在骨代谢和重建研究中发现,体育锻炼和机械刺激可以促进成骨并抑制骨吸收;同时,长期卧床或者失重造成的机械负荷减少将使骨基质蛋白的合成减少,导致成骨和骨组织的钙化抑制以及骨吸收活动的加强,骨量下降甚至骨质疏松。在1999年,Burger提出假说,认为力学过载促进骨形成;力学少载促进骨吸收。这些研究结果都是基于骨组织水平的,但是这个假设是否同样适用于细胞水平?本研究提出假设认为体外培养的成骨细胞对过载和少载的响应同样符合Burger的假设。研究通过体外设计模拟力学过载和少载的处理方式,以Wistar新生鼠颅骨成骨细胞为研究对象,通过流动腔装置施以流体剪应力,从成骨细胞分泌的对破骨细胞分化起着调控作用的骨保护因子(OPG)和破骨细胞分化因子(RANKL)的基因表达角度以及从细胞的分化和矿化角度,研究成骨细胞对力学过载和少载的响应,验证我们的假说。主要内容和结果如下:设计加工了对单层细胞施以流体剪应力的流动腔装置。该装置能够提供充分发散的层流态流体,并可以通过调节流动泵的转速实现对流体流量的控制,从而改变剪应力的大小,整套装置简便,受试细胞数量大,所需灌流液可控制在35 mL以内能够对细胞进行有效的剪应力刺激,研究表明能满足各项生化指标的检测。采用原代组织块法培养了新生鼠颅骨成骨细胞,通过形态观察、Von Kossa染色鉴定表明具有成骨细胞的典型生物学行为。细胞经过传代培养大量扩增,可满足实验中数量的需要,并培养至第三代用于力学实验。设计了5、10、15 dyn/cm2梯度升高和降低加载6小时、12小时和5、10、20、30 dyn/cm2梯度升高、降低加载8小时六种不同的剪应力加载方式,模拟力学过载(梯度升高)和少载(梯度降低)过程,研究了它们对成骨细胞分泌的OPG、RANKL、碱性磷酸酶(ALP)、钙的影响,并与单水平的剪应力相比较。研究结果显示,每种梯度增加剪应力即力学过载均促进OPG mRNA的表达,同时抑制RANKL mRNA表达,表现出对破骨细胞分化的抑制作用;而梯度降低剪应力则相反,研究从OPG和RANKL角度证明了我们的假设。同时研究还发现,力学过载有利于成骨细胞的分化和矿化,力学少载中,30-20-10-5 dyn/cm2梯度降低8小时抑制了钙分泌,但促进了ALP活性,而其他两种梯度降低则促进了ALP活性和钙分泌。通过本研究,我们得到如下结论:从对破骨细胞分化的调控而言,力学过载促进成骨细胞对破骨细胞的抑制作用,力学少载促进成骨细胞对破骨细胞的促进作用;从成骨细胞的分化和矿化角度看,力学过载促进成骨细胞分化和矿化,与我们的假设相反,某种力学少载促进了成骨细胞分化和矿化,推测出现这种结果的原因可能是与我们所设计的梯度剪应力中梯度跨度和时间间隔的长短有关,也可能是成骨细胞对流体剪应力的响应首先发生在分子水平。