静磁场下铁元素通过调控线粒体氧化呼吸链影响破骨细胞分化功能

Iron is an essential trace element for human being. Iron overload promotes osteoclast differentiation via enhanced mitochondrial function and reactive oxygen species, which consequently induces osteoporosis. Certain static magnetic fields (SMFs) have positive effects on skeleton system. However, there are few studies focusing on the responses of osteoclasts to SMF. Our recent research showed that SMF can modulate osteoclast differentiation, with the altered level of iron metabolism. Meanwhile, expressions of mitochondria complex I-V proteins are influenced. Basing on this, we propose a hypothesis that the static magnetic fields induce osteoclast differentiation via iron-mediated mitochondrial respiratory chain..We will carry out following investigations by using two types of SMFs differing in intensities (hypo and high SMF): ①influence of SMFs/iron on osteoclast differentiation; ②influence of SMFs/iron on the content and distribution of iron in osteoclast; ③influence of SMF/iron on mitochondrial respiratory chain and yields of reactive oxygen species. The objective of this research is to provide new experimental evidence for better understanding the balance of bone metabolism under SMFs and provide some theoretical basis for maintenance of bone health by using iron and SMFs.

铁是人体必需微量元素，铁过载可通过增强线粒体活性氧生成，促进破骨细胞分化，从而导致骨质流失。静磁场对骨骼系统有正向的促进作用，具有骨吸收重要功能的破骨细胞对静磁场的响应少有研究。申请者研究发现静磁场影响破骨细胞的分化，引起细胞铁代谢水平变化，同时影响线粒体呼吸链复合体蛋白的表达。因此提出：铁元素通过调控线粒体氧化呼吸功能，引起破骨细胞活性氧水平改变，参与静磁场影响破骨细胞分化过程。. 本项目拟采用两种不同强度（亚磁和强磁）静磁场研究：①静磁场/铁元素对破骨细胞分化的影响；②静磁场/铁元素对破骨细胞铁元素含量与分布的影响；③静磁场/铁元素对线粒体氧化呼吸以及活性氧生成的影响。本研究将为深入理解磁场环境影响骨骼代谢的平衡机制提供新的实验依据，并为利用铁元素和磁场维护骨骼健康提供理论基础。

本项目的研究目的是探究铁元素通过调控线粒体氧化呼吸链在静磁场影响破骨细胞分化的作用机制。本项目研究表明，静磁场对破骨细胞分化的影响与静磁场强度相关，16T强磁场抑制破骨细胞分化，500nT亚磁场以及0.2T中强磁场显著促进破骨细胞分化过程。与此同时，破骨细胞铁代谢相关蛋白、线粒体复合体相关蛋白表达发生变化。采用MC3T3-E1细胞为模型研究发现，静磁场对该细胞增殖的促进作用与其铁摄取增强相关。据此我们推测，静磁场对破骨细胞分化的调节作用与细胞铁摄取导致的线粒体活性变化相关。为了验证这一假说，我们开展了不同浓度铁元素对破骨细胞分化、铁元素代谢、线粒体活性、活性氧生成以及相关信号通路MAPKs的研究。采用贴螯合剂去铁胺以及转铁蛋白复合处理实现不同浓度铁元素处理。实验结果显示，去铁胺显著抑制破骨细胞的活力和分化，转铁蛋白则起到促进作用。去铁胺对破骨细胞的抑制作用与细胞铁摄取相关，转铁蛋白可以挽救去铁胺的抑制效应。去铁胺显著降低破骨细胞内的铁含量，抑制细胞内铁蛋白及游离铁离子含量，同时促进铁通道蛋白（ferroportin 1，FPN1）的表达，最终引起细胞内铁匮乏。去铁胺降低破骨细胞内铁含量与其铁螯作用以及FPN1的高表达相关。去铁胺显著抑制破骨细胞内线粒体所有复合体活性，其原因与对线粒体DNA以及核基因编码相关呼吸链蛋白表达抑制相关，与线粒体数量以及DNA拷贝数无关。去铁胺促进破骨细胞线粒体活性氧大量生成，但细胞内总活性氧没有变化。同时，去铁胺抑制MAPKs（ERK1/2，JNK和p38）的激活，甚至可以抑制活性氧过氧化氢对MAPKs的激活作用。为了进一步在体内实验研究铁元素在静磁场影响破骨细胞分化中的参与作用，我们也检测了长期静磁场处理对小鼠骨微观结构以及力学性能的影响。然而整体水平的结果表明，500nT以及0.2T单独静磁场处理并没有对小鼠股骨的微观结构和力学性能产生影响。单独静磁场处理并不会对小鼠骨骼健康产生有害的影响。这些结果表明静磁场对破骨细胞分化的调节作用与铁摄取相关。铁元素可通过转铁蛋白受体介导的胞吞作用进入破骨细胞，增加细胞铁元素含量，促进线粒体呼吸链活性，激活MAPKs信号通路，进而促进破骨细胞分化。