靶向超声对运动系统的协同效应及分子机制研究

Nowadays the study of ultrasound in the diagnosis and treatment of motor system has become a hot and advanced topic. Low intensity pulsed ultrasound (LIPUS) has unique advantages, but the research progress of the optimal parameter combination, including strength, frequency, pulse mode and time, is comparatively slow, the experimental results are inconsistent, and the mechanism is still unclear. This project is to verify the synergistic effect of LIPUS targeting motor system that alternate irradiation on improving fatigue damage and fatigue fracture is better than that of LIPUS targeting bone single system through selecting the optimum parameter of LIPUS on muscle damage and bone injury caused by excessive load. MSTN, a key negative regulator of muscle, has been recognized to participate in the remodeling of bone. In this project, the cell and animal models will be treated with LIPUS in the optimal parameter combination, and then detect the expressions of MSTN and some key molecules of its downstream signaling pathways including, PI3K/Akt、Smads and Wnt/β-catenin, to reveal the molecular mechanisms by which LIPUS improve the muscle damage and bone injury due to over load from a new perspective. The study will provide a theoretical basis and innovation mode for LIPUS targeting motor system improving the fatigue damage.

超声诊疗运动系统的研究受到高度关注，已成为热点和前沿课题。低强度脉冲超声(LIPUS)具有独特优势，但作用强度、频率、脉冲模式及时间等参数优化组合方面研究进展缓慢且实验结果报道不一，作用机制仍不清楚。本项目通过筛选LIPUS改善过度载荷所致肌肉损伤和骨损伤的最佳参数，验证LIPUS靶向运动系统轮替辐照改善疲劳性骨损伤和疲劳性骨折的协同效果优于靶向骨骼单系统改善效果的理论推测。依据肌肉关键负调控因子MSTN参与骨重建的新进展，本项目使用LIPUS优化参数组合干预培养细胞和模型动物，检测MSTN及其参与调控的PI3K/Akt、Smads和Wnt/β-catenin信号通路中主要信号分子表达，从新的角度揭示LIPUS改善过度载荷所致肌肉损伤和骨损伤的分子机制，为超声靶向运动系统协同改善运动系统损伤提供理论依据和创新模式。

肌肉骨骼功能退化是航天医学和国民健康亟待解决的难题，超声诊疗一体化新发展阶段中针对肌肉骨骼进行调控方面的研究开始受到越来越多的关注。本项目根据肌肉和骨骼组织的异质性，在超声治疗时对多种参数进行优化，将声强和频率优先、再结合占空比和时间等参数从低到高依对次进行组合，在细胞水平上筛选了LIPUS 改善肌细胞和骨细胞的最佳参数：超声辐照中心频率为1-1.5MHz，脉冲频率为1kHz，占空比为20%时，30mW/cm2声强辐照对成肌细胞增殖、分化和肌管融合等效果优于80mW/cm2声强；对成骨细胞MC3T3-E1的增殖、分化、矿化及细胞迁移、Runx2表达等效应75或80mW/cm2声强效果更佳；对骨髓间充质干细胞80mW/cm2声强促进其增殖和分化效果更显著。据此为参照，在动物水平上筛选靶向运动系统（肌骨系统）对抗肌肉萎缩、改善肌肉疲劳与防治骨质流失、减缓骨损伤的最优超声治疗模式。.在动物水平上，本项目靶向肌肉和骨骼双层组织效应增加了轮替声强30/80mW/cm2照射的超声调控模式，观测了超声改善模型动物肌肉功能的同时促进骨质结构趋好的协同效应。模型动物结果显示，股四头肌和股骨的增重效果、股四头肌的肌肉张力、骨小梁间隙和股骨小孔损伤部位骨愈合等生物效应轮替声强30/80mW/cm2效果更显著。对肌肉形态、肌肉血管生成、MSTN介导的胞内调控蛋白质合成的 PI3K/Akt/mTOR等信号分子表达的生物效应30mW/cm2声强更明显；对骨骼的骨密度、骨小梁体积分数、骨小梁厚度、骨血管形成、骨生物力学指标及MSTN受体介导的胞内信号调控成骨的Wnt/β-catenin/Runx2等信号分子表达的生物效应80mW/cm2声强效果则更优。轮替声强30/80mW/cm2调控肌肉骨骼的测试指标生物效应多数介于30mW/cm2声强和80mW/cm2声强效应之间，显示LIPUS轮替声强辐照方式对肌肉骨骼的效应趋于均衡，有利于肌肉骨骼功能的协同改善。.本项目创新超声靶向肌骨系统的轮替声强辐照模式，通过肌肉特异性分泌因子MSTN作为“桥梁”分子分析超声调控肌骨系统功能协同的生物学机制，在超声靶向肌骨系统以协同对抗肌肉骨骼功能退化等航天医学或临床医学等领域的研究中提供实验基础和创新模式。