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基于納米顆粒的微重力誘導(dǎo)骨質(zhì)疏松癥對(duì)策研究

來(lái)源:北京基爾比生物科技有限公司   2025年07月08日 10:22  

(一)研究背景與目的 


- 骨質(zhì)疏松癥的機(jī)制:健康成年人的骨組織重塑由破骨細(xì)胞(骨吸收)和成骨細(xì)胞(骨形成)的協(xié)同作用完成,受局部、全身信號(hào)及外部刺激調(diào)控。失衡會(huì)導(dǎo)致骨質(zhì)疏松,表現(xiàn)為骨量低、強(qiáng)度下降、微結(jié)構(gòu)破壞,骨折風(fēng)險(xiǎn)增加。
 - 微重力與骨質(zhì)疏松:宇航員在微重力環(huán)境中,因肌肉骨骼系統(tǒng)機(jī)械應(yīng)力減少,會(huì)出現(xiàn)骨丟失(俄羅斯和平號(hào)空間站宇航員每月骨量丟失1-2%,部分脛骨遠(yuǎn)端6個(gè)月丟失達(dá)25%),且返回地球后骨密度和強(qiáng)度僅部分恢復(fù),長(zhǎng)期太空探索可能帶來(lái)更嚴(yán)重后果。 


【地面模擬利器,Kilby Gravity系統(tǒng)的技術(shù)突破】

太空實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)稀缺且昂貴,地面模擬微重力平臺(tái)成為研究的關(guān)鍵支撐。北京基爾比生物科技公司的Kilby Gravity重力模擬控制裝置提供了可及性強(qiáng)、精確度高的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

該系統(tǒng)核心技術(shù)在于三維隨機(jī)旋轉(zhuǎn)重力矢量分散機(jī)制。通過(guò)雙軸獨(dú)立控制旋轉(zhuǎn)系統(tǒng),使培養(yǎng)容器內(nèi)的重力矢量在空間快速隨機(jī)化,實(shí)現(xiàn)持續(xù)的10?3g微重力環(huán)境模擬——接近國(guó)際空間站的實(shí)際微重力水平。

北京基爾比生物科技公司的Kilby Gravity微重力培養(yǎng)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于多功能集成與實(shí)時(shí)監(jiān)控能力。設(shè)備內(nèi)置傳感器,可實(shí)時(shí)監(jiān)控并可視化重力水平;旋轉(zhuǎn)器主體緊湊設(shè)計(jì)可放入標(biāo)準(zhǔn)CO2培養(yǎng)箱,維持細(xì)胞培養(yǎng)的溫濕度和氣體環(huán)境。


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- 現(xiàn)有對(duì)策局限:宇航員目前采用的劇烈運(yùn)動(dòng)、均衡飲食、補(bǔ)充維生素D等方法無(wú)法消除骨丟失風(fēng)險(xiǎn),需開(kāi)發(fā)藥物治療手段。
 - 研究目的:探索含鈣羥基磷灰石納米顆粒(nCa-HAP)和含鍶羥基磷灰石納米顆粒(nSr-HAP)對(duì)微重力誘導(dǎo)骨質(zhì)疏松的防治效果,評(píng)估其在1g重力、微重力模擬器模擬微重力及國(guó)際空間站(ISS)真實(shí)微重力環(huán)境中對(duì)人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(hBMMSCs)骨重塑的影響。  
(二)實(shí)驗(yàn)材料與方法 
2.1 納米顆粒 
- 前期已開(kāi)發(fā)并化學(xué)表征了nCa-HAP和nSr-HAP,實(shí)驗(yàn)中使用牛血清白蛋白分散納米粉體制備懸浮液,濃度測(cè)試后確定62.5μg/mL為適宜濃度(安全性和有效性最佳)。  
2.2 細(xì)胞培養(yǎng) 
- 細(xì)胞來(lái)源:人骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(hBMMSCs),經(jīng)表型分析符合國(guó)際細(xì)胞治療協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)。 
- 培養(yǎng)基:   
- 增殖培養(yǎng)基(PM):低糖DMEM,含10%FBS、1%谷氨酰胺、50μg/ml青霉素-鏈霉素等。   
- 成骨培養(yǎng)基(OM):α-MEM,含10%FBS、50μg/ml青霉素-鏈霉素及成骨誘導(dǎo)劑(100nM地塞米松、5mMβ-甘油磷酸二鈉、50mg/ml抗壞血酸)。 
- 培養(yǎng)條件:37°C、5%CO?濕潤(rùn)培養(yǎng)箱,根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求在1g、RPM模擬微重力(88h,37°C,隨機(jī)速度和方向)及ISS真實(shí)微重力環(huán)境中進(jìn)行。  
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(三)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 
3.1 1g重力實(shí)驗(yàn):檢測(cè)細(xì)胞活力、增殖、凋亡、形態(tài),以及成骨分化相關(guān)指標(biāo)(堿性磷酸酶(ALP)活性、骨標(biāo)志物基因表達(dá)、礦化基質(zhì)沉積等),培養(yǎng)時(shí)間最長(zhǎng)28天。 
3.2 模擬微重力實(shí)驗(yàn)(RPM):使用STROMA硬件實(shí)驗(yàn)單元(EU),評(píng)估nCa-HAP和nSr-HAP對(duì)hBMMSCs在88h模擬微重力下的ALP活性等影響,設(shè)置地面對(duì)照組(GC)。
3.3 ISS實(shí)驗(yàn):15個(gè)Thermanox載玻片接種hBMMSCs,12個(gè)用于太空實(shí)驗(yàn),3個(gè)用于前期評(píng)估。6個(gè)STROMA EU分別進(jìn)行對(duì)照(#124、#125)、nCa-HAP處理(#126、#127)、nSr-HAP處理(#128、#129),于2015年4月14日由SpaceX CRS-6發(fā)射,4月18日開(kāi)始實(shí)驗(yàn),培養(yǎng)88h后處理樣本,返回地球后分析。 
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(四) 檢測(cè)方法 
4.1 細(xì)胞活力與增殖:MTT法,在1、3、7、8、28天檢測(cè),測(cè)595nm和650nm吸光度。 
4.2 凋亡檢測(cè):PSVue480染色,熒光顯微鏡觀察。 
4.3 形態(tài)學(xué)觀察:共聚焦激光掃描顯微鏡(CLSM),染色β-微管蛋白(綠色)和F-肌動(dòng)蛋白(紅色)。
4.4 ALP活性:比色終點(diǎn)法,測(cè)405nm吸光度,計(jì)算酶活性。 
4.5 礦化檢測(cè):茜素紅染色,4°C固定后染色, cetylpyridinium溶解后測(cè)562nm吸光度定量。 
4.6 基因表達(dá):qRT-PCR,檢測(cè)成骨相關(guān)基因(ALP、COL1A1、COL3A1等),以18S為內(nèi)參。 
4.7 蛋白檢測(cè):ELISA法,檢測(cè)細(xì)胞外基質(zhì)蛋白(I型和III型膠原、骨橋蛋白等)。 
4.8 晶體分析:顯微鏡成像,ImageJ軟件分析羥基磷灰石晶體形態(tài)和大小。 
 
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(五)實(shí)驗(yàn)結(jié)果 
5.1 1g重力條件下的結(jié)果 
- 細(xì)胞活力與增殖:nCa-HAP各濃度在1、3天對(duì)細(xì)胞活力無(wú)顯著影響;nSr-HAP在7天培養(yǎng)時(shí),濃度達(dá)62.5μg/mL時(shí)促進(jìn)細(xì)胞增殖(增加20-50%),且無(wú)凋亡跡象(與H?O?處理的陽(yáng)性對(duì)照組對(duì)比)。 
- 細(xì)胞形態(tài):nCa-HAP和nSr-HAP處理后,細(xì)胞仍保持典型的成纖維細(xì)胞樣形態(tài),生長(zhǎng)和生理黏附未受阻礙(光鏡、TEM觀察)。 
- 成骨分化:   
- ALP活性:在OM中,31.25和62.5μg/mL nSr-HAP處理組ALP活性顯著高于對(duì)照組(p<0.01),nCa-HAP組無(wú)顯著差異;28天時(shí)nSr-HAP組ALP免疫熒光更強(qiáng)。   
- 礦化基質(zhì):茜素紅染色顯示,OM中nCa-HAP和nSr-HAP處理組鈣沉積顯著多于對(duì)照組(p<0.001),nSr-HAP組效果更優(yōu)。   
- 基因表達(dá):OM中,nSr-HAP處理組ALP、DCN、RUNX2等成骨相關(guān)基因表達(dá)顯著上調(diào)(p<0.001);PM中,兩種納米顆粒均使COL1A1基因表達(dá)增加(p<0.001)。  
 - 蛋白沉積:ELISA和免疫熒光顯示,OM中nSr-HAP處理組的I型膠原、骨鈣素等骨基質(zhì)蛋白沉積顯著增加。  
5.2  模擬微重力(RPM)條件下的結(jié)果 
- RPM組成骨基因標(biāo)志物表達(dá)顯著低于GC組;nSr-HAP處理可對(duì)抗微重力引起的ALP活性降低,使其恢復(fù)至GC對(duì)照組水平,nCa-HAP無(wú)此效果。  
5.3  國(guó)際空間站(ISS)條件下的結(jié)果
部分實(shí)驗(yàn)單元(#124#126)受污染,RNA降解,無(wú)法進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組分析。 顯微鏡觀察顯示,ISS對(duì)照組晶體小于GC對(duì)照組(p<0.05);ISS和GC中,nSr-HAP處理組晶體尺寸均顯著大于nCa-HAP組和對(duì)照組(p<0.05),表明nSr-HAP在無(wú)重力下仍能促進(jìn)細(xì)胞外基質(zhì)礦化。 
 
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(六)結(jié)論與展望 
6.1 nSr-HAP在1g條件下能加速hBMMSCs向成骨細(xì)胞分化,增加ALP活性、骨標(biāo)志物基因表達(dá)及礦化基質(zhì)沉積。 在模擬微重力(RPM)中,nSr-HAP可保護(hù)微重力引起的ALP活性降低;在ISS真實(shí)微重力中,能促進(jìn)羥基磷灰石晶體沉積。 
6.2 nSr-HAP具有作為骨替代合成材料成分、藥物制劑添加劑或食品補(bǔ)充劑,向骨組織遞送Sr并促進(jìn)骨再生的潛力。  
6.3 需進(jìn)一步研究nSr-HAP激活的分子機(jī)制,包括對(duì)破骨細(xì)胞、骨細(xì)胞的影響及成骨-破骨細(xì)胞共培養(yǎng)體系的作用。 計(jì)劃探究nCa-HAP、nSr-HAP及Sr2?在Wnt/β-連環(huán)蛋白通路中的可能參與(該通路與骨骼生物學(xué)和疾病相關(guān))。后續(xù)將開(kāi)展更多地面實(shí)驗(yàn),以揭示成骨細(xì)胞活性背后的分子機(jī)制,為太空和地面骨質(zhì)疏松治療提供更充分的依據(jù)。  
研究參與機(jī)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)概況 
 參與機(jī)構(gòu):帕維亞大學(xué)分子醫(yī)學(xué)系、米蘭大學(xué)藥理與生物分子科學(xué)系、CNR結(jié)晶學(xué)研究所、Kayser Italia公司、意大利航天局等。
 ISS實(shí)驗(yàn)概況:屬于FUTURA太空任務(wù),2015年4月發(fā)射,培養(yǎng)88h,使用STROMA EU和KUBIK培養(yǎng)箱,溫度控制符合要求(37°C培養(yǎng),-95°C儲(chǔ)存),地面對(duì)照組同步進(jìn)行相同操作。
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北 京 基 爾 比 生物科技公司主營(yíng)產(chǎn)品:

Kilby 全自動(dòng)3D-clinostat 細(xì)胞培養(yǎng)儀,

Kilby Gravity 微/超重力三維細(xì)胞培養(yǎng)系統(tǒng),

3D回轉(zhuǎn)重力環(huán)境模擬系統(tǒng),隨機(jī)定位儀,

Kilby Bio類器官芯片搖擺灌注儀,

Kirkstall Quasi Vivo 類器官串聯(lián)芯片3D培養(yǎng)儀


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