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[研究背景]腰椎间盘退变是引起临床上各种下腰痛、腰椎间盘突出及腰椎管狭窄的常见病理生理过程。研究表明,搬运重物的体力劳动者、长时间坐位工作者在病理学上椎间盘退行性改变显著；从事机床、卡车司机及搬运重物的职业是下腰痛及椎间盘突出的危险因素,患椎间盘突出症的几率是一般成人的3倍。由此可见力学因素在腰椎间盘退行性变的发展中起非常重要的作用。在生物化学水平上,椎间盘退变首先表现为髓核基质蛋白改变,糖胺聚糖减少、Ⅰ型胶原蛋白(Collagen-Ⅰ)和Ⅱ型胶原蛋白(Collagen-Ⅱ)比例变化,伴基质金属蛋白酶(MMPs)合成及活性增加,纤维环则主要表现为基质蛋白中胶原组分和构成的变化。因此,研究力学因素对基质蛋白的影响对于深入理解椎间盘退变的过程有重要意义,可为临床治疗提供理论依据。[目的](1)深入研究牵张力对人椎间盘细胞基质蛋白及其代谢相关基因表达的影响,以及力学作用后相关基因的时间动力学变化,探讨牵张力在腰椎间盘退变过程中的作用；(2)建立基因芯片,研究牵张力作用于椎间盘细胞后其余基因的变化,寻找其中变化显著者,为进一步深入研究奠定基础、指明方向。[材料与方法]取人腰椎间盘组织体外培养纤维环细胞及髓核细胞。(1)验证纤维环细胞及髓核细胞的表型；(2)将纤维环细胞及髓核细胞种植于弹力膜上,分别施加2%、5%、10%形变量的牵张力1小时,24小时后用Real-time RT-PCR检测基质蛋白Aggrecan和Collagen-Ⅱ、基质降解酶MMP-3及其抑制剂TIMP-1的mRNA表达变化；(3)10%形变量的牵张力作用于纤维环细胞后,用Affymetrix公司提供的GeneChip3’IVT Express Kit行基因芯片实验,检测纤维环细胞中各基因表达变化；(4)以10%形变量的牵张力作用于髓核细胞1小时,此后分别于0、12、24、48小时收取细胞,检测Aggrecan、Collagen-Ⅱ、MMP-3、TIMP-1mRNA表达变化及其时间动力学特点。[结果](1)纤维环细胞及髓核细胞呈多角形单层生长,Ⅱ型胶原表达阳性；(2)纤维环细胞中,5%及10%形变量牵张力对Aggrecan mRNA表达无显著影响,但可明显促进Collagen-Ⅱ、MMP-3及TIMP-1mRNA表达(P<0.05),以TIMP-1升高为著；2%牵张力对上述基因表达均无显著影响：(3)10%形变量的牵张力作用1小时后,纤维环细胞中mRNA表达出现2倍以上变化的基因有1600多个,5倍以上变化的基因有119个。mRNA水平升高最为显著的四个基因是SERPINA1、IL-8、PRG4和TNFAIP6,分别为对照33.8倍、27.1倍、26.9倍和25.3倍；下降最为显著的基因是KRT19,其表达降至对照的0.04。(4)髓核细胞中,5%和10%形变量的牵张力均可显著抑制Aggrecan mRNA表达,促进MMP-3及TIMP-1mRNA表达(P<0.05),以MMP-3升高为著。5%牵张力促进Collagen-Ⅱ mRNA表达,10%牵张力则表现为抑制作用(P<0.05)。(5)10%牵张力作用后,髓核细胞不同基因mRNA的表达呈现一定时序性：Aggrecan和Collagen-Ⅱ mRNA分别于作用后12h、0h降至最低值,MMP-3和TIMP-1mRNA分别于作用后0h、24h达峰。[结论](1)牵张力对椎间盘细胞基质蛋白的影响与牵张力强度有关：低强度(2%形变量)牵张力对纤维环细胞基质蛋白表达无显著影响；中等强度(5%形变量)和较高强度(10%形变量)牵张力在纤维环细胞中倾向于引起基质重塑,而在髓核细胞中则表现为基质破坏为主的过程,且在较高强度牵张力时该作用更为显著。髓核细胞对牵张力的耐受阈值可能较纤维环细胞低。(2)较高强度牵张力作用后髓核细胞细胞外基质中不同基因mRNA表达有一定时序性,反映了基质急性损伤和修复、重塑的过程。力学刺激强度、持续时间以及作用时间间隔可能决定了髓核细胞是否朝退变方向发展。(3)除了已知MMPs、TIMPs参与维持基质稳定的过程,SERPINA1、GRP4等基因也可能在椎间盘基质代谢中扮演重要角色。关于力学因素对椎间盘SERPINA1、GRP4、KRT19表达的影响在国内外尚属首次报道。