作者:彭磊,胡蕴玉,徐华梓,王臻,孟国林,孙峥,潘俊,胡经纬作者单位:(温州医学院附属二院骨科,浙江 325027) # V' s! D+ Q+ p3 S4 L
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【摘要】 [目的]探讨持续性压力培养环境对兔骨髓基质干细胞增殖的影响,揭示持续压力致假体松动下沉进展及其术后活动影响的生物学机制。[方法]以新西兰兔的骨髓基质干细胞为实验材料,通过四唑盐(MTT)比色试验,观察压力对骨髓基质干细胞增殖的影响。[结果]骨髓基质干细胞在20、60、100 kPa持续性压力培养环境下MTT反应的OD值显著小于对照组,压力值越大, OD值越小。20、60、100 kPa 持续性压力可显著抑制骨髓基质干细胞细胞增殖,抑制作用随压力值增大而增强。[结论]关节置换术后早期患者不宜过早下地,否则将产生持续性应力,可以引起骨髓腔内骨髓干细胞的抑制,不利于骨质愈合。且易产生假体下沉和松动。 ( `: K0 G! L1 [ 【关键词】骨髓基质干细胞; 持续性压力; 髋关节置换; 细胞增殖 : F- Y0 P& `) [5 P }9 O) i/ T △本课题受国家863课题(Z18-05-28)资助 ; i- ]: }, M+ D6 w( c 6 x9 e' B# Q% y Influence of continuous pressure on the function of rabbit bone marrow stromal cells proliferation∥ - x) U! d: P2 ?( Z& R: R- C+ d; V. n0 F; B2 g8 i" ?' ]
PENG Lei, HU Yunyu, XU Huazi, et al. 1 F3 w0 [, C. L1 }& W / [- b5 a$ y3 \; I l$ Y Orthopedic Department, Affiliated Second Hospital of Wenzhou Medical College, Wenzhou, 325027, China4 B& u4 m* w x; F
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U) Z7 ` W3 l& \& u! y Abstract:[Objective]To investigate the influence of pressure on the proliferation of rabbit bone marrow stromal cells (MSCs) and explain the relationship of the hip prosthesis submerge and loosening with continuous pressure after revision of total hip replacement.[Method]A unit of MSCs pressure model was set up to load different pressures on MSCs cultured in vitro.[Result]MSCs showed more proliferation capacity under discontinuous pressure. MTT assay was used to determine the cell proliferation of primarily cultured MSCs under discontinuous pressure. The MSCs OD value of pressured groups was much smaller than the control group at different times. Various magnitudes and durations of the discontinuous pressure could significantly suppress MSCs proliferation with the magnitude-dependent.[Conclusion]At the early period after revision of total hip replacement, patients should lie and exercise on the bed until 6 weeks. Otherwise, the weight-bearing pressure may restrain MSCs proliferation which is harmful to union and may cause prosthesis submerge and loose. / r$ Y& N& `! O3 T3 ]7 @! r1 b; x [5 I+ F5 ?+ h1 ^' U/ I+ J! h6 K/ u; `5 }/ ]0 p7 b
$ p b# x8 J6 N+ P2 ~6 @* C) s Key words:bone marrow stromal cells;continuous pressure;revision of total hip replacement;cell proliferation ! H+ }4 X# O! `+ `8 i P' W: ?6 O6 Q% W, D/ V' ~
骨髓基质干细胞来源的成骨细胞是骨髓腔内主要的受力细胞,在人工关节置换病例中,其生命活动状况与假体传导压力有密切关系,本文应用可控压力细胞加载装置和通过四唑盐(MTT)比色试验,观察压力对骨髓基质干细胞增殖的影响,以期为揭示持续压力致假体松动下沉进展及其术后活动影响的生物学机制奠定基础。/ W% k9 j$ P! b/ L
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髋关节置换术后经常发生假体松动、下沉、移位甚至脱落,是关节翻修手术重要因素之一。假体安装或者设计不当都会使骨组织受到不良的应力作用,也可使骨质破坏。关节外科所开展的生物力学研究,多偏重于阐明不同假体设计对股骨及其支持组织的应力分布产生何种影响。由于骨组织生物结构的复杂性,假体接触应力将引起骨组织应力细胞的变化情况及其机理,仍然是个值得探索的新领域。5 H" }) D3 ?3 H
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有实验报道,机械性应力应变是骨骼构建与重塑的基本动因[1]。适宜的应力环境可以促进骨代谢朝着最佳水平发展,反之则可导致不良后果。骨骼内的某些细胞能够感知生物物理性信号(如力学信号、电信号等),加工整合这些信号,并将之转化为相应的骨骼结构变化。细胞的这一功能被称为力学信号转导功能(mechanotransduction)[1]。这表明在骨骼的功能适应性机制中,力学现象与骨骼的构建、重塑是通过细胞的功能性变化而直接联系起来的。这些具有力学信号转导功能的细胞,由于它们对力学刺激敏感,故又称其为力学敏感性细胞。成骨细胞和破骨细胞分别是骨骼形成和吸收的效应性细胞。成骨细胞是骨骼中最重要的活性细胞,一般认为该细胞是力学信号转导中对应力应变信号进行感知的感受性细胞,同时作为效应性细胞增强骨骼的形成。 - b6 s) q, y/ C3 z" P' a' n' X9 l" Q0 T* M1 v5 H: }
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5 S! ]* n5 w: y e; L: R 细胞加载装置是研究体外活细胞对应力效应的先决条件。1985年Benase使用细胞牵张加载装置(flexercell strain unit), 通过弹性硅胶膜形变使所贴附的细胞受力,观察细胞在周期性牵拉作用下的变化。该系统对检测肌细胞、韧带细胞、骨细胞在张力作用下的反应发挥了重要作用,但其加载载荷的范围受弹性硅胶膜的性能和面积限制,且细胞受力的状况有可能受细胞对弹性硅胶膜粘附效果的影响。细胞液压加载装置[3]的问世为研究定量压力条件下的细胞力学反应提供了可能。 1 D1 A$ |* C' Z9 Y+ p4 A 1 ~7 b, R M" r* n5 B# [7 q! z# Y
- ]6 }/ b2 e2 w' @ 骨髓基质干细胞转化来的成骨细胞是关节置换手术后主要的应力细胞,同时具有合成胶原形成胶原纤维,分泌重要的活性物质以调控骨内组织的代谢等功能。骨髓基质干细胞生活在骨髓腔中, 该组织既是细胞物质交换的媒体又是传递和缓冲应力的介质。假体受力发生位移的同时,必然挤压骨内松质骨的组织液致使其组织液液压亦即骨髓基质干细胞的受力改变。因此,通过改变液压的方式实施对骨髓基质干细胞加载能比较好地模拟临床关节置换术后实际。本实验所用的可控压力细胞加载装置是在Yousefian [2]装置基础制作的。该细胞力学模型的建立,为进一步探索和揭示关节置换假体下沉的细胞和分子生物学机理提供了条件。1 \7 m& T0 U7 j( c; K
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应力对成骨细胞增殖的效应虽有报导,但结论并不一致。Ozawa等则通过向压力培养箱持续注入三种持续加压的混合空气, 作用于鼠成骨样细胞持续性压力,证实持续性压力对成骨细胞有抑制作用[3]。/ W2 O. Z. j0 [8 F7 H6 o
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本研究用可控压力细胞加载装置和MTT法观察了体外环境下正压力对骨髓基质干细胞增殖的影响,在体外培养环境下观察压力对骨髓基质干细胞增殖的影响。取第3~4代原代培养的骨髓基质干细胞,应用可控压力细胞加载装置分别持续性施加20、60、100 kPa的压力, 分别在培养的第1、3、5、7 d用MTT法测定各组的OD值。, `; L, _! U" m% A- K
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% ?3 t: T+ c1 k 表1证实骨髓基质干细胞在20、 60、100 kPa持续性压力培养环境下,MTT反应的OD值显著小于对照组,压力值越大, OD值越小。20、60、100 kPa 持续性压力可显著抑制骨髓基质干细胞细胞增殖, 该抑制作用随压力值增大而增强。发现自实验第3 d起,持续性压力各实验组骨髓基质干细胞的OD值逐渐升高,观察期越长,OD值越高,其中对照组骨髓基质干细胞的OD值升高幅度显著大于加压组。由于MTT比色法是基于活细胞线粒体中琥珀酸脱氢酶使外源性MTT还原为难溶性蓝紫色结晶物(Formanzan)沉积于细胞内,且该结晶被DMSO溶解并在酶联免疫检测仪显色,其OD值间接反应被检样本内的活细胞数的原理,因此,骨髓基质干细胞经3 d 20 kPa以上持续性压力作用后,其增殖受到明显的抑制,并且该压力抑制作用具有时间效应。 4 c; Y8 ?+ Z/ H( s" [; ~7 ]/ h5 t% D- I3 z. v0 K t
$ j) h8 i& M8 v) E/ { 6 S5 V% {5 V, H( V1 `2 l 据Kletsas[4,5]报导,成骨细胞牵张力作用1-6 h后就可以出现DNA合成活跃。而本文实验的第1 d,压力组骨髓基质干细胞的OD值与对照组之间并无显著差异。这表明若从细胞学水平观察压力对骨髓基质干细胞的效应,其效应出现在接受刺激的1 d之后。& G) p! e6 W& {6 \& K
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本实验提示临床关节置换术后,早期下地产生的持续性应力,会明显引起骨髓腔内骨髓干细胞增殖的抑制,不利于骨的重建愈合,更易产生假体下沉和松动。 . ^* r/ Y9 C$ h M% Y 【参考文献】9 I$ g6 I, Y; m: @6 m- x
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