静磁场是磁场强度恒定的一种磁场。地磁场是自然界中最常见的静磁场,它伴随着地球生命的产生、进化与生存,在生命活动中具有重要作用。随着月球与火星等深空探测计划的开展,航天员将长期暴露于亚磁空间(<5μT)中。这可能对宇航员的身心健康带来潜在的危害。亚磁场生物学效应及其机制的研究,将为相关载人航天的空间防护提供理论基础,已成为空间生物科学以及航天医学等相关领域的新热点。随着现代超导技术的应用,使得强磁场(>1 T)在医学检测、科学研究中得到越来越多的应用,如核磁共振成像、抗磁悬浮等。其中抗磁悬浮由超导磁体产生的大梯度强磁场实现,是地基模拟失重研究中的重要平台。另外,在人类的日常生活中,由于电的广泛使用,使得人类更多地暴露于中等强度范围的磁场(1 mT-1 T)。总之,人类暴露于各种磁场环境的机会大大增加,这也使得静磁场下的生物学效应和机制研究成为重要的公共环境健康问题。随着磁生物学研究的深入,发现一定强度的静磁场在骨折愈合、骨损伤愈合、关节炎所致骨质流失、去势大鼠模型中骨质流失、缺血性骨质流失等模型中具有正向的促进效应。这些研究表明,静磁场可以作为一种辅助预防和治疗多种骨骼相关疾病的物理疗法。总之,磁场生物学效应的研究可以帮助我们进行趋利避害。骨是一种不断更新的组织,骨形成和骨吸收的动态平衡维持着正常的骨代谢。在骨重建过程中,由成骨细胞引起的骨形成与破骨细胞引起的骨吸收之间的偶联,是维持骨结构完整性及合适骨强度的关键。他人以及本课题组前期研究发现,静磁场可调节成骨细胞以及破骨细胞的增殖和分化能力。但是随着细胞种类、磁场强度、曝磁方式等的不同,其产生的生物学效应也不尽相同。作为一种物理刺激,静磁场的曝磁作用涉及到多方面的参数:磁场强度、曝磁时间、磁场梯度、生物样品的种类(动物、细胞或分子)等。此外,目前大多数研究所采用的磁场强度也都集中在由永磁体产生的中强磁场范围,很少有亚磁场、强磁场环境的相关报道。因此,由于目前文献报道中所使用的磁场强度不一样、细胞种类的不同、曝磁方式的不同等原因,很难从已有发表文献中得出确切的结论:静磁场是如何影响参与骨重建平衡的关键细胞成骨细胞与破骨细胞的分化作用?与静磁场强度的关系如何?其可能的机制如何?为了进一步系统揭示静磁场对骨组织代谢的作用以及机制,本研究利用500 nT亚磁场、0.2 T中强磁场及16 T强磁场系统研究静磁场对成骨细胞MC3T3-E1以及前破骨细胞RAW264.7细胞增殖和分化的影响和机制,并在整体水平上研究静磁场对小鼠股骨微观结构和力学性能的影响。实验结果表明,地磁场屏蔽乃至强磁场并没有对成骨细胞MC3T3-E1以及前破骨细胞RAW264.7的生长产生毒性作用。骨组织细胞的分化受到静磁场强度的调节。对于成骨细胞,16 T抑制成骨细胞的分化初期,然而却加速了基质矿化过程,最终表现为成骨分化能力的增强;500 nT以及0.2 T则减弱这一过程。与之相反,16 T显著抑制破骨细胞的分化,同时500 nT以及0.2 T显著增强这一过程。这些结果表明,同一强度静磁场可同时相反地调节成骨细胞以及破骨细胞的分化行为。然而整体水平的结果表明,500nT以及0.2 T静磁场处理30 d并没有对小鼠股骨的微观结构和力学性能产生影响。论文初步研究了一氧化氮(nitric oxide,NO)对静磁场调节破骨细胞形成的参与作用。结果显示,16 T强磁场下,破骨细胞的形成能力受到显著抑制,同时激活一氧化氮合酶(nitric oxide synthase,NOS)释放大量NO。当用NOS抑制剂硝基左旋精氨酸甲酯(NG-Nitro-L-arginine methyl ester,L-NAME)处理后,可降低细胞培养基中NO的含量,并同时浓度依赖性地促进破骨细胞的形成使之恢复到正常地磁对照组水平。500 nT与0.2 T磁场显著促进破骨细胞的形成,并伴随着NO生成量的降低以及NOS活性的降低。当加入NOS底物左旋精氨酸(L-Arginine,L-Arg)或NO供体硝普钠(sodium nitroprusside,SNP)时,显著增加细胞培养基中NO浓度,同时浓度依赖性抑制前破骨细胞RAW264.7向破骨细胞的分化。该实验结果表明,NO可能参与了静磁场对破骨细胞形成的调节作用。最后,论文检测了矿物质元素与骨组织代谢的关系。研究发现,成骨细胞在矿化过程中会积累更多的铜、铁、镁、锰、锌等元素,这些矿物质元素可能参与到调节成骨细胞分化的过程中。同时,静磁场在细胞水平上影响成骨细胞矿化过程,并伴随着矿物质元素含量的变化;在整体水平,也改变了胫骨中的矿物质元素含量。静磁场效应可能与这些矿物质元素的调节作用相关。综合以上的研究表明,与地磁场相比,16 T强磁场、0.2 T中强磁场以及500nT亚磁场可在细胞水平上影响骨组织细胞的增殖、分化功能。在动物水平研究方面,三种强度静磁场处理30 d没有对骨骼产生有害的负面影响。NO以及矿物质元素可能参与了静磁场对骨组织的调节作用。失重性骨质流失是航天员在空间飞行中面临的主要问题之一。然而在亚磁场环境下,本研究表明成骨细胞的成骨功能受到抑制,破骨细胞的活性增强,暗示长期深空探测过程中亚磁场会加速空间失重性骨质流失的过程。本研究将为生物电磁学效应的机制研究补充新的内容,并为阐明静磁场调节骨重建平衡的作用及分子机制提供理论支持,为科学利用磁场疗法进行骨骼健康防护提供理论支撑。同时,亚磁场的生物学效应以及机制的研究,将为载人航天的空间防护提供理论基础。