极端力学环境下骨组织损伤、适应与重建的力学生物学机理研究

Aeronautic, astronautic and nautical activities, such as launch and return of spacecraft, taking off and landing of carrier-based aircraft, deep-sea diving work. These activity make human subjected to extreme mechanical environment such as hypergravity, high pressure, and overload which are harm to human seriously. Bone is the organ to sustain mechanical loading, how bone tissue reacts to extreme mechanical environment at cellular, molecular and tissue level, and the studies of injury, adaption and remodeling of bone exposed to extreme mechanical environment are very import task and urgently needed. In this study, based on previous studies of bone mechanobiology subjected to physiologically mechanical loading, at the levels of tissue, cell and molecule, we investigate bone response to extreme mechanical enviroment. On the experimental platform established by ourselves, through response of in vitro bone tissue/cell, changes of signal molecules, and tissue remodeling, we study the relationship among injury, remodeling , adaptive change and repair of bone exposed to extreme mechanical environment, and investigate the mechanobiological response law. We establish porous medium model, carry out theoretical prediction and finite element simulation of mechanical performances, and research bone remodeling and effects of extreme mechanical loading on bone. Through animal model, we study changes of morphology, architecture and mechanical performances of bone tissue, and investigate.mechanisms of bone injury and adaption to extreme mechanical environment. These studies will open up a path for studying bone remodeling exposed to extreme mechanical loading, and lay theoretical foundation for resisting extreme mechanical environment, prevention and cure of related bone injury..

航天器升空及返回、舰载机起降、深海潜水、高强度作业等活动，使人类处于高G、高压、过载的极端力学环境，对机体危害很大。作为承重器官，骨在极端力学环境下细胞的响应、分子水平的变化、组织重建，其损伤、适应、重建与对抗极端力学环境的机理亟需研究。课题以生理力学条件下骨力学生物学研究成果为基础，从组织、细胞和分子水平研究骨胳对极端力学环境的响应。通过骨组织/细胞响应、自由基-炎症反应、组织重建，研究骨组织损伤、重建、适应性变化和修复之间的相互关系，探讨力学生物学响应规律，以及通过“力学-药物耦合干预”对抗骨损伤的可能性；采用计算生物力学方法，进行极端力学环境所致骨损伤、重建和力学性能的模拟预测；通过动物模型，研究骨组织形态结构及力学性能的变化，骨损伤、适应和对抗极端力学环境的过程及机理。开拓极端力学环境下骨重建研究的新领域，为对抗极端力学环境、防治相关骨损伤奠定理论基础。

载人航天器发射与返回、海洋油气资源的开发与利用等国家重大生产和科研探索，以及重大灾害救援中，航天员、潜水员及救援人员等处于极端力学环境中，对人体骨组织会造成很大损伤，严重威胁有关人员的健康和安全。因此，开展极端力学环境下骨组织/细胞的生长、分化、损伤、力学-药物耦合、重建和适应性变化的研究有着重要的意义。.项目探讨了微重力环境下骨吸收的基因调控对抗机制，CKIP-1 影响骨代谢与成骨分化的力学生物学特征，miRNA let-7i-5p促进骨折愈合与重建的机理；通过有限元仿真、组织工程化骨、动物实验等技术进行了高G与微重力、疲劳和过载对骨重建影响的研究，探讨了力学-药物耦合对抗疲劳与过载骨损伤的方法；通过深潜高压和高原低压环境下的细胞、动物实验，对骨组织的损伤、重建机制以及对抗措施进行了研究。.研制出用于高G、高压、过载等极端力学环境多种动物、细胞水平的实验设备，建立了技术平台和实验方法；通过多水平、多尺度对极端力学环境下骨组织、细胞损伤与重建机理，以及力学-淫羊藿苷等耦合干预的适应和对抗骨损伤力学生物学机制及药物防护研究。使骨组织损伤、适应与重建的载荷范围从微重力到超重、疲劳到过载、高原低压到深海高压，形成了一个完整的全载荷谱，达到了从面力（疲劳、过载、高原低压、深海高压）到体力（微重力、超重）不同的载荷作用方式，提出了极端力学环境骨重建等效载荷谱的概念，发展和丰富了Frost的骨重建理论。提出了采用基因调控方法对抗微重力所致骨质疏松，以及在骨折愈合中临床应用的新思路，发现了微重力、高G重力场变化影响骨重建力学生物学新的现象。提出了采用力学因素、肌肉阻抗、预防给药对抗极端力学环境所致骨损伤的干预方法。研究成果对处于极端力学环境下人员的骨组织损伤、重建与防护有着重要的理论指导和临床应用前景。