多种强度静磁场调控成骨细胞摄取铁元素的作用及机制研究

Osteoblast forms bone and plays a pivotal role in the dynamic balance of bone homeostasis. Magnetic fields can enhance the ability of bone formation and is used to treat osteoporosis clinically. But the mechanism is not clear yet. Iron is an essential trace element for people. Osteoblasts can uptake iron via endocytosis based on the receptors on cell surface. Besides, Iron can affect normal metabolism of bone. We previously found that the electric characters of osteoblast responded differently to static magnetic fields (SMF) with altered iron content. The proliferation activity and nodule formation were also influenced. It suggests that the altered biological functions of osteoblast in SMF may involve iron uptake. In this process, the altered mechanical and electromagnetic properties of cell membrane may be associated with iron uptake. We intend to use four intensities of SMFs and investigate ①the influence of iron on the ability of proliferation, nodule formation of osteoblasts under SMF; ②the influence of SMF on iron uptake process, iron content and distribution in osteoblasts; ③the influence of SMF on mechanical and electromagnetic properties of cell membrane in osteoblasts; ④the relationship between mechanical and electromagnetic properties of cell membrane and iron uptake based on endocytosis. The research will enrich bioelectromagnetics theories and provide scientific basis for the maintenance of bone health and clinical application.

成骨细胞是骨代谢平衡中骨形成环节的重要功能细胞。多种磁场可影响骨形成，已被用于骨质疏松的治疗，但其作用机制尚未完全阐明。铁是人体必需微量元素，成骨细胞可通过细胞膜受体介导的胞吞作用摄取铁元素。细胞内不同含量铁元素影响骨骼的正常代谢。申请者前期研究发现：静磁场影响成骨细胞的电学特性、引起细胞内铁元素含量变化，同时影响成骨细胞增殖和矿化过程。因此，提出假设：静磁场通过调控成骨细胞对铁元素的摄取，影响成骨细胞的生物学功能；其机制可能是静磁场影响细胞膜的电学和力学特性，再通过细胞膜上受体联合影响铁元素摄取作用。 本项目拟采用四种不同强度静磁场研究：①静磁场下细胞内铁元素含量与成骨细胞增殖和矿化的关系；②静磁场对成骨细胞细胞膜介导的铁元素摄取过程、胞内含量和分布的调控作用；③静磁场对成骨细胞细胞膜电学和力学特性的影响；④静磁场下成骨细胞膜电学和力学特性的变化与细胞膜受体介导的铁元素摄取的关系。

成骨细胞是骨重建平衡中介导骨形成的重要功能细胞。静磁场可影响骨形成，已被用于骨质疏松和骨折的辅助治疗，但其作用机制尚不清楚。铁是人体必需微量元素，铁过载和铁缺乏都会影响骨骼的正常代谢。前期研究发现静磁场影响成骨细胞内铁元素含量变化，同时影响成骨细胞增殖和矿化过程。因此，本项目利用不同强度的静磁场，包括亚磁场、地磁场、中强磁场和强磁场，从细胞到动物，从正常小鼠到骨质疏松小鼠，系统研究了不同静磁场对成骨细胞的生物学功能与铁代谢的调控，亚磁场对后肢去负荷小鼠骨骼及铁代谢的影响，强静磁场对正常小鼠及骨质疏松小鼠骨骼与铁代谢的调控。.结果显示不同强度静磁场对成骨细胞增殖与分化的调控可能与细胞中铁元素含量的变化相关，特别是16 T强静磁场促进了成骨细胞增殖及增殖期间细胞铁含量，促进成骨细胞分化而减少分化期间细胞铁含量；亚磁场和0.2 T中强磁场对正常小鼠骨组织结构及功能没有影响；亚磁场加重了后肢去负荷诱导的小鼠骨质流失及骨铁蓄积；2-4 T强静磁场改善了正常小鼠及骨质疏松小鼠骨结构与功能，同时减少骨铁蓄积，而6-8 T和10-12 T强静磁场对正常小鼠及骨质疏松小鼠骨结构与功能有一定的损伤效应，同时增加骨铁蓄积。这些研究结果表明不同强度静磁场对成骨细胞及骨骼系统代谢的调控可能与铁含量的变化相关。.本项目研究的结果有助于我们理解静磁场成骨细胞及骨骼系统的生物学效应及潜在的机制，为将来开发静磁场辅助治疗或防护骨质疏松医疗设备提供理论基础，同时对开发铁螯合疗法治疗骨质疏松也具有一定的参考意义。