骨骼肌废用及恢复对大鼠骨骼结构和力学性能的调节作用与机制

The mechanical environment plays an essential role in the regulation of bone structure and function. Muscular disuse induced by long-term bed rest, weightlessness and spinal cord injury is always accompanied by osteopenia and the deterior of bone mechanical properties. It has been long recognized that muscle force greatly contribute to the load on bone, but it remains unclear that how exactly the muscles regulate the function and structure of bone. According to our previous findings, the contraction force from the calf muscle mainly participates into the generation of torsional load on tibia in humans. It is indicated that the specific role of muscle force in generating specific loading regime on bone..Utilizing the hind-limb unloading disuse and recovery models in rats, the presented project is going to investigate: 1) the effects of muscle disuse, recovery and electrical muscle stimulation induced isometric contractions on bone structure and mechanical properties during the disuse phase and the following recovery phase; 2) Targeting to the discordant disuse and recovery between bone mechanical properties and bone mass, the present study hypotheses that bone optimize its mechanical properties via regulating the ultrastructure and mechanical properties to adapt to the mechanical environment induced by skeletal muscle disuse and recovery. The present project aims to understand the mechanisms of the regulatory effects of muscle activities on bone and the adaptation of bone to mechanical environment.

适当的力学环境对于维持骨骼的正常结构和功能至关重要。骨骼肌肌力被认为是生理条件下骨骼承受力学载荷的主要来源之一，长期卧床、失重或脊髓损伤等导致的骨骼肌废用往往伴随着骨质流失和骨骼力学性能降低。但目前骨骼响应肌力等力学环境的过程及机制尚不清楚。申请人前期研究发现：不同运动状态下，人踝跖屈肌群活动主要参与引起胫骨的扭转形变，提示肌肉在提供骨骼所需特定模式力学载荷中的作用。.本项目拟利用大鼠后肢去负荷废用及恢复模型：1）在废用期及恢复期，分别研究骨骼肌废用、恢复以及此过程中电刺激等长抗阻收缩活动对骨骼结构与力学性能的影响过程；2）针对骨骼力学性能在废用期先于骨量降低，在恢复期先于骨量恢复的现象，实验验证骨骼通过调节胶原纤维和羟基磷灰石晶体大小及排布等超微观结构，优化整体力学性能以适应骨骼肌废用和恢复引起的力学环境这一假设。揭示肌肉活动对骨骼的调节机制，为深入理解骨骼对力学环境的适应过程提供依据。

适当的力学环境对于维持骨骼的正常结构和功能至关重要。骨骼肌肌力被认为是生理条件下骨骼承受力学载荷的主要来源之一，长期卧床、失重或脊髓损伤等导致的骨骼肌废用往往伴随着骨质流失和骨骼力学性能降低。但目前骨骼响应肌力等力学环境的过程及机制尚不清楚。申请人前期研究发现：不同运动状态下，人踝跖屈肌群活动主要参与引起胫骨的扭转形变，提示肌肉在提供骨骼所需特定模式力学载荷中的作用。.本项目利用大鼠后肢去负荷废用模型以及在体胫骨轴向力学加载模型：1）在肌骨废用期，研究了骨骼肌废用过程中外加力学载荷对骨骼结构与力学性能的影响过程；2）针对骨骼力学性能在废用期先于骨量降低，在恢复期先于骨量恢复的现象，研究骨骼通过调节胶原纤维形貌、排布等超微观结构及力学性能，优化整体力学性能以适应骨骼肌废用和恢复引起的力学环境这一过程。研究发现，1 Hz、800微应变、每天200个加载周期的力学载荷首先改善胫骨的力学性能，对骨骼质量或骨密度的改善则有延迟现象。在28天的骨骼肌废用过程中，该中等强度的力学载荷基本能够维持骨骼的矿物质含量、结构和力学性能。在此基础上，本项目开展了骨骼在微观尺度对力学环境响应的研究。本研究使用原子力显微镜轻敲模式扫描骨胶原纤维图像，分析胶原纤维周期横纹长度以及胶原纤维角度，并基于原子力显微镜纳米压痕测试技术，测量胶原纤维径向弹性模量。结果表明3 N和6 N的力学载荷导致骨胶原纤维周期横纹长度明显变长，同时改变了周期横纹长度的分布。3 N的载荷并没有显著改变骨胶原纤维的角度，而6 N载荷下胶原纤维角度的分布与0 N和3 N显著不同。3 N和6 N的力学载荷并没有影响骨胶原纤维的原位力学性能。后肢肌骨废用导致骨胶原纤维的力学性能降低，而没有显著改变纤维的形貌和排布。废用骨骼在承受6 N的力学载荷时胶原纤维的排布散乱，但纤维的径向力学性能恢复至正常水平。该项目的研究为理解力学载荷对骨骼不同尺度的结构和力学性能调节机制，以及骨骼在宏观至微观尺度对力学环境的适应过程提供数据和理论支持。