- 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。
- 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。 - 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）。 - 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)。 - 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。 （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。 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。 - 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）。 - 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。 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。
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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