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骨质疏松症(OP)是一种因骨密度降低、骨量减少而导致骨折危险性增加的全身性骨骼疾病,目前还没有疗效好且副作用低的骨质疏松治疗药物。脉冲电磁场(PEMFs)作为一种非侵入物理治疗手段,被认为是安全有效的骨质疏松症治疗方法之一,本实验组前期研究已筛选出能够显著促进骨形成的脉冲电磁场参数,包括磁场强度、频率、作用时间等。在这些参数条件下,脉冲电磁场显著促进了间充质干细胞和成骨细胞的成骨性分化及矿化成熟,并能够提高生长大鼠的峰值骨量。然而,脉冲电磁场促进骨形成的作用机理至今仍不清楚,是制约电磁场应用于骨质疏松治疗的主要瓶颈。本实验组在前期研究中已经发现,50 Hz 0.6mT的脉冲电磁场是促进骨形成的最佳参数之一,在该参数条件下脉冲电磁场促进骨形成依赖于细胞表面的“天线样”细胞器——初级纤毛。鉴于上述研究结果,本论文开展了脉冲电磁场促进骨形成与初级纤毛及相关信号途径关系的研究。首先,实验以大鼠颅骨中分离得到的骨细胞和成骨细胞为材料,利用免疫组织化学染色、免疫荧光染色以及western blot技术,对两者形态、成骨性相关蛋白的表达等进行了比较研究。结果表明:骨细胞多呈树突状,而成骨细胞多呈长梭形;成骨细胞碱性磷酸酶(ALP)的活性、成骨相关因子I型胶原(COL-I)和骨钙素(OC)的表达量均显著高于骨细胞;成骨细胞对外界促进骨形成的因子更加敏感,因此后续研究均采用成骨细胞。其次,为了研究PEMFs促进骨形成是否依赖于BMP2-Smad信号途径,实验用50 Hz0.6mT PEMFs处理大鼠颅骨成骨细胞不同时间后,通过western blot检测骨形态发生蛋白(BMP-2)、Smad1/5/8和p-Smad1/5/8蛋白的表达量,免疫荧光染色法检测p-Smad1/5/8核转位情况。结果发现,PEMFs能够显著提高BMP-2的表达量,促进Smad1/5/8快速发生磷酸化,并使p-Smad1/5/8发生核转位,说明50 Hz 0.6mT PEMFs能够激活BMP2-Smad信号途径。为检测激活BMP2-Smad信号途径是否为PEMFs促进骨形成所必需,本实验用BMPs阻断剂Noggin和BMPR1激酶的抑制剂LDN1459阻断BMP2-Smad信号途径后,检测了成骨相关指标的变化。发现PEMFs诱导的ALP活性升高、骨形成相关蛋白表达的增加以及钙化结节形成增多的现象均被抑制,说明PEMFs促进骨形成依赖于BMP2-Smad信号途径。最后,为了研究PEMFs激活BMP2-Smad信号途径是否与初级纤毛有关,本实验利用RNA干扰法抑制IFT88的表达,从而抑制初级纤毛的发生后,检测BMP2-Smad信号途径的激活是否受到影响。结果发现,PEMFs促进BMP-2和p-Smad1/5/8的表达以及p-Smad1/5/8发生核转位的现象均被抑制,PEMFs激活BMP2-Smad信号途径的作用消失。因此推测BMP2-Smad信号途径中的某种蛋白可能定位于初级纤毛中,为此实验通过免疫荧光染色技术,对BMP2的三种受体BMPRIA、BMPRIB和BMPRII进行了初级纤毛共定位,结果发现BMPRII定位于初级纤毛根部,同时还发现PEMFs能够显著促进BMPRIB和BMPRII蛋白的表达。通过RNA干扰法抑制初级纤毛后,BMPRII定位于初级纤毛基部及BMPRII表达量增加的现象均消失。结果说明BMPRII是联接初级纤毛和BMP2-Smad信号途径的关键蛋白。为了研究BMPRII在PEMFs促进骨形成过程中的作用,本实验进而用RNA干扰法抑制BMPRII的表达后检测成骨性指标,结果发现PEMFs提高ALP活性,促进骨形成相关因子表达及钙化结节形成能力的现象均被抑制。本研究首次发现PEMFs通过促进定位于初级纤毛根部的BMPRII的表达,从而激活BMP2-Smad信号途径,进而促进骨形成。以上结果为阐明电磁场防治骨质疏松作用机制奠定了良好基础。