基于磁刺激的骨再生的細(xì)胞和分子機(jī)制目前需要進(jìn)一步理解。為了評(píng)估實(shí)驗(yàn)室中的現(xiàn)象，最近通過塑性壓縮開發(fā)了三維(3-D)天然膠原模型，以產(chǎn)生細(xì)胞，致密且機(jī)械強(qiáng)度高的膠原結(jié)構(gòu)。為了在研究中產(chǎn)生細(xì)胞負(fù)荷模型，Zhiyu Yuan及其同事將成骨細(xì)胞(MG-63細(xì)胞系)和磁性氧化鐵納米顆粒(IONP)整合到膠原凝膠中。使用3-D印刷，設(shè)計(jì)并制造磁性生物反應(yīng)器以支持靜磁場(SMF)下的細(xì)胞生長。研究人員利用聚合酶鏈反應(yīng)(PCR)確定了SMF對成骨相關(guān)基因調(diào)控和表達(dá)的影響，包括侏儒相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2(Runx2的)，骨連接素(ON)和骨形態(tài)發(fā)生蛋白2和4(BMP-2和BMP-4 )。

現(xiàn)在發(fā)表在科學(xué)報(bào)告中，結(jié)果表明SMF，IONP和膠原基質(zhì)能夠刺激成骨細(xì)胞的增殖，堿性磷酸酶產(chǎn)生和礦化。通過影響基質(zhì) - 細(xì)胞相互作用以影響Runx2，ON，BMP-2和BMP-4的表達(dá)來實(shí)現(xiàn)該過程。膠原模型為逐步形成新型礦化三維骨模型提供了洞察力，并了解了對骨生成的磁刺激。可以使用該模型進(jìn)行其他研究，以用于組織工程和再生醫(yī)學(xué)。

僅在英國，患有骨折的患者數(shù)量對生活質(zhì)量產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)影響，國家衛(wèi)生服務(wù)(NHS)的費(fèi)用就是證明。在骨損傷期間，生理再生的生物和機(jī)械過程在損傷部位用新骨替換受損骨。代謝過程復(fù)雜，需要許多因素的相互作用，包括生長和分化因子，如激素，細(xì)胞因子和細(xì)胞外成分; 同時(shí)，不充分或中斷的因素可導(dǎo)致骨質(zhì)愈合延遲或不愈合。

在該研究中，作者使用了一種新型多功能仿生三維膠原模型作為體外平臺(tái)，用于研究磁刺激對成骨的機(jī)制。為了產(chǎn)生一系列細(xì)胞負(fù)載模型，研究人員將內(nèi)部刺激(氧化鐵納米顆粒)和外部(靜磁場，SMF)刺激引入系統(tǒng)。根據(jù)先前建立的方案，通過使用塑性壓縮制造納米和微結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)仿生材料。為了評(píng)估成骨細(xì)胞的生物學(xué)行為，包括它們的增殖，分化，礦化，基因表達(dá)和微觀結(jié)構(gòu)分析，科學(xué)家們在磁性生物反應(yīng)器中培養(yǎng)膠原模型長達(dá)42天。

在該研究中，使用alamarBlue測定法評(píng)估成骨細(xì)胞系MG-63的細(xì)胞增殖。在第14天，研究人員觀察到單獨(dú)的SMF，單獨(dú)的IONP和它們組合對細(xì)胞增殖的顯著差異。采用組織學(xué)技術(shù)檢查膠原支架內(nèi)的細(xì)胞反應(yīng)，并了解SMF和IONP對細(xì)胞增殖的作用?？梢暬笫羌?xì)胞數(shù)量的定量分析，結(jié)果表明IONP的摻入延長了SMF的作用。

類似地，用膠原支架的堿性磷酸酶(ALP)活性觀察細(xì)胞分化，有或沒有IONP的摻入。如前所述，當(dāng)IONP和SMF的作用相結(jié)合時(shí)，與單獨(dú)使用SMF和單獨(dú)使用IONP相比，ALP產(chǎn)生得到顯著刺激。此后還觀察到細(xì)胞礦化并在細(xì)胞接種的膠原支架中定量。42天后，所有樣品用ARS染色染色以指示完全礦化。相反，結(jié)合SMF和IONP無法促進(jìn)礦化。

此后，科學(xué)家們進(jìn)行了研究，以了解細(xì)胞接種的膠原蛋白支架在分子水平上對SMF和IONP的反應(yīng)。為此，使用實(shí)時(shí)定量聚合酶鏈反應(yīng)(RT-qPCR)定量Runx2，ON，BMP-2和BMP-4的表達(dá)水平。單獨(dú)的7天SMF處理對Runx2的表達(dá)沒有影響，而當(dāng)SMF與IONP組合時(shí)發(fā)現(xiàn)表達(dá)增加，證明在成骨過程中膠原基質(zhì)介導(dǎo)的Runx2表達(dá)。在第7天，用IONP，SMF和兩者處理的樣品中的ON表達(dá)水平在短時(shí)間內(nèi)高于對照。在BMP-2和BMP-4的表達(dá)過程中，在7-14天內(nèi)觀察到類似的結(jié)果。

該研究主要表明，骨生成是由連續(xù)激活和表達(dá)幾種關(guān)鍵基因介導(dǎo)的復(fù)雜過程，包括Runx2，ON，BMP-2和BMP-4。通常，Runx2上調(diào)與骨基質(zhì)相關(guān)的蛋白質(zhì)基因的表達(dá)，以促進(jìn)體外和體內(nèi)骨形成。因此，該研究表明，SMF暴露可通過調(diào)節(jié)Runx2的早期表達(dá)誘導(dǎo)細(xì)胞系增殖，以加速成骨。當(dāng)在SMF下?lián)饺隝ONP時(shí)，骨粘連蛋白(ON)基因的表達(dá)增加，將膠原相與骨礦物連接以啟動(dòng)正常的骨骼組織礦化。同樣，BMP-2和BMP-4 在用SMF和IONP聯(lián)合細(xì)胞培養(yǎng)期間，研究僅增加。

通過這種方式，作者開發(fā)并測試了仿生三維膠原模型，該模型可逐漸礦化，隨后在體外形成新的骨模型。該模型與成骨細(xì)胞和納米顆粒結(jié)合，具有響應(yīng)外部磁刺激的能力。通過塑性壓縮設(shè)計(jì)仿生膠原模型以整合MG-63細(xì)胞系，并證明與SMF和IONP結(jié)合的可重復(fù)且一致的結(jié)果。細(xì)胞 - 基質(zhì)相互作用成功地上調(diào)了與成骨相關(guān)的關(guān)鍵基因的表達(dá)。作者打算開發(fā)3-D 模型 進(jìn)一步作為研究體外生物學(xué)行為的優(yōu)越平臺(tái)，可用于組織工程和再生醫(yī)學(xué)。