骨细胞(OC)是骨改建的两大主要功能细胞，在应力、生长因子、激素等作用下两者之间相互作用，相互调控，使骨产生适应性地构建。其中由应力应变造成细胞的生物学反应和变化，引起了人们的关注[1]，多数学者认为[2]：不同的力学刺激可以导致成骨细胞、破骨细胞活性和数量的变化，影响骨形成与骨吸收，而这显然是由于骨系细胞基因表达和基因调控发生变化的结果。目前的研究证据表明： 1、体外培养成骨细胞加载研究证明[3-5]：成骨细胞未受力时, 早期即刻基因c-fos、c-jun在细胞静止期内不表达；受力学刺激后初期即明显增加，其表达一般与细胞的增殖分化同时出现，因而其转录翻译蛋白可能对其它晚应答的基因转录起调控作用。Ikegame等[6]发现：加载6h后，骨形成蛋白-4（BMP-4）基因表达增加，成骨特异性转录因子cbfa1/Osf-2也随着BMP-4基因表达开始表达。Pavlin等[7]发现：加载24h后，成骨细胞中骨钙蛋白水平轻度下降，但在加载1-2d，其表达增长了4.6倍，到第4d则增长了7倍，达到其增长的最高峰；I型胶原基因的表达在加载后第1d不明显，但在第2d其表达增长了3倍，并在其后6d维持这一水平。Cillo等[8]则针对另外一些重要的基因表达进行了研究：实验中发现拉伸应力可以使TGF-β和胰岛素样生长因子-II的mRNA表达增加，碱性成纤维细胞生长因子表达减少，且不同的力值和加载时间对这些基因的表达有不同的影响。显然成骨细胞受力后，基因的表达在一定的时间范围内存在明显的时序性变化。 2、破骨细胞是骨吸收的主要功能细胞，传统认为破骨细胞是一个“惰性细胞”，对力学刺激不敏感，主要是通过成骨细胞感受力学刺激以后，通过耦联机制影响破骨细胞的活性、增殖和迁移。但是最近的研究表明[9]：应力可直接导致体外培养的破骨细胞mRNA表达的增强，并伴随着骨吸收能力的增强。 3、多数实验是建立在对OB、OC静态加载的基础上，但动态载荷对骨改建的影响远大于静态载荷，已得到很多学者证实，即间歇性的周期性力学刺激对细胞的增殖分化功能和基因表达的作用明显大于持续性静态负荷的作用[10-11]。但其原因和机理尚不清楚。 4、对力学信号转导的研究表明[12--14]：骨系细胞表面的离子通道在细胞膜受到力学作用数秒或数分钟后即可引起G蛋白