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背景:糖尿病是以血糖升高为典型内环境变化的一种常见慢性代谢性疾病,有骨质疏松等数十种并发症。高血糖状态影响成骨细胞和破骨细胞的生物学行为,破坏骨形成和骨吸收间的动态平衡,降低骨组织单位体积骨量、增加骨脆性,最终导致骨质疏松的发生,称为糖尿病性骨质疏松（Diabetic Osteoporosis,DOP）。目前,糖尿病性骨质疏松的治疗方式以治疗高血糖为主,并联合抗骨质疏松治疗、饮食管理和运动锻炼等其他治疗手段。降糖治疗（胰岛素、噻唑烷二酮类和磺脲类降糖药）可能降低患者骨矿物质密度,增加骨折风险;抗骨质疏松药物特立帕肽与患者空腹血糖升高有关。运动锻炼在调节血糖的同时能对抗骨质流失,但摔倒风险增加,且部分肥胖患者运动锻炼意愿不高。高频率低载荷机械振动（Low-magnitude High-frequency Vibration,LMHFV）是一种“被动”运动形式,患者只需手握扶手站立于机械振动台上,相较传统运动锻炼安全性更高。LMHFV因高频率低载荷（20-90Hz,加速度＜1g）的振动特点,在引起机体力学效应的同时避免了对人体健康的损害。本课题组近期研究发现,LMHFV能够降低糖尿病大鼠血糖、改善股骨骨矿物质密度、骨微结构和力学性能。然而,LMHFV改善糖尿病性骨质疏松的机理仍不明确,LMHFV对高糖环境下成骨细胞和破骨细胞的作用及其中分子机制有待进一步研究。方法:体外实验:1、成骨细胞:（1）将MC3T3-E1细胞培养于高葡萄糖浓度的培养液中构建高糖环境成骨细胞模型;将LMHFV加载于高糖环境培养的MC3T3-E1细胞构建高糖环境下成骨细胞的LMHFV治疗模型。（2）CCK8法检测MC3T3-E1细胞活性;鬼笔环肽染色观察MC3T3-E1细胞骨架。（3）蛋白免疫印迹技术（Western Blot,WB）和酶联免疫吸附实验（Enzyme-linked Immunosorbent Assay,ELISA）检测MC3T3-E1细胞的成骨相关蛋白表达。（4）碱性磷酸酶（Alkaline Phosphatase,ALP）染色和茜素红S（Alizarin Red S,ARS）染色分析MC3T3-E1细胞分化矿化情况。（5）m RNA测序技术检测MC3T3-E1细胞基因表达情况;R语言的limma包筛选组间差异表达基因（Differentially Expressed Genes,DEGs）;对差异表达基因进行功能通路富集分析和蛋白网络互作分析,寻找LMHFV敏感的关键信号通路和核心基因。（6）免疫荧光观察MC3T3-E1细胞初级纤毛的形态和长度;IFT88sh RNA构建初级纤毛敲除的MC3T3-E1细胞模型。2、破骨细胞:（1）将RAW264.7细胞培养于高糖培养液中构建高糖环境破骨细胞模型;将LMHFV加载于高糖环境培养的RAW264.7细胞构建高糖环境下破骨细胞的LMHFV治疗模型。（2）RANKL诱导RAW264.7细胞向破骨细胞分化;抗酒石酸酸性磷酸酶（Tartrate-resistant Acid Phosphatase,TRAP）染色法检测成熟破骨细胞。（3）蛋白免疫印迹技术（WB）和酶联免疫吸附实验（ELISA）检测破骨相关蛋白表达;骨吸收实验检测破骨细胞的骨吸收能力;Transwell实验检测RAW264.7细胞的迁移能力。（4）慢病毒转染构建MMP9过表达的RAW264.7细胞模型。（5）Discovery Studio软件评估MMP9蛋白结构,并对高选择性MMP9拮抗剂进行药效团分析;Shordinger软件进行MMP9蛋白结构和高选择性MMP9拮抗剂的虚拟对接分析;GROMACS软件进行分子动力学模拟分析。体内实验:（1）链脲佐菌素（Streptozocin,STZ）构建糖尿病大鼠模型,并施加LMHFV加载。（2）体重秤和血糖仪测量大鼠体重和血糖。（3）Micro-CT扫描分析大鼠胫骨近端骨矿物质密度和骨微结构。（4）苏木精-伊红（Hematoxylin-Eosin,HE）和马松（Masson）染色法观察大鼠胫骨近端骨组织形态。（5）免疫组织化学（Immunohistochemistry,IHC）染色法检测大鼠胫骨组织中PI3K、AKT、TRAP和MMP9的表达情况。结果:体外实验:1、成骨细胞:（1）高糖环境抑制MC3T3-E1细胞活性、降低成骨相关蛋白表达、阻碍成骨分化,25.5mmol/L葡萄糖浓度的高糖环境作用显著。LMHFV改善高糖环境下MC3T3-E1细胞分化、成熟和矿化等生物学行为,加载30分钟效果最佳。（2）生理环境和高糖环境下,LMHFV加载所调节的基因分别有150个和147个。PI3K/AKT信号通路与LMHFV密切相关。MMP9表达对LMHFV敏感。PI3K/AKT信号通路与糖尿病和骨质疏松的发生发展有关。（3）MC3T3-E1细胞表达初级纤毛。高糖环境减少MC3T3-E1细胞初级纤毛的长度。LMHFV激活高糖环境下MC3T3-E1细胞被抑制的PI3K/AKT信号通路。（4）IFT88sh RNA能够敲除MC3T3-E1细胞的初级纤毛。无力学刺激加载的条件下,初级纤毛敲除不影响MC3T3-E1细胞的生物学行为和PI3K/AKT信号通路。（5）高糖环境下LMHFV通过初级纤毛激活PI3K/AKT信号通路。LMHFV通过初级纤毛-PI3K/AKT信号通路促进高糖环境下MC3T3-E1细胞的分化、成熟和矿化。2、破骨细胞:（1）RANKL能够诱导RAW264.7细胞分化为成熟破骨细胞。（2）LMHFV加载下破骨细胞分化、成熟、骨吸收和破骨前体细胞迁移被抑制。LMHFV降低MMP9的表达,调节MMP9上游的TRAF6-ERK/p38MAPK信号通路。（3）MMP9过表达促进破骨细胞分化、成熟,增强骨吸收。LMHFV通过降低MMP9蛋白表达抑制破骨细胞。（4）高选择性MMP9拮抗剂JNJ0966和MMP9-IN-1可成功与MMP9蛋白结构对接,对接评分别为-6.629和-8.618。MMP9与其高选择性拮抗剂形成的复合物能稳定存在。（5）JNJ0966和MMP9-IN-1抑制破骨细胞分化、成熟、骨吸收和破骨前体细胞的迁移。体内实验:（1）LMHFV降低糖尿病大鼠血糖,缓解其体重下降。（2）糖尿病大鼠胫骨近端的骨矿物质密度（Bone Mineral Density,BMD）、骨小梁体积分数（Bone Volume/Tissue Volume,BV/TV）、骨小梁数目（Trabecular Number,Tb.N）和骨小梁厚度（Trabecular Thickness,Tb.H）均降低,骨小梁分离度（Trabecular Separation,Tb.Sp）增加。LMHFV改善糖尿病大鼠胫骨近端骨微结构。（3）糖尿病大鼠胫骨近端骨组织形态被破坏,LMHFV能够对抗该破坏作用。（4）LMHFV增加糖尿病大鼠胫骨组织PI3K和AKT的表达。（5）LMHFV抑制糖尿病大鼠胫骨组织TRAP和MMP9的表达。结论:1、25.5mmol/L葡萄糖浓度的高糖环境对成骨细胞分化、成熟和矿化的抑制作用显著;LMHFV能够改善高糖环境下成骨细胞的生物学行为,且加载30分钟时效果最佳。2、初级纤毛-PI3K/AKT信号通路参与LMHFV改善高糖环境下成骨细胞的生物学行为。3、LMHFV抑制破骨细胞分化、成熟、骨吸收和破骨前体细胞的迁移;MMP9参与LMHFV对破骨细胞的抑制。4、LMHFV降低糖尿病大鼠的血糖、缓解其体重下降,改善糖尿病大鼠胫骨骨矿物质密度、骨微结构和骨组织形态。