膜骨架spectrin在模拟微重力效应导致的骨细胞力敏感性改变中的作用

The decrease of mechanosensibility of osteocytes plays an important role in the process of bone loss under microgravity. However, the mechanism remains unclear. The spectrin-based membrane skeleton not only is responsible for the mechanical properties of cells but also acts as the interface of signal transduction. The spectrin of nonerythrocytes has been noted for being involved in many physiological processes. We speculated that the alteration of spectrin may contribute to the change of the osteocyte mechanosensibility under microgravity. With drug and gene silencing to crosslink and depolymerize spectrin network and home-made device to load under simulated microgravity, the elastic modulus, the arrangement/expression of membrane skeleton/cytoskeleton and biological response to the load are to be determined to investigate the role of the spectrin in detecting load. In addition, base on the true geometry , a mechanical model of osteocyte is to be established which includes the membrane skeleton element and is suitable for microgravity environment to analyze and predict the elastic modulus and the response of the cell to the mechanical stimulation. This work will be helpfu to clarify the mechanism of bone loss under microgravity and design an effective countermeasure.

骨细胞力学敏感性下降在失重性骨丢失的发生中起着重要作用，但发生机制待深入研究。膜骨架spectrin影响细胞力学特性，还是细胞内外信号转导界面。非红细胞中spectrin被发现参与多种生理过程而受到关注。我们推测微重力下spectrin的变化可能是骨细胞力学敏感性改变的重要原因之一。拟以骨细胞MLY-O4为研究对象，药物/基因沉默特异性交联/解聚spectrin，用自主研制装置实现模拟失重效应同时对细胞加载力学刺激，通过检测细胞弹性模量、膜骨架及细胞（质）骨架的排布和表达以及力-生物学响应，研究spectrin在骨细胞对力学载荷识别中的作用以及模拟微重力效应下spectrin的变化对骨细胞力学敏感性的影响。建立含有膜骨架结构、适合描述微重力下细胞力学行为的骨细胞模型，预测细胞弹性模量及对载荷的响应，与实验数据相互验证。这将有助于阐明失重性骨丢失的机制，为设计有效对抗措施提供新的有力依据。

骨细胞是骨组织中的力学感受器，在模拟微重力效应下，骨细胞力学敏感性下降，但发生机制尚不明确。膜骨架spectrin是连接细胞膜与细胞骨架的重要结构，也是细胞内外信号转导界面，但目前关于spectrin膜骨架在骨细胞感知与传导机械载荷过程中的研究并未见报道。本课题以骨细胞中的spectrin膜骨架为研究对象，研究了spectrin膜骨架对骨细胞力学敏感性的影响，通过模型计算与实验验证研究了spectrin膜骨架在模拟微重力效应导致的骨细胞力敏感性降低中的作用。研究结果表明， spectrin膜骨架是骨细胞力学传导过程中的重要骨架结构，不仅对于骨细胞力学敏感因子，包括一氧化氮、钙离子以及细胞间隙连接具有重要调控作用，对于骨细胞的静、动态力学性能均也具有决定性作用。在模拟微重力效应下，spectrin膜骨架结构变化，向细胞边缘聚集，抑制骨细胞内SOC钙离子信号通路，使骨细胞力学敏感性降低。这表明，在模拟微重力效应导致的骨细胞力学敏感性下降的过程中，spectrin膜骨架的结构发挥着重要作用。本项目的研究补充了我们对于细胞骨架参与骨细胞力学传导的认识，我们建立的基于骨细胞真实形态的有限元模型也为阐明细胞响应力学刺激的复杂机制提供了一个有效手段。