长期空间飞行可引起身体多个系统的改变如血液—心血管系统、内分泌系统、骨骼肌肉系统、自主平衡系统、免疫系统、神经系统等。由于实验耗资巨大,具备空间实验能力的人力资源缺乏和实验设备重量严格受限等因素使得空间载体科学实验非常有限,因此被美国航空航天局认可的旋转细胞培养系统(rotary cell culture system,RCCS),成为地面模拟微重力环境进行细胞或组织实验的主要仪器。RCCS中培养体系对细胞产生的机械剪切力小,充氧不引起涡流,有利于细胞营养的及时补充,加速代谢产物的尽快排除,从而改善离体细胞的培养条件,有利于细胞培养和组织生长。成体干细胞是指从机体某些组织中分离出来的具有自我更新和多向分化能力的一类细胞,它分布于不同的组织,还可以通过血液循环到达躯体各处,参与组织的修复和再生。牙周膜干细胞是一种典型的牙源性间充质干细胞,可以从新鲜拔除牙齿的牙周膜组织中获得。尽管在体外普通培养环境下这种牙周膜干细胞呈现出一种较低的成骨分化潜能,但是在矿化诱导培养条件下,牙周膜干细胞可以表达成牙骨质/成骨特性标记物,如碱性磷酸酶、细胞外基质磷酸化糖蛋白、骨涎蛋白、骨钙素和转移生长因子β1;牙周膜干细胞植入免疫缺陷鼠体内能够生成类似牙周膜样结构。这些特性表明牙周膜干细胞作为一种新的成体干细胞,具有其特殊性和潜在的临床应用价值。TGF-β超家族细胞因子经过其各自的信号转导引起不同的生物学效应,而信号转导的基本过程相似:通过TGF-β族配体——膜受体——Smads蛋白——转录因子——基因表达等步骤。Smads家族是TGF-β超家族成员下游的一种细胞内信号的特异性转导分子,可将信号直接从细胞膜转导入细胞核内,具有转录活化的作用。组织学和细胞学研究证实牙周膜的发育过程中,TGF-β及其受体在成骨细胞、成牙骨质细胞和成纤维细胞内均有较强的表达,提示TGF-β能够调节牙周膜组织的发生和成熟。本课题旨在:探讨地面静止及模拟微重力环境中牙周膜干细胞形态,内部结构,增殖、分化等生物学特性有何种变化;明确smads信号转导分子在两种不同培养环境下对细胞生物学行为变化是否起到关键性的调控作用;探明微重力环境下牙周膜细胞的生物力学反应,及牙周膜细胞在微重力环境下生物力学响应的主要信号转导途径和关键信号分子,为维护航天员的口腔健康提供有效的防护措施,并且为临床研究牙周组织再生和牙齿松动等牙周疾病提供新的治疗思路。所取得的主要结果如下:1.牙周膜干细胞的分离、培养、鉴定及多向分化能力检测通过组织块联合酶消化法获得了牙周膜细胞,利用单克隆培养法在间充质干细胞培养基内成功分离出牙周膜干细胞;采用成骨诱导、成脂诱导方式验证了牙周膜干细胞具备多向分化能力;采用免疫组织化学染色和流式细胞仪定量分析细胞群体中间充质干细胞标志物Stro-1的阳性表达率。2.微重力环境下牙周膜干细胞的生物学特性分析利用旋转生物反应器(RCCS)和Cytodex-3微载体成功对牙周膜干细胞接种并悬浮培养。对牙周膜干细胞在悬浮模拟微重力和普通重力环境的细胞生物状态进行了比较,主要观察了细胞形态学改变、增殖潜能变化、细胞成骨/成牙骨质向分化能力改变。结果提示模拟微重力环境能够加强细胞增殖能力,促进细胞成骨/成牙骨质向分化潜能,同时细胞出现不同于普通重力下的形态。3. Smads信号转导分子在微重力引起牙周膜干细胞成骨/成牙骨质向分化中的作用机制研究。TGF-β1可以促进牙周膜干细胞成骨/成牙骨质向分化;Smads信号在此过程中充当了重要角色;微重力引起的牙周膜干细胞成骨/成牙骨质向分化过程中,Smads信号分子担当了重要作用,可能通过TGF-β族配体——膜受体——Smads蛋白——转录因子——基因表达等步骤来促进细胞成骨/成牙骨质向分化过程。综上所述,牙周膜干细胞在微重力环境下其生物学行为发生了特定的改变, Smads信号转导分子在此过程中发挥了重要作用。研究结果为空间牙周生理病理学提供了研究基础;同时为牙周组织工程研究提供了新的研究思路。