Ca2+/NFAT信号通路在成骨细胞脉冲电磁信号转导中的作用及机制研究

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51907111
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    27.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0708.生物电磁技术
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2019
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2020-01-01 至2022-12-31

项目摘要

Pulsed electromagnetic fields (PEMF) are capable of promoting bone fracture healing and inhibiting bone loss. However, the potential mechanism by which PEMF stimulation affects the skeleton remains unclear thus far, which greatly limits the extensive and scientific application of PEMF in clinics. The findings from our group demonstrate that osteoblasts exhibit unique cytosolic Ca2+ oscillation with multiple Ca2+ spikes in response to PEMF stimulation, revealing that osteoblasts as the key target cells sensing external electromagnetic signals in the skeleton can respond to exogenous PEMF stimulation via unique Ca2+ oscillation. However, the mechanism by which osteoblasts decode and transduce this unique Ca2+ oscillation remain unclear. Substantial evidence has shown that NFAT exhibits the decoding effects for low-frequency Ca2+ oscillation in kidney cells and cardiac cells. Thus, the current project aims to analyze the spatiotemporal distribution characteristics of intracellular Ca2+ and NFAT in osteoblasts subjected to PEMF stimulation via dual-channel Ca2+ and NFAT confocal imaging and thereby clarifies the decoding effects of NFAT on PEMF-induced Ca2+ oscillation in osteoblasts. Then, we will also analyze osteoblast activities and functions in response to PEMF stimulation after the NFAT signaling is blocked, and thus clarify the transducing effects of NFAT on PEMF-induced Ca2+ oscillation in osteoblasts. Together, the present investigation aims to systematically clarifies the mechanism by which osteoblasts decode and transduce the calcium signaling under the PEMF stimulation, which is helpful for advancing our understanding for the mechanism about bone’s electromagnetic signal transduction and how PEMF promote bone formation and fracture repair, and providing important experimental evidence for more scientific clinical application of PEMF in the treatment of bone diseases.
脉冲电磁场(PEMF)能够加速骨折愈合并抑制骨丢失,但是它对骨骼的作用机制尚未阐明,这也限制了其广泛科学的临床应用。我们的实验表明PEMF能诱发成骨细胞(OB)产生胞浆“多峰钙振荡”这一独特现象,揭示了OB作为骨感应PEMF的主要靶细胞通过钙振荡来感应处理外源性电磁信号,但是OB对于这种钙振荡的解析和转导机制仍不明确。研究发现NFAT在心脏、肾脏等细胞中对低频率钙振荡具有解码效应。本项目拟采用NFAT与Ca2+双通道共聚焦成像研究PEMF刺激下OB胞浆NFAT与Ca2+时间-空间分布特征,阐明NFAT在PEMF诱发的OB钙振荡的解码功能;随后研究NFAT受抑制的OB在PEMF刺激下生物活性功能的改变,明确NFAT在OB钙信号转导中的作用。本项目旨在阐明电磁作用下OB钙信号的解析和转导机制,从而深化对于骨的电磁信号转导及PEMF促成骨机理的认识,为PEMF更科学的临床骨疾病治疗提供重要依据。

结项摘要

本课题从PEMF激活OB中钙/NFAT信号这一崭新角度为切入点,系统探索了OB对于PEMF刺激的信号响应和转导机制,主要内容包括:(1)研制了基于3-Helmholz线圈的新型程控多波形电磁发生系统、多尺度的骨及骨细胞机械应力加载系统,该系统所产生的电磁场空间分布均匀性显著高于传统的2-Helmholz线圈系统。(2)构建了胰岛素依赖的速发型糖尿病诱导的骨质疏松模型和糖皮质激素地塞米松诱导的骨质疏松模型,并在股骨的外侧髁构建骨缺损,植入我们前期研制的低弹多孔钛合金,发现PEMF刺激能够显著改善两种骨质疏松兔的小梁骨和皮质骨的骨量和微观结构,显著提高皮质骨和小梁骨的结构和材料力学属性,显著促进多孔钛合金植入体在骨缺损位置的骨整合能力,而这与PEMF对于骨中OB介导的骨形成速率的促进作用相关。(3)通过使用新颖的微接触压印和自组装单分子表面化学技术成功构建了体外OB的拓扑网络,发现PEMF刺激下OB表现出独特的多尖峰钙振荡特性,揭示了OB主要通过胞浆多尖峰钙振荡响应外界的电磁信号刺激。(4)筛选明确了OB胞内NFATc3亚型,通过构建钙-NFAT双通道荧光实时成像技术,发现了PEMF刺激下OB胞内NFATc3活性与细胞钙振荡呈现正相关关系,揭示了NFAT充当着OB响应外界PEMF刺激下胞内多尖峰钙振荡解码器的角色。(5)通过使用基因沉默技术阻断OB中的NFATc3表达,同时构建OB特异性NFATc3敲除小鼠,发现当NFATc3受抑制后,PEMF所诱发的OB的细胞增殖、分化、矿化以及成骨因子表达的增加被显著抑制,同时OB中NFATc3条件性敲除小鼠的骨量、骨微结构、骨矿化沉积率等也显著抑制,而PEMF刺激无法显著逆转这种抑制效应,进一步揭示了NFAT不仅充当着PEMF刺激下OB钙振荡的重要“解码器”的角色,同时对于PEMF的钙振荡的下游信号“转导”同样发挥重要作用。

项目成果

期刊论文数量(7)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Differential skeletal response in adult and aged rats to independent and combinatorial stimulation with pulsed electromagnetic fields and mechanical vibration
成年和老年大鼠对脉冲电磁场​​和机械振动的独立和组合刺激的差异骨骼反应
  • DOI:
    10.1096/fj.201902779r
  • 发表时间:
    2019-12-29
  • 期刊:
    FASEB JOURNAL
  • 影响因子:
    4.8
  • 作者:
    Cai, Jing;Shao, Xi;Jing, Da
  • 通讯作者:
    Jing, Da
Pulsed electromagnetic fields modify the adverse effects of glucocorticoids on bone architecture, bone strength and porous implant osseointegration by rescuing bone-anabolic actions
脉冲电磁场​​通过挽救骨合成代谢作用来改变糖皮质激素对骨结构、骨强度和多孔植入物骨整合的不利影响
  • DOI:
    10.1016/j.bone.2020.115266
  • 发表时间:
    2020-04-01
  • 期刊:
    BONE
  • 影响因子:
    4.1
  • 作者:
    Cai, Jing;Shao, Xi;Jing, Da
  • 通讯作者:
    Jing, Da
Radiotherapy-induced bone deterioration is exacerbated in diabetic rats treated with streptozotocin.
接受链脲佐菌素治疗的糖尿病大鼠会加剧放疗引起的骨质恶化
  • DOI:
    10.1590/1414-431x2021e11550
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    Brazilian journal of medical and biological research = Revista brasileira de pesquisas medicas e biologicas
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Jiang M;Ding Y;Xu S;Hao X;Yang Y;Luo E;Jing D;Yan Z;Cai J
  • 通讯作者:
    Cai J
Amelioration of bone fragility by pulsed electromagnetic fields in type 2 diabetic KK-Ay mice involving Wnt/β-catenin signaling
涉及 Wnt/β-连环蛋白信号传导的 2 型糖尿病 KK-Ay 小鼠中脉冲电磁场​​改善骨脆性
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    Am J Physiol Endocrinol Metab
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Shao X;Yang Y;Tan Z;Ding Y;Luo E;Jing D;Cai J
  • 通讯作者:
    Cai J
Glucose- and glutamine-dependent bioenergetics sensitize bone mechanoresponse after unloading by modulating osteocyte calcium dynamics.
葡萄糖和谷氨酰胺依赖性生物能学通过调节骨细胞钙动力学使卸载后骨机械反应敏感
  • DOI:
    10.1172/jci164508
  • 发表时间:
    2023-02-01
  • 期刊:
    JOURNAL OF CLINICAL INVESTIGATION
  • 影响因子:
    15.9
  • 作者:
    Liu, Xiyu;Yan, Zedong;Cai, Jing;Wang, Dan;Yang, Yongqing;Ding, Yuanjun;Shao, Xi;Hao, Xiaoxia;Luo, Erping;Guo, Edward;Luo, Peng;Shen, Liangliang;Jing, Da
  • 通讯作者:
    Jing, Da

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其他文献

次声激活小胶质细胞抑制成年大鼠海马神经干细胞增殖
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
    神经解剖学杂志
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    董正;蔡婧;林甜;史明
  • 通讯作者:
    史明
全方位倒立摆模糊控制算法探讨
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    西南交通大学学报
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    --
  • 作者:
    蔡婧
  • 通讯作者:
    蔡婧
不同亚型注意缺陷多动障碍儿童的智力结构与注意特征研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
    中华行为医学与脑科学杂志
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    马岭;蔡婧;任艳玲;张毅力;高鹏;王苏弘
  • 通讯作者:
    王苏弘
学龄期抽动障碍儿童提示性Go/Nogo任务的行为学及事件相关电位研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2013
  • 期刊:
    中华行为医学与脑科学杂志
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    张毅力;王苏弘;任艳玲;马岭;蔡婧;董选
  • 通讯作者:
    董选
三种亚型注意缺陷多动障碍儿童智力结构特征的分析
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2012
  • 期刊:
    临床和实验医学杂志
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    马岭;任艳玲;蔡婧;王苏弘;董选
  • 通讯作者:
    董选

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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