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随着“天问一号”“嫦娥五号”的深空探索工程拉开序幕,我国对探索太空的能力越来越强,太空正以无穷魅力吸引着我们不断探索前进。但与此同时太空极端环境对航天员身体健康的影响也不容忽视,“空间骨丢失”作为所有风险之首,如何采取应对措施已成为一项至关重要的任务。微重力对骨组织产生的主要宏观效应是骨量减少,这是由于微重力在细胞水平导致破骨细胞、成骨细胞和骨细胞的活性及信号传导受损造成的。然而骨细胞是如何感应微重力这种胞外物理信号并传递至胞内而产生一系列信号级联反应的?初级纤毛作为存在于多种细胞表面的“天线样”细胞器,已知对光、味、水流、电磁场等各种物理、化学因素敏感,在微重力环境引起的骨丢失过程中它会发生什么变化,是否可以利用初级纤毛作为靶点来研究微重力环境引起骨丢失的相关药物。基于上述设想,本文通过开展以下研究来探讨模拟微重力环境导致骨丢失的作用机制及应对措施。本实验采用的具体方法如下:1.无菌环境取出出生48小时内SD大鼠颅骨,使用胶原酶消化提取分离的成骨细胞作为本实验研究对象;2.使用中科院研发的SM-31三维回转仪来模拟微重力环境处理成骨细胞;3.免疫荧光染色法检测模拟微重力环境对成骨细胞初级纤毛的影响,Western blot检测模拟微重力环境对成骨细胞成骨活性蛋白与BMP-2/Smads通路相关蛋白的影响;4.免疫荧光共定位染色分析初级纤毛与BMP-2/Smads通路的关系;5.sh RNA法干扰初级纤毛,使用Western blot与RT-PCR分析初级纤毛对BMP-2诱导的BMP-2/Smads通路的影响,碱性磷酸酶与茜素红染色分析初级纤毛对BMP-2诱导的成骨细胞矿化成熟能力的影响;6.使用细胞松弛素D和过表达mi R-129-3p促进纤毛发生,检测它们对模拟微重力环境成骨细胞初级纤毛、成骨活性、BMP-2/Smads通路及矿化成熟能力的影响;7.使用水合氯醛去除初级纤毛,检测初级纤毛消失后过表达mi R-129-3p对模拟微重力环境成骨细胞成骨活性与矿化成熟能力的影响。实验结果如下:1.使用回转仪模拟微重力环境处理成骨细胞不同时间,统计免疫荧光结果显示,处理6h时成骨细胞初级纤毛长度和发生率均显著下降。Western blot结果显示,随着处理时间的延长,成骨细胞活性蛋白与骨形成重要通路BMP-2/Smads通路关键蛋白表达量均显著下调,碱性磷酸酶与茜素红染色结果也表明模拟微重力环境抑制了成骨细胞的矿化成熟能力。2.免疫荧光染色分析BMP-2/Smads通路相关蛋白和初级纤毛的共定位情况,发现的BMP-2、BMPRⅡ、p-Smad1/5/8与Smad1/5/8都在初级纤毛上存在分布。3.使用sh RNA干扰初级纤毛后,BMP-2诱导的BMP-2/Smads通路被抑制,成骨细胞矿化和成熟能力下降。4.当用细胞松弛素D和过表达mi R-129-3p促进纤毛发生后,模拟微重力环境下初级纤毛的长度和发生率显著升高,Western blot检测结果表示成骨细胞活性蛋白与BMP-2/Smads通路蛋白表达量也明显回升,碱性磷酸酶与茜素红染色结果表示成骨细胞矿化成熟能力也得到了保护。5.当提前使用水合氯醛去除细胞的初级纤毛后,过表达mi R-129-3p对模拟微重力环境成骨细胞的活性与矿化成熟能力的保护作用均消失了。上述结果表明,模拟微重力环境下丢失的初级纤毛与被抑制成骨活性存在密切关系,定位于初级纤毛中的多个BMP-2/Smads通路关键蛋白参与了这一过程,初级纤毛的完整结构是BMP-2/Smads信号转导所必需的,BMP-2/Smads信号转导是骨细胞正常发育所必需的,细胞松弛素D和过表达mi R-129-3p可以通过保护初级纤毛而维持BMP-2/Smads通路正常工作,从而保护模拟微重力环境被抑制的成骨活性,初级纤毛可以作为防止微重力下骨丢失的重要靶点。